滾珠絲桿副是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機械元件。它將旋轉運動，轉變為直線運動，或將直線運動轉變為旋轉運動，具有傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長和同步性能好等優點，因而廣泛應用于各種工業設備、精密儀器和精密數控機床中。近年來，滾珠絲桿副作為數控機床直線驅動執行單元，在機床行業中得到廣泛應用，極大地推動了機床行業的發展。

　　滾珠絲桿副在各類設備上使用時，由于負荷不同，受力大小不同，絲桿工作時常承受彎曲、扭轉、疲勞和沖擊，同時在轉動部位承受較強的摩擦力，所以其主要的損壞形式是磨損和疲勞失效。因此絲桿在設計、制造時，必須具備高強韌度、高表面硬度和耐磨性以及高的尺寸穩定性等內在性能要求。特別是大型滾珠絲桿( 直徑≥80 mm) ，由于使用時承受的負荷較大( 動、靜負荷可達近1000kN) ，因此在強韌度、表面硬度和耐磨性等方面要求就更高。目前，國內各制造企業普遍選用GCr15 鋼材，在經過球化退火處理或調質處理等預先熱處理后，進行表面感應淬火熱處理，以滿足滾珠絲桿內在的性能要求。

　　目前，大型滾珠絲桿一般采用中頻感應淬火。在生產中，經常會發現經過中頻淬火( 回火) 的絲桿經磨削螺紋后，經磁力探傷檢查，常在螺紋滾道的圓弧上出現軸向的或網狀的裂紋，甚至在磨削螺紋過程中僅憑肉眼就可發現，從而造成絲桿的報廢。這不僅給企業造成直接經濟損失，而且由于造成該問題的因素是多方面的，給企業生產一線操作者帶來較大的壓力。筆者長期從事滾珠絲桿熱處理的技術工作，通過對大量磨削裂紋大絲桿的失效分析和過程追溯，總結了造成這類裂紋的原因和控制措施，并通過批量生產獲得了有效性確認。

　　一、絲桿中頻淬火后磨削裂紋的原因分析

　　1. 原材料不良

　　主要表現為GCr15 材料的網狀碳化物級別超差或球化退火組織不合格( 有片狀珠光體) 。通過對裂紋絲桿碳化物的不均勻性分析、顯微組織分析，出現網狀碳化物級別超差或球化退火組織不合格絲桿約占總數的40 % 。碳化物不均勻性造成絲桿表面感應淬火后存在表面硬度和內應力分布不均，碳化物較集中的部位其內應力也較集中。在絲桿磨削時，由于該部位內應力超過材料的屈服強度，就會產生磨削裂紋。片狀珠光體存在，則造成絲桿表面感應淬火后晶粒粗大，降低鋼材的屈服強度，絲桿磨削時在內應力超過材料的屈服強度部位產生磨削裂紋。

　　2. 絲桿中頻淬火熱處理不良

　　主要表現為淬火溫度偏高或回火不足。通過分析、統計，由此造成絲桿磨削裂紋的絲桿約占總數的20 % ～30 % 。

　　大型滾珠絲桿中頻淬火時，中頻輸出功率偏高，淬火速度過慢，都可能使絲桿淬火時的溫度偏高，絲桿淬火后的馬氏體組織級別偏上限( 馬氏體5 級) ，甚至可能超標( 馬氏體≥5 級) 。粗大的馬氏體組織會降低鋼材40 %。絲桿磨削時的工藝參數不規范，磨削時產生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達到絲桿材料的“淬火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲桿表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強度，引起絲桿表面出現裂紋。大型滾珠絲桿淬火后，淬硬層較深，內應力( 包括熱應力和組織轉變應力) 較大，回火不足( 回火溫度低或回火時間短) ，絲桿淬火時形成的內應力消除不完全。絲桿淬火、回火后，內部的殘余內應力與磨削時產生的磨削應力相疊加，當疊加后的應力超過鋼材的屈服強度時，就會在絲桿表面形成裂紋。

　　3. 絲桿磨削時的工藝參數不規范該原因造成磨削裂紋的絲桿約占總數的30 % ～40 %。絲桿磨削時的工藝參數不規范, 磨削時產生的磨削熱量在絲 桿表面造成“二次回火”。更有甚者, 磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達到絲桿材料的“淬火溫度”, 在磨削液的冷卻作用下, 絲桿表面形成“二次淬火”, 造成表面晶粒粗大, 降低鋼材的屈服強度, 引起絲桿表面出現裂紋。

