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80 mm。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 金相显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． 2 kg) 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。

      因此，Cr-Mo 钢精密滚珠丝杠感应加热淬火层出现裂纹与钢存在典型的冶金疏松缺陷直接相关，这是感应淬火裂纹形成的主要原因之一。

      2． 3 金相组织观察

      金相观察结果表明，Cr-Mo 钢精密滚珠丝杠的组织比较细密，心部基体组织是回火索氏体，参见图4，但是，存在较明显的热轧缺陷，即带状偏析组织，参见图4( a) 。滚珠丝杠裂纹存在的表面硬化层组织是隐晶马氏体，参见图5。

      带状组织成因是钢在热轧时沿轧制方向形成的［3］。带状组织因相邻带的显微组织不同而破坏钢的组织连续性，在外力作用下强、弱带之间会产生应力集中，因而造成力学性能降低，并使钢的力学性能产生明显的各向异性［4］。因此，应根据带状组织缺陷的成因严格控制原材料的质量，从而尽量减轻其偏析程度［5］。

      2． 4 显微硬度检测

     实际检测的精密滚珠丝杠凸台部位及凹槽部位的显微硬度分布曲线参见图6。凸台部位表面硬化层深度约为5 mm，硬化层隐晶马氏体的硬度值分布为650 ～800 HV0． 2。凹槽部位硬化层很浅，基体是回火索氏体，其硬度值为280 ～ 320 HV0． 2。滚珠丝杠工作时常承受弯曲、扭转、疲劳和冲击载荷，同时在转动部位又承受较强的摩擦力。其性能要求除了保证心部高强韧度以及高的尺寸稳定性外，还必须保证表面高硬度和高耐磨性。因此，滚珠丝杠理想的硬度分布曲线应保证滚道底部硬化层硬度值为700 HV0． 2，深度为1 ～ 1． 5 mm，过渡区下降要平缓，心部组织硬度值稳定在300 HV0． 2。显微硬度检测结果表明，为使工作部位的凹槽底部达到理想硬化层深度，

      需提高感应加热淬火时表层温度和冷却速度。但实际感应淬火后滚道底部仍没有达到理想的淬硬层厚度，而非工作部位凸台处的硬度值则偏高。

      Cr-Mo 钢精密滚珠丝杠采用的表面感应淬火温度偏高、冷却速度过快，使得马氏体转变速度过快，因而产生很大的内应力和局部的应力集中。Cr-Mo 钢属于高强度合金工具钢，钢中Cr、Mo 等合金元素较为丰富，因此其热导率下降，感应加热淬火时导致热应力和组织应力再次增大。扫描电镜及金相组织观察结果显示，丝杠中存在严重的冶金疏松缺陷、带状偏析，使钢材强度减弱，当淬火应力过大时，将易于诱发感应淬火裂纹形成［6］。

3 结论

      根据上述检测和观察结果，Cr-Mo 钢精密滚珠丝杠表面硬化层失效的原因主要可以归纳为以下3 点: 1) 钢中存在明显的冶金缺陷，即裂纹扩展区局部出现的孔洞，这是冶炼钢时由于局部缩孔形成疏松区而造成的。这种缺陷应是钢中严格控制避免出现的。

      2) 钢中存在较明显的热轧缺陷，即带状偏析组织，初步确定这是钢的棒料在热轧时由于温度偏高和轧制速度过快所致。这种缺陷应尽量减轻，否则也是易于造成组织不均匀产生局部应力集中，从而诱发裂纹形成。

      3) 感应加热淬火时表层温度过高和冷却速度过快，也是易于造成内应力过大和局部应力集中，从而诱发裂纹形成的原因之一。

4 改进措施及效果

      1) 严格控制钢中带状组织的级别( ＜ 2 级) : 采用一般退火热处理工艺可减轻组织中的带状偏析，但是难以根本改善带状偏析缺陷; 需要经高温重结晶退火加以改善，为后续热处理提供良好的组织准备。

      2) 改进表面感应加热淬火工艺: 考虑Cr-Mo 钢成分的特点，控制表面感应淬火温度、降低冷却速度，进而减小内应力和局部应力的集中，避免诱发感应淬火裂纹形成。