滚珠丝杠的热处理工艺概述

1、滚珠丝杠的热处理工艺概述姚可夫，鲁思渊(清华大学机械工程系，北京， 100084) 摘要： 随着机械制造业的发展， 滚珠丝杠由于其所具有的小摩擦阻力和高的传动效率， 逐渐 取代了滑动丝杠， 并被广泛应用于各种机械仪器的制造。 对于丝杠性能的获得， 热处理工艺 起到了关键作用。本文概要介绍了滚珠丝杠的材料选择及热处理工艺，认为 GCr15 等轴承 钢可作为滚珠丝杠的材料； 滚珠丝杠一般须经球化退火等预先热处理， 才能进行淬硬及低温 回火。滚珠丝杠的淬硬工艺是整个丝杠热处理的关键步骤， 一般有渗碳淬硬、 中频感应淬硬、 浸液淬硬和激光表面淬硬等方法。其中感应淬硬等表面淬硬工艺已广泛应用于丝杠的生产

2、， 而激光淬硬技术则由于其具有的耗时少，生产效率高等特点，有着很好的发展前景。 关键词：滚珠丝杠；热处理工艺；表面淬硬；Summaries of heat treatment procedure of steel ball screwYao Ke-fu ， Lu Si-yuan( Department of Mechanical Engineering ， Tsinghua University ， Beijing 100084 ， China ) Abstract: As the development of manufacturing industry, steel ball screw,

3、 which have the characteristic of little frictional resistance and high transmission efficiency, have gradually replaced the sliding lead screw. The properties of ball screw are mainly determined by the heat treatment procedure. This paper has summarized the steel type and heat treatment technical o

4、f steel ball screw, it shows that the proper steel type of ball screw is GCr15 steel, and some alloy tool steel such as 9Mn2V also can be chosen in manufacturing of ball screw. The pre-heat treatment is necessary before quenching, and as the crucial step, quenching technical mainly determined the me

5、chanical properties and hardness of screw. Typical quenching technical contain carburizing quenching, medium frequency induction hardening, soaking liquid hardening, and laser transition hardening.Keywords: ball screw ； heat-treatment technical； quenching technical ； 丝杠是由不同齿形的牙齿呈螺旋线围绕细长圆柱形轴心而构成的细长零件

6、， 它通过螺纹 齿所形成的螺旋线传递等分精度与力距，从而实现回转运动与直线运动的相互转化。丝 杠按工作时的滑动特性，可分为滑动丝杠与滚珠丝杠两大类。近年来，随着机械制造 业的发展，滚珠丝杠由于其具有很小的摩擦阻力和极高的传动效率，逐渐取代滑动丝 杠，被广泛应用于各种车床、铣床、镗床等工业设备和精密仪器的制造。轴承寿命是丝杠材料的最主要性能指标。 丝杠轴承的疲劳寿命是一个统计概念， 即在一 定的载荷条件下，用破坏概率与循环次数之间的关系来表示1,2 。除疲劳寿命之外，丝杠还 必须满足高速、重载、精密、长寿的工艺要求。因而要求丝杠具有高强韧性、表面高硬度耐 腐蚀，淬透性好、 尺寸精度高、 尺寸稳定

7、性好等技术指标。表 1 给出了丝杠钢的性能指标要求。丝杠的性能获得，与丝杠的选材及热处理工艺密不可分，本文就丝杠材料的选择和热处理工艺做一简要概述。表1丝杠钢的性能指标要求Table 1 The properties of ball screw steel丝杠性能要求丝杠应具有的特性对丝杠材料要求耐咼何重抗形变强度高硬度咼可进行高速回转摩擦和磨损小耐磨强度高具有互换性尺寸稳定性好纯净度、均匀度好可长期使用具有耐久性疲劳强度好1.滚珠丝杠的材料选择及性能要求对于提高丝杠材料的疲劳寿命，近20年来，国内外开展了大量研究工作。最新的研究结果表明13，钢中的夹杂物和碳化物缺陷作为钢种已存在的裂纹，在外

