GCr15钢滚珠丝杠倾斜感应器淬火的质量分析
发布时间：2014-12-03闫野1 盖玉洪1 李保民2 董庆信2 李木森1
（1.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，山东济南 250061；2.山东博特精工股份有限公司，山东济宁 272071）
（1.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，山东济南 250061；2.山东博特精工股份有限公司，山东济宁 272071）
摘 要：本文采用倾斜30°感应器的表面感应加热淬火工艺处理了Ф40mmGCr15钢滚珠丝杠。金相观察和显微硬度测量结果表明，滚珠丝杠齿底部位的硬化层硬度及硬化层深度可以满足Ф40mm规格滚珠丝杠的技术要求。因此，Ф40mm规格以下的GCr15钢滚珠丝杠可以采用倾斜感应器的表面感应加热淬火新工艺。
关键词：滚珠丝杠；GCr15钢；感应淬火；显微组织；硬度梯度
GCr15是一种传统的高铬轴承钢，具有高淬透性和接触疲劳强度、良好的尺寸稳定性和抗蚀性，是国产滚珠丝杠常用材料之一。GCr15钢滚珠丝杠一般采用球化退火或调质处理作为预先热处理，然后进行表面感应加热淬火，以保证其表面具有高硬度和高耐磨性，而心部具有足够的强韧度和良好的尺寸稳定性。但是，实际生产中经常发现GCr15钢滚珠丝杠采用表面感应加热淬火工艺普遍存在淬硬层浅、硬度分布不合理、变形大等问题。由于表面感应淬火是作为滚动丝杠的Z终热处理工序，因此丝杠表面感应加热效果很大程度上取决于感应器的尺寸、形状等参数的精确设计。本文针对上述问题，改进了表面感应加热淬火工艺，采用倾斜30°感应器，对40mmGCr15钢滚珠丝杠进行了表面感应加热淬火处理，并进行了金相组织观察和硬化层的硬度梯度测量。Z终，根据实验结果对40mmGCr15钢滚珠丝杠采用倾斜感应器进行表面感应加热淬火工艺的可行性作出分析。
1、试验材料和方法
1.1、试样材料
40mmGCr15钢滚珠丝杠的具体加工工艺流程是：预先热处理（调质处理）→出丝→倾斜30°感应器表面感应加热淬火。其表面感应加热淬火工艺参数如表1所示。
关键词：滚珠丝杠；GCr15钢；感应淬火；显微组织；硬度梯度
GCr15是一种传统的高铬轴承钢，具有高淬透性和接触疲劳强度、良好的尺寸稳定性和抗蚀性，是国产滚珠丝杠常用材料之一。GCr15钢滚珠丝杠一般采用球化退火或调质处理作为预先热处理，然后进行表面感应加热淬火，以保证其表面具有高硬度和高耐磨性，而心部具有足够的强韧度和良好的尺寸稳定性。但是，实际生产中经常发现GCr15钢滚珠丝杠采用表面感应加热淬火工艺普遍存在淬硬层浅、硬度分布不合理、变形大等问题。由于表面感应淬火是作为滚动丝杠的Z终热处理工序，因此丝杠表面感应加热效果很大程度上取决于感应器的尺寸、形状等参数的精确设计。本文针对上述问题，改进了表面感应加热淬火工艺，采用倾斜30°感应器，对40mmGCr15钢滚珠丝杠进行了表面感应加热淬火处理，并进行了金相组织观察和硬化层的硬度梯度测量。Z终，根据实验结果对40mmGCr15钢滚珠丝杠采用倾斜感应器进行表面感应加热淬火工艺的可行性作出分析。
1、试验材料和方法
1.1、试样材料
40mmGCr15钢滚珠丝杠的具体加工工艺流程是：预先热处理（调质处理）→出丝→倾斜30°感应器表面感应加热淬火。其表面感应加热淬火工艺参数如表1所示。
表1表面感应淬火工艺参数
1.2、试验内容和方法
从经倾斜30°感应器进行表面感应加热淬火后的40mmGCr15钢滚珠丝杠上，用DK7730电火花数控线切割机床切取10mm×10mm×10mm试样，切取的金相试样截面图如图1所示。将试样镶成金相样品，经打磨、金相砂纸磨制并抛光，用3%硝酸酒精腐蚀后，采用NIKON EPIPHOT显微镜观察样品的显微组织。然后，分别对样品的齿顶、齿腰及齿底（参见图1）从表层到心部使用HV-1000型维氏显微硬度计（载荷砝码0.3kg）进行硬化层的显微硬度测量，并绘制出硬度梯度分布曲线。
图1滚珠丝杠金相试样截面
2、试验结果与分析
