精密滾珠絲杠副具有傳動效率高、定位（wèi）精度高、傳動可逆、使用壽命長和同步性能好等（děng）優點［1］，因而廣泛應用於各種工業設（shè）備、精密儀器和精密數控機床（chuáng）中。目前，我國高檔（dàng）數控機床對滾珠絲杠（gàng）類滾動功能部件的年需求量約為15 億元，但80% 以上需要從國外（wài）進口，我國精密滾珠絲杠副的發展水（shuǐ）平和國外相比差距較大（dà）。除了加工精（jīng）度、原材料質量等因素外，熱處理工藝的不合理是製約其（qí）發展的主要因素。在實際生（shēng）產中發現，經表麵感應（yīng）淬火的滾珠絲杠在磨削後，經（jīng）常在絲（sī）杠表麵上出現軸向或（huò）網狀（zhuàng）裂紋。據統計分析結果顯示，由（yóu）淬火溫度（dù）偏（piān）高或回火不足（zú）造（zào）成磨削（xuē）裂紋的絲杠約占（zhàn）總數的20% ～ 30%。因此，開展滾（gǔn）珠絲杠表麵硬化層失效（xiào）分析研究對於提高我國滾珠絲杠製造水平和高檔數控機床的整體製造（zào）水（shuǐ）平（píng）有重（chóng）要的（de）現實意（yì）義。本文對國產Cr-Mo 鋼精密滾珠（zhū）絲杠的表麵硬化層出（chū）現的淬火裂紋進行了失效分析，進而探討了（le）提（tí）高國產滾珠絲杠產品質量的（de）有效途徑。

1 試驗材料和方法

      1． 1 試樣材料（liào）

      本次失效分析樣品為Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠感應加熱淬火裂（liè）紋樣品，滾珠絲杠（gàng）直徑為80 mm。該Cr-Mo 鋼精密鋼滾珠絲杠的加工工藝流程是: 預先熱處理 ( 調（diào）質處理（lǐ）) → 車絲→ 感應淬火→磨削。經表麵感應淬火後出現明顯的淬火裂（liè）紋。

    1． 2 試驗內容和方法

     實驗采用常規的表麵硬化層失效分析方法。對Cr-Mo 鋼精密滾（gǔn）珠絲杠表麵硬化層裂紋進行整體宏觀形（xíng）貌觀察，采用JEOL JSM-6610LV 型掃描電鏡( SEM)和能譜儀對其進行微觀觀察和分析。將用DK7730 電火花（huā）數（shù）控線切割機床切得的裂（liè）紋試樣經鑲嵌、打（dǎ）磨，然後用金（jīn）相砂紙磨製（zhì）並拋光，3% 硝酸酒（jiǔ）精（jīng）腐蝕後，用NIKON EPIPHOT 金相顯微鏡觀察樣品的顯微組織。最後，分別對（duì）試樣裂紋（wén）存在的（de）凸台部位及凹槽部位從表麵到心部使用HV-1000 型維氏顯微硬度計( 載荷砝碼0． 2 kg) 進行有效硬化層的測（cè）量，並繪製出硬度分布曲線（xiàn）。

2 試驗結果（guǒ）與（yǔ）分析

      2． 1 宏觀形貌觀察結果

      經宏觀觀察可見，裂紋擴展方向垂（chuí）直於滾珠絲杠的軸線方向，由感應加熱淬火層內向外表麵延伸，在絲杠凸（tū）台表麵和兩側都可觀察到宏觀裂紋形貌，參見圖1。

      2． 2 掃描電鏡及能譜分析

      采用掃描（miáo）電鏡和能譜（pǔ）儀（yí）對Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表麵硬化層裂紋的微觀（guān）觀察和分析結果表明，裂紋擴展區的局部地方存在明顯的孔洞（dòng），孔洞（dòng）內散布著很多（duō）球形凝固產物。經能譜檢測結果表（biǎo）明，這些球形物（wù）是Cr-Mo 鋼凝（níng）固（gù）時因冷（lěng）卻速度快，而未能及時收縮而形成（chéng）的金屬或非金屬夾雜，應為典型的冶（yě）金疏鬆缺陷［2］，參見（jiàn）圖2 和表1。此外，在孔洞（dòng）內觀察到的（de）斷口呈現典型的（de）沿晶（jīng）斷口，為脆性（xìng）斷裂特征，參見圖3。

      因此，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠感應加熱淬火層出現裂紋與鋼存在典型的冶金疏鬆缺陷（xiàn）直接相關，這是感應淬火裂紋形成的主要原因（yīn）之一（yī）。

      2． 3 金相（xiàng）組織觀察

      金相觀察結果表明，Cr-Mo 鋼（gāng）精密滾珠絲杠的組織比較（jiào）細密，心部基體組織是回火索（suǒ）氏體，參見圖4，但是，存在較明顯的熱軋缺陷，即帶狀偏析組織，參見圖4( a) 。滾珠絲杠裂紋存在的表麵硬化（huà）層組織是隱晶馬氏體，參見圖5。

