精密滾珠絲杠副具有傳動效率高、定位精度高、傳動可逆、使用壽命長和同步性能好等優點［1］，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。目前，我國高檔數控機床對滾珠絲杠類滾動功能部件的年需求量約為15 億元，但80% 以上需要從國外進口，我國精密滾珠絲杠副的發展水平和國外相比差距較大。除了加工精度、原材料質量等因素外，熱處理工藝的不合理是制約其發展的主要因素。在實際生產中發現，經表面感應淬火的滾珠絲杠在磨削后，經常在絲杠表面上出現軸向或網狀裂紋。據統計分析結果顯示，由淬火溫度偏高或回火不足造成磨削裂紋的絲杠約占總數的20% ～ 30%。因此，開展滾珠絲杠表面硬化層失效分析研究對于提高我國滾珠絲杠制造水平和高檔數控機床的整體制造水平有重要的現實意義。本文對國產Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠的表面硬化層出現的淬火裂紋進行了失效分析，進而探討了提高國產滾珠絲杠產品質量的有效途徑。
1 試驗材料和方法
1． 1 試樣材料
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紋樣品，滾珠絲杠直徑為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 ( 調質處理) → 車絲→ 感應淬火→磨削。經表面感應淬火后出現明顯的淬火裂紋。
1． 2 試驗內容和方法
實驗采用常規的表面硬化層失效分析方法。對Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表面硬化層裂紋進行整體宏觀形貌觀察，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 電火花數控線切割機床切得的裂紋試樣經鑲嵌、打磨，然后用金相砂紙磨制并拋光，3% 硝酸酒精腐蝕后，用NIKON EPIPHOT 金相顯微鏡觀察樣品的顯微組織。最后，分別對試樣裂紋存在的凸臺部位及凹槽部位從表面到心部使用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量，并繪制出硬度分布曲線。
2 試驗結果與分析
2． 1 宏觀形貌觀察結果
經宏觀觀察可見，裂紋擴展方向垂直于滾珠絲杠的軸線方向，由感應加熱淬火層內向外表面延伸，在絲杠凸臺表面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
采用掃描電鏡和能譜儀對Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表面硬化層裂紋的微觀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，孔洞內散布著很多球形凝固產物。經能譜檢測結果表明，這些球形物是Cr-Mo 鋼凝固時因冷卻速度快，而未能及時收縮而形成的金屬或非金屬夾雜，應為典型的冶金疏松缺陷［2］，參見圖2 和表1。此外，在孔洞內觀察到的斷口呈現典型的沿晶斷口，為脆性斷裂特征，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松缺陷直接相關，這是感應淬火裂紋形成的主要原因之一。
2． 3 金相組織觀察
金相觀察結果表明，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠的組織比較細密，心部基體組織是回火索氏體，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面硬化層組織是隱晶馬氏體，參見圖5。
帶狀組織成因是鋼在熱軋時沿軋制方向形成的［3］。帶狀組織因相鄰帶的顯微組織不同而破壞鋼的組織連續性，在外力作用下強、弱帶之間會產生應力集中，因而造成力學性能降低，并使鋼的力學性能產生明顯的各向異性［4］。因此，應根據帶狀組織缺陷的成因嚴格控制原材料的質量，從而盡量減輕其偏析程度［5］。
2． 4 顯微硬度檢測
實際檢測的精密滾珠絲杠凸臺部位及凹槽部位的顯微硬度分布曲線參見圖6。凸臺部位表面硬化層深度約為5 mm，硬化層隱晶馬氏體的硬度值分布為650 ～800 HV0． 2。凹槽部位硬化層很淺，基體是回火索氏體，其硬度值為280 ～ 320 HV0． 2。滾珠絲杠工作時常承受彎曲、扭轉、疲勞和沖擊載荷，同時在轉動部位又承受較強的摩擦力。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，還必須保證表面高硬度和高耐磨性。因此，滾珠絲杠理想的硬度分布曲線應保證滾道底部硬化層硬度值為700 HV0． 2，深度為1 ～ 1． 5 mm，過渡區下降要平緩，心部組織硬度值穩定在300 HV0． 2。顯微硬度檢測結果表明，為使工作部位的凹槽底部達到理想硬化層深度，
需提高感應加熱淬火時表層溫度和冷卻速度。但實際感應淬火后滾道底部仍沒有達到理想的淬硬層厚度，而非工作部位凸臺處的硬度值則偏高。
Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠采用的表面感應淬火溫度偏高、冷卻速度過快，使得馬氏體轉變速度過快，因而產生很大的內應力和局部的應力集中。Cr-Mo 鋼屬于高強度合金工具鋼，鋼中Cr、Mo 等合金元素較為豐富，因此其熱導率下降，感應加熱淬火時導致熱應力和組織應力再次增大。掃描電鏡及金相組織觀察結果顯示，絲杠中存在嚴重的冶金疏松缺陷、帶狀偏析，使鋼材強度減弱，當淬火應力過大時，將易于誘發感應淬火裂紋形成［6］。
3 結論
根據上述檢測和觀察結果，Cr-Mo 鋼精密滾珠絲杠表面硬化層失效的原因主要可以歸納為以下3 點: 1) 鋼中存在明顯的冶金缺陷，即裂紋擴展區局部出現的孔洞，這是冶煉鋼時由于局部縮孔形成疏松區而造成的。這種缺陷應是鋼中嚴格控制避免出現的。
2) 鋼中存在較明顯的熱軋缺陷，即帶狀偏析組織，初步確定這是鋼的棒料在熱軋時由于溫度偏高和軋制速度過快所致。這種缺陷應盡量減輕，否則也是易于造成組織不均勻產生局部應力集中，從而誘發裂紋形成。
3) 感應加熱淬火時表層溫度過高和冷卻速度過快，也是易于造成內應力過大和局部應力集中，從而誘發裂紋形成的原因之一。
4 改進措施及效果
1) 嚴格控制鋼中帶狀組織的級別( ＜ 2 級) : 采用一般退火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，為后續熱處理提供良好的組織準備。
2) 改進表面感應加熱淬火工藝: 考慮Cr-Mo 鋼成分的特點，控制表面感應淬火溫度、降低冷卻速度，進而減小內應力和局部應力的集中，避免誘發感應淬火裂紋形成。
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