2.1、金相组织
GCr15钢滚珠丝杠经倾斜30°感应器表面感应加热淬火处理后的表面硬化层金相显微组织如图2所示，为隐晶马氏体+细小粒状碳化物，有轻度带状组织。过渡区显微组织如图3所示，为隐晶马氏体+细小粒碳化物+回火索氏体，带状组织不明显。心部显微组织如图4所示，为回火索氏体，未见明显带状组织。为了保证滚珠丝杠能很好地达到设计使用寿命，根据JB/T9204-2008钢件感应淬火金相检验标准，在对滚珠丝杠淬火硬化层组织的要求中，当硬化层硬度下限高于或等于55HRC时，其表面硬化层金相组织在3～7级为合格，不允许出现粗针状马氏体，网络状极细珠光体以及大块未溶铁素体。
2.1、金相组织
GCr15钢滚珠丝杠经倾斜30°感应器表面感应加热淬火处理后的表面硬化层金相显微组织如图2所示，为隐晶马氏体+细小粒状碳化物，有轻度带状组织。过渡区显微组织如图3所示，为隐晶马氏体+细小粒碳化物+回火索氏体，带状组织不明显。心部显微组织如图4所示，为回火索氏体，未见明显带状组织。为了保证滚珠丝杠能很好地达到设计使用寿命，根据JB/T9204-2008钢件感应淬火金相检验标准，在对滚珠丝杠淬火硬化层组织的要求中，当硬化层硬度下限高于或等于55HRC时，其表面硬化层金相组织在3～7级为合格，不允许出现粗针状马氏体，网络状极细珠光体以及大块未溶铁素体。
图2表面硬化层的显微组织
图3过渡区的显微组织 图4心部的显微组织
经比对分析，GCr15钢丝杠经斜匝30°感应器表面感应加热淬火处理后的表面硬化层的金相组织级别为6级，为表面感应加热淬火后的合格组织。
2.2、有效硬化层深度检测
采用倾斜30°感应器进行表面感应淬火处理的40mmGCr15钢滚珠丝杠的齿顶、齿腰及齿底部位由表层至心部的显微硬度梯度分布曲线如图5所示。丝杠的齿顶、齿腰和齿底部位的表层硬度有比较明显的差别，齿顶处的表层硬度为850～930HV，有效硬化层深度约为3.75mm；齿腰处的表层硬度为800～900HV，有效硬化层深度约为2.75mm；齿底处的表层硬度为750～800HV，有效硬化层深度约为2.25mm。
2.2、有效硬化层深度检测
采用倾斜30°感应器进行表面感应淬火处理的40mmGCr15钢滚珠丝杠的齿顶、齿腰及齿底部位由表层至心部的显微硬度梯度分布曲线如图5所示。丝杠的齿顶、齿腰和齿底部位的表层硬度有比较明显的差别，齿顶处的表层硬度为850～930HV，有效硬化层深度约为3.75mm；齿腰处的表层硬度为800～900HV，有效硬化层深度约为2.75mm；齿底处的表层硬度为750～800HV，有效硬化层深度约为2.25mm。
图5表面硬化层硬度分布曲线
滚珠丝杠的传动功能是通过钢球在滚道内滚动时带动螺母运动的，一般企业所采用的钢球硬度为60HRC（700HV）。基于丝杠耐磨性和长期反复运动的需要，丝杠理想的硬度分布曲线要保证齿底硬化层的表层硬度在58～63HRC（650～770HV），深度为1～1.5mm。硬度太低则滚道不耐磨，硬度过高则会导致淬硬层的脆性增大，在滚道表面易产生磨削裂纹，甚至造成丝杠断裂。采用倾斜30°感应器进行表面感应加热淬火处理的GCr15钢滚珠丝杠齿底部的硬化层硬度为650～800HV，有效硬化层深度约为2.25mm，经磨削加工后，可以满足其技术要求。
3、结论
40mmGCr15钢滚珠丝杠采用倾斜30°感应器进行表面感应加热淬火工艺处理后，其工作部位（齿底）硬化层硬度及有效硬化层深度可以满足设计要求，保证GCr15钢滚珠丝杠具有良好的综合力学性能。因此，40mm及以下规格的GCr15钢滚珠丝杠可以采用倾斜感应器的表面感应加热淬火新工艺处理，并在此基础上进一步优化此新工艺。
3、结论
40mmGCr15钢滚珠丝杠采用倾斜30°感应器进行表面感应加热淬火工艺处理后，其工作部位（齿底）硬化层硬度及有效硬化层深度可以满足设计要求，保证GCr15钢滚珠丝杠具有良好的综合力学性能。因此，40mm及以下规格的GCr15钢滚珠丝杠可以采用倾斜感应器的表面感应加热淬火新工艺处理，并在此基础上进一步优化此新工艺。
来源：《热处理技术与装备》2014年第1期