8、加应力诱变下，极 易向内扩散，并造成材料疲劳寿命的显著降低。因此，在选择丝杠材料时，应严格控制和消除钢中夹杂及缺陷，提高钢的材纯净度和组织均匀性。由文献3可知，为保证轴承钢质量，国家业已颁（换）发了多项轴承钢生产许可证， 对国内各大轴承钢生产厂家的产品质量做出了更高要求，同时也使各生产厂家相继采用了大容量电弧炉和真空精炼设备进行轴承钢的生产，保证了丝杠钢的质量。滚珠丝杠的性能要求有：高硬度，为保持精度，一般要求硬度达HRC5862 ;螺母内螺纹滚道则要求硬度为 HRC6064。高强度，滚珠丝杠副要求有高的承载能力，并能带动 重的负荷做精确运动，一般都要求其抗拉强度d b 700MPa。良好的韧

9、性，要选用高韧性的钢材，表面又要达到一定的硬度和耐磨性。良好的精度稳定性。良好的热处理性能。 滚珠丝杠在工作过程中，要受到钢球点应力的疲劳作用，因此需要容易淬硬， 且能得到一定深度的淬硬层，同时淬火时不易变形，开裂。根据上述工件的服役条件及性能要求，常用的滚珠丝杠材料有低碳渗碳淬硬钢（如20CrMo , 20CrMnTi 等），轴承钢（如 GCr15 等），中碳合金钢（如 37MnSi , 42Cr, 42CrMo 等）。由文献4 , 5可知，GC r15钢具有优良的综合性能，被广泛应用于滚珠丝杠的制造。另外，一些合金工具钢，如9Mn2V等，由于其淬硬性和淬透性较好，且回火稳定性较高，也逐渐应

10、用于滚珠丝杠的制造 6。2滚珠丝杠的预先热处理由于滚珠丝杠大多采用表面淬硬的方式提高其高耐磨性，疲劳寿命和机械强度。而无论是低碳钢的铁素体带状偏析，或是轴承钢及中碳合金钢的网状渗碳体分布，均会导致材料的韧性显著下降和降低零件淬硬后性能1,3。因此，在丝杠材料淬硬前的预先热处理是必不可少的。2.1正火处理正火作为一种改善钢材组织，并提高其综合机械性能的手段，往往作为低，中碳钢在淬火前的预先热处理工艺。对低碳渗碳淬硬丝杠毛坯的正火工艺为：加热至AC3+3O5O C,保温24h,快冷正火。在高温下正火，可使珠光体与铁素体在高温下全部转化为奥氏体，并在空冷过程中形成片状珠光体如 18Cr2Ni4W ,

11、 15CrNi3Mo进行高温回火，可在正火后于对于轴承钢和中碳合金钢,+铁素体（P+F）,消除带状偏析。对合金含量较多的渗碳钢, （En39B） , 20CrNi2Mo （4320 ）等，其加工性能差，正火后需620680C高温回火，改善组织及加工性能1由于Cr、Si等合金元素均会缩小 丫相区，使共析点S左移,因此易形成较多网状碳化物，其正火工艺的具体操作为：Acm+3050 C （常用920940 C）保温24h,快速空冷，使合金渗碳体弥散分布，并得到均匀的珠光体基体，对改善丝杠耐 磨性、韧性、组织均匀性乃至于加工精度都有较好效果。2.2球化退火对于含碳量较高的轴承钢（GCr15 ）和中碳合

12、金钢，由于碳含量及合金元素含量较高，属于过共析钢种，在正火后渗碳体网状分布往往不易轻易消除，因此需要进一步的球化退火以改善组织，消除网状 FesCn，并获得23级的球状珠光体。球化退火包括等温球化，低温 球化和调质球化等三种形式；等温球化退火工艺具体操作为：800820 C下保温24h,炉冷至700720C下，保温48h,再随炉缓冷至500C以下进行空冷；低温球化的具体操作为： 710740C下保温48h,后随炉缓冷至500C以下空冷；调质球化的具体操作为：Ac3+3050 C 保温后油淬，560600 C高温回火。经调质球化处理后， 一般钢中的组织细致均匀，具良好强韧性。据文献7，由于9Mn