      帶狀組織成因是鋼在熱（rè）軋時沿（yán）軋製方向形成的［3］。帶狀組織因相鄰（lín）帶的顯微組織不同而破壞鋼的組織連續性，在（zài）外力作用下強、弱帶之間會產生應力集（jí）中，因（yīn）而造成力學性能降低，並（bìng）使鋼的力（lì）學性能產（chǎn）生明顯（xiǎn）的各向異性［4］。因此，應根據帶狀（zhuàng）組織缺陷的（de）成因嚴格控製原（yuán）材料的質量，從而盡量減輕其偏析程度［5］。

      2． 4 顯微硬度檢測

     實際檢測的精密滾（gǔn）珠絲杠（gàng）凸台（tái）部位及凹槽部（bù）位（wèi）的顯微硬度（dù）分（fèn）布曲（qǔ）線參見圖6。凸台部位（wèi）表麵硬化層深度約（yuē）為5 mm，硬化（huà）層隱晶馬氏體的（de）硬度值分布為650 ～800 HV0． 2。凹槽（cáo）部位硬化層很淺，基體是回火索（suǒ）氏體，其硬度值為280 ～ 320 HV0． 2。滾珠絲（sī）杠工作（zuò）時常承受彎曲、扭轉、疲勞和衝擊載（zǎi）荷，同時在轉動部位又承（chéng）受較強的摩擦力。其性能要求除了保證心部高強韌度以及高的尺寸穩定性外，還必須保（bǎo）證表麵（miàn）高硬（yìng）度和高耐磨性。因此，滾珠（zhū）絲杠理想的硬度分布曲線（xiàn）應保證滾道（dào）底部硬化層硬度（dù）值為700 HV0． 2，深度為1 ～ 1． 5 mm，過渡區下降要平緩，心部組織硬（yìng）度值穩定（dìng）在300 HV0． 2。顯微硬度檢（jiǎn）測結果表明，為使工作部位的凹槽底部達到理想（xiǎng）硬化層深（shēn）度，

      需（xū）提高感應加熱（rè）淬火時表層溫度和冷卻速度。但實際感應淬火後滾道底部（bù）仍沒有達到理想的淬硬層厚度，而非工作部位（wèi）凸台處的硬度（dù）值則偏（piān）高。

      Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠采用的表麵感應淬火溫（wēn）度偏高、冷卻速（sù）度過快，使得馬氏體轉變（biàn）速度過快，因而產生很大（dà）的內應力和局部的應力集（jí）中。Cr-Mo 鋼屬於高（gāo）強度合金工具鋼，鋼中Cr、Mo 等合金元（yuán）素較為豐富，因此其熱導率（lǜ）下降，感應加熱淬火時導致熱應力和組織應力（lì）再次增大（dà）。掃描電鏡及金相（xiàng）組織觀察（chá）結果顯示，絲杠中存在嚴重的冶金疏鬆缺陷、帶狀偏析，使鋼材強度減弱，當（dāng）淬火應力過大時，將易於誘發感應淬火裂紋形成［6］。

3 結論

      根（gēn）據上述檢（jiǎn）測和觀察結果，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表麵硬化層失效的原因主要可以（yǐ）歸納為以下3 點: 1) 鋼中存在明顯的冶金（jīn）缺陷，即裂紋擴展區局部出現的孔洞，這是冶煉鋼時由於局部縮孔形成疏鬆區而造成的。這（zhè）種缺（quē）陷應是鋼中嚴（yán）格控製避免（miǎn）出現（xiàn）的。

      2) 鋼中存在較明顯的熱軋缺陷，即帶狀偏析組（zǔ）織，初步確定這（zhè）是（shì）鋼的棒料在熱軋（zhá）時由於溫度偏高和軋製速度過快所致。這種缺陷應盡量減輕，否則也是易於造成組織不均勻產生局部應力集中，從而誘發裂紋形成。

      3) 感應加熱淬（cuì）火時表層溫度過（guò）高和（hé）冷卻速（sù）度（dù）過快（kuài），也是易於（yú）造成內應力過大和局部應力集（jí）中，從而誘發裂紋形成的原（yuán）因之一。

4 改進措施及效果

      1) 嚴格控製鋼中帶狀組織的級別( ＜ 2 級) : 采（cǎi）用一般退（tuì）火（huǒ）熱處理工藝可減輕組織中的帶狀偏析，但是難以根本改善帶狀偏析缺陷; 需要經高溫重結晶退火加以改善，為後續熱（rè）處理提供良好的組織準備。

      2) 改進表麵感應（yīng）加熱淬火工藝: 考慮Cr-Mo 鋼成分的（de）特點，控製表麵感應淬火溫度、降低冷卻速度，進而減小內應力和局部應力的集中，避免（miǎn）誘發感應淬火裂（liè）紋（wén）形成。