Cr-Mo钢精密滚珠丝杠表面硬化层的失效分析

　　精密滚珠丝杠副具有传动效率高、定位精度高、传动可逆、使用寿命长和同步性能好等优点[1]，因而广泛应用于各种工业设备、精密仪器和精密数控机床中。目前，我国高档数控机床对滚珠丝杠类滚动功能部件的年需求量约为15亿元，但80%以上需要从国外进口，我国精密滚珠丝杠副的发展水平和国外相比差距较大。除了加工精度、原材料质量等因素外，热处理工艺的不合理是制约其发展的主要因素。在实际生产中发现，经表面感应淬火的滚珠丝杠在磨削后，经常在丝杠表面上出现轴向或网状裂纹。据统计分析结果显示，由淬火温度偏高或回火不足造成磨削裂纹的丝杠约占总数的20%～30%。因此，开展滚珠丝杠表面硬化层失效分析研究对于提高我国滚珠丝杠制造水平和高档数控机床的整体制造水平有重要的现实意义。本文对国产Cr-Mo钢精密滚珠丝杠的表面硬化层出现的淬火裂纹进行了失效分析，进而探讨了提高国产滚珠丝杠产品质量的有效途径。

　　1 试验材料和方法

　　1.1 试样材料

　　本次失效分析样品为Cr-Mo钢精密滚珠丝杠感应加热淬火裂纹样品，滚珠丝杠直径为Φ80mm。该Cr-Mo钢精密钢滚珠丝杠的加工工艺流程是:预先热处理(调质处理)→车丝→感应淬火→磨削。经表面感应淬火后出现明显的淬火裂纹。

　　1.2 试验内容和方法

　　实验采用常规的表面硬化层失效分析方法。对Cr-Mo钢精密滚珠丝杠表面硬化层裂纹进行整体宏观形貌观察，采用JEOL JSM-6610LV型扫描电镜(SEM)和能谱仪对其进行微观观察和分析。将用DK7730电火花数控线切割机床切得的裂纹试样经镶嵌、打磨，然后用金相砂纸磨制并抛光，3%硝酸酒精腐蚀后，用NIKON EPIPHOT金相微镜观察样品的显微组织。最后，分别对试样裂纹存在的凸台部位及凹槽部位从表面到心部使用HV-1000型维氏显微硬度计(载荷砝码0.2kg)进行有效硬化层的测量，并绘制出硬度分布曲线。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 宏观形貌观察结果

　　经宏观观察可见，裂纹扩展方向垂直于滚珠丝杠的轴线方向，由感应加热淬火层内向外表面延伸，在丝杠凸台表面和两侧都可观察到宏观裂纹形貌，参见图1。

　　2.2 扫描电镜及能谱分析

　　采用扫描电镜和能谱仪对Cr-Mo钢精密滚珠丝杠表面硬化层裂纹的微观观察和分析结果表明，裂纹扩展区的局部地方存在明显的孔洞，孔洞内散布着很多球形凝固产物。经能谱检测结果表明，这些球形物是Cr-Mo钢凝固时因冷却速度快，而未能及时收缩而形成的金属或非金属夹杂，应为典型的冶金疏松缺陷[2]，参见图2和表1。此外，在孔洞内观察到的断口呈现典型的沿晶断口，为脆性断裂特征，参见图3。