13、2V钢的回火稳定性较高，可不需正火，直接进行调质球化处理即可使渗碳体细粒状分布于铁素体基体，可降低约一半的预处理时间。另外，工件经正火与球化处理及后续的机加工过程中都会产生或多或少的变形，导致表面硬化现象较为严重。一般应进行除应力退火处理，即在600650 C下保温46h+炉内缓冷至250C以下出炉，以消除残余应力，减小淬火变形。滚珠丝杠预先热处理工艺如图1。图1滚珠丝杠预先热处理工艺Fig.1 The pre-heat treatme nt procedure of ball screw滚珠丝杠的淬硬与回火处理3.1滚珠丝杠的淬硬方法对于丝杠材料，往往硬度越高其耐磨性越大， 使用寿命也就越高

14、。 而淬硬作为大幅度提 高钢材强度和硬度的热处理工艺， 是丝杠材料热处理工艺中最为重要的环节。 随着近年来热 处理工艺的进步，却来越多的淬硬技术被应用于轴承钢的生产，并得到了一定的效果。渗碳淬硬 对低碳合金钢的渗碳包括固体、液体、气体渗碳，碳氮共渗，离子渗碳，脉冲真空渗碳等，目的是使钢件的表面获得高碳层，达到表面耐磨，心部强韧的效果，且不易产生脆性断裂。渗碳后最好是稍加冷却，预冷到820840 C后油淬。由于渗碳后表面为细粒组织，合金碳化物尚未由奥氏体中析出，因此由930C空冷至830C可减轻合金渗碳体的网状析出；830C后油淬，碳含量较高的表层可保留于马氏体和残余奥氏体中，无网状合金 碳化物

15、。渗碳淬硬丝杠的常用热处理工艺如图2所示。图2渗碳淬硬滚珠丝杠常用热处理工艺Fig.2 The ordinary heat-treatme nt procedure of carburiz ing que nched screw中频表面淬硬丝杠在进行预先的正火和退火处理后，可在中频感应线圈中加热， 表面淬硬后低温回火。此工艺一般可将工件硬度提高至HRC50以上，且表面淬硬，心部具良好韧性和强度，淬火变形不大，适于各类丝杠的制造，但工艺较繁琐。丝杠材料的中频淬硬方法如图2。(a)(b)(c)图2滚珠丝杠高(中)频感应加热不同方法(a)光杆连续加热淬硬；(b)螺杆滚到加工连续加热，单圈45喷水(c

16、) 90喷水圈喷水淬硬Fig.2 Different method of medium freque ncy in duct ion harde ning（a） Continuously heating on untreated rod; （b） Continuously heating on processed screw, 45 C water injecti on; （c） 90 C water inject ion harde ning图2 （a）所示的光杆连续加热淬硬方法，还需在淬硬后进行磨削到螺纹深度，较为耗 费工时，不够经济；为提高工作效率，滚珠丝杠螺纹可在精车或粗磨螺纹后进行如

17、图1（ b），（c）所示的中频表面加热，喷水或碳酸钠水溶液淬硬处理。图1（b）所示的中频淬硬处理，其喷水方向为向后 45 ,造成滚道两侧硬度不均匀，因此可采用90喷水孔进行连续加热淬硬，使滚道硬度均匀，不产生软点。一般中碳钢和中碳合金钢 （如35, 45钢）经中频感应加热后淬火， 硬度可达4856HRC 左右8,9;而对于GCr15钢，经此工艺处理后，表层组织为马氏体 +残余奥氏体+碳化物，淬 硬层可达20mm左右，而硬度可达 750HV，非常适合作为大规格丝杠的制造 10。（3）沿滚道加热浸液淬硬对于滚道深（812mm），螺距大的大型滚珠丝杠，沿外圆加热淬硬方法已不适用，因此可采用沿滚道高频