　　二、控制措施

　　1. 原材料的碳化物不均勻性和球化退火組織控制

　　目前，國內GCr15 材料采購參照GB/ T18254 —2002《高碳鉻軸承鋼》執行。標準5. 10. 1 對碳化物不均勻性規定：對直徑大于60 ～120mm 的球化退火鋼材的碳化物網狀不得大于3 級;對直徑大于120mm 的球化退火鋼材的碳化物網狀由供需雙方協議規定。標準5. 9. 2 對球化退火組織規定：≤60mm 的球化退火圓鋼、盤條，所有尺寸的鋼管的球化退火顯微組織合格級別為2 ～4級;> 60mm 的球化退火鋼材的顯微組織由供需雙方協議規定。

　　在實際生產中，由于鋼廠批量生產量較大，存在少量碳化物不均勻性超差的鋼材，> 60mm 的球化退火鋼材的顯微組織也很難完全達到2 ～4 級的合格級別。因此，使用單位需對進廠鋼材進行理化檢查。對檢查出碳化物不均勻性超差的鋼材，必須進行“鍛打→正火→球化退火” 處理;對檢查出球化退火鋼材顯微組織不合格的鋼材，必須重新進行“球化退火” 處理，直至鋼材的碳化物不均勻性和球化退火組織合格才能投產。

　　2. 感應淬火工藝控制

　　淬火感應器的選擇與控制。淬火感應器是感應淬火設備的關鍵部件與淬火工藝的關鍵參數。感應器與待淬火的工件( 絲桿) 之間的間隙決定了感應器的“加熱效率” 和工件表面的實際加熱功率。特別對GCr15 材料大型滾珠絲桿，由于淬硬層深度要求較深，所以絲桿表面加熱溫度一般采用“上限溫度” ( 一般為880 ℃ 左右) ，如果感應器與絲桿之間的間隙變小了，感應器的“加熱效率” 也就提高了。因此，在原來的淬火參數下工作，絲桿實際的淬火溫度就變高了。淬火后獲得的馬氏體級別自然也就高了。因此，對感應器與絲桿之間的間隙一定要嚴格監測與控制。大型絲桿淬火感應器一般采用圓環通過式或半環浮動式。采用圓環通過式感應器，需要定期檢查感應器的尺寸，偏差> 2mm 時必須整修或更換感應器;采用半環浮動式感應器，需要定期檢查固定感應器與工件間隙的定位塊厚度，當出現磨損較大時( >1mm) ，必須及時更換定位塊。

　　淬火工藝參數的定期驗證。由于現有感應淬火設備普遍采用電參數等間接參數( 電流、電壓、輸出功率、相對移動速度) 來控制熱參數( 加熱溫度、加熱時間) ，以設備的穩定性對絲桿淬火質量影響較大。因此當設備( 包括淬火感應器) 經過大修或更換電器部件后，需要對淬火工藝參數進行再驗證。同時在正常生產過程中，也必須定期驗證原有淬火工藝參數，以確保生產工藝的長期有效性和可控性。保證絲桿淬火后回火充分。通過大量試驗我們發現，大型絲桿感應淬火后，采用“160 ～180 ℃/ 8h/ 空冷” 的二次回火工藝，可以有效釋放、消除絲桿淬火過程產生的內應力，大大減少磨削后開裂的比率。

　　3. 磨削過程的控制

　　采用“減小每次進刀磨削量，多次進刀” 及“磨削- 穩定絲桿表面溫度- 磨削” 的方法，有效地降低了絲桿表面的磨削熱量和磨削應力，杜絕絲桿磨削時產生的“二次淬火” 或“二次回火” 現象，從而避免“磨削裂紋” 的產生。

　　三、有效性確認

　　2006 年3 ～10 月，我們采取上述措施對586 件大型絲桿( 其中，80mm 的504 件;100mm 的53 件;120mm的29 件) 進行過程控制、檢查，未出現一例磨削開裂的現象。的強度和韌性，絲桿磨削時在內應力超過鋼材的屈服強度部位產生磨削裂紋。