18、感应加热，浸液淬硬的方法。其工艺原理如图3所示，感应线圈弯成两个半圆弧，顶端上翘项链，两个尾部插入高频或中频变压器次极，通水冷却。当开有滚道的丝杠装入浸液槽后，丝杠旋转一圈，螺纹沿卡子前进一牙。这样， 沿滚道圆弧的小直径通关也加热淬硬一个滚道。感应圈为两个半圆弧，前一个起预热作用， 后一个再加热。当被加热的滚道旋转推进时，加热到奥氏体状态的滚道离开感应加热线圈后，加热停止，槽中水溶液立即进入已加热过的滚道，形成淬硬。如此循环渐进，使丝杠滚道全部淬硬。图3高频滚道感应加热，浸液淬硬方法Fig.3 The soak ing liquid harde ning（4）激光滚道加热淬硬利用高能激光束加热

19、淬硬工件的方法已在国内外广泛应用，有导轨淬硬，花键淬硬及齿轮齿面淬硬等不同方法。激光淬硬方法，是以功率密度小于 104W/cm2的激光束辐照经过预处理的工件，从而使工件表面以105106的加热速度迅速上升至相变点以上，但输入的能量不会使表面熔化，一旦激光停止照射，通过基体自身热传导， 以约105C /s的冷却速度实现自激淬火，形成表面相变硬化层。根据文献1112 , 50CrMo材料经激光淬硬后硬度可达HRC62以上，GCr15的硬化层可达 HRC7677 , 40CrMo电梯绳轮钢淬硬层的硬度可达 760HV。3.2 滚珠丝杠的低温回火滚珠丝杠一般采用低温回火工艺，常用回火规范为200 10

20、C保持24h,低温回火后要求硬度在HRC5862之间；若精度要求较高，则一般淬硬后进行60C,保持2h以上的冷处理后，才升至室温，进行回火。对于渗碳淬硬丝杠，经200220 C回火，残余奥氏体与马氏体转变，合金渗碳体呈颗粒状析出，具有良好耐磨性及韧性。小结滚珠丝杠由于其寿命长，效率高等优点，已逐步取代滑动丝杠而被应用于各种机 床及机械设备的制造。 为提高丝杠材料的疲劳寿命， 应严格控制和消除钢中夹杂及缺陷， 提 高钢的材纯净度和组织均匀性。 GCr15 钢因具有优良的综合性能， 已被广泛应用于滚珠丝杠 的制造； 一些合金工具钢， 如 9Mn2V 等，由于其淬硬性和淬透性较好， 且回火稳定性较高

21、， 也逐渐应用于滚珠丝杠的制造。丝杠材料在淬硬前的预先热处理是必要的工序，对低碳渗碳淬硬丝杠，高温正火可使珠光体与铁素体在高温下全部转化为奥氏体，并在空冷过程中形成片状珠光体+铁素体(P+F),消除带状偏析；对于中碳合金钢及高碳铬轴承钢，需经过球化退火以改善组织，消除网状Fm6，并获得23级的球状珠光体。而对一些回火稳定性高的钢种(如 9Mn2V 等)，可不需正火，直接进行调质球化处理，从而减少处理时间，提高工作效率。同时，工 件经正火与球化处理及后续的机加工过程后， 需进行除应力退火处理以消除残余应力， 减小 淬火变形。( 3)低碳钢渗碳淬硬可使钢件的表面获得高碳层，达到表面耐磨，心部强韧的效果， 且不易产生脆性断裂；中频表面淬硬工艺可将工件硬度提高至HRC50 以上，且表面淬硬，丝杠心部具良好韧性和强度，淬火变形不大； 对于滚道深，螺距大的大型滚珠丝杠，适于采 用沿滚道高频感应加热， 浸液淬硬的方法； 激光滚道淬硬工艺可对工件表面快速加热并实现 自激淬火， 大幅度提高工件表面硬度，减少工作时间。淬硬后，丝杠材料一般进行低温回火 工艺以提高材料的韧性和耐磨性。参考文