高性能GCr15钢滚珠丝杠的热加工工艺_樊伟_王科社_查初亮

Hot working process of highperformance GCr15 steel ball screw
Fan Wei1 ，Wang Keshe1 ，Zha Chuliang2 （ 1． School of Electromechanical Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192 ，China； 2． Beijing Machine Tool Ｒesearch Institute，Beijing 100102 ，China） Abstract ： Hot working process of GCr15 steel ball screw is introduced，including preheating treatment，hightemperature aging，surface heat treatment ，cryogenic treatment，stabilization treatment and so on． Good comprehensive properties of ball screw can be obtained by reasonably controlling process parameters of all the stages． Key words： GCr15 steel ball screw； conditioning treatment； hightemperature aging； surface heat treatment； cryogenic treatment； stabilizing treatment
摘要： 对 GCr15 钢滚珠丝杆的热加工工艺做了介绍 ， 其工艺包含预备热处理 、 高温时效、 表面热处理、 深冷处理及稳定化热处理等阶 段， 合理控制各阶段工艺参数 ， 可获得综合性能良好的滚珠丝杠 。 关键词： GCr15 钢滚珠丝杆； 预备热处理； 高温时效； 表面热处理； 深冷处理； 稳定化热处理 中图分类号： TG162． 75 文献标志码： A 文章编号： 0254-6051 （ 2014 ） 12-0055-04
滚珠丝杠副是重要的传动部件和定位部件， 其传 动具有可逆性和同步性， 可以实现回转运动和直线运 动的相互转换， 传动效率高， 能达到 98% 以上， 除此之 外还具有较高的传动精度、 定位精度及磨损小、 使用寿
［15 ］ 。 所以滚珠丝杠被广泛运用于机床 、 命长等优点 医疗设备、 航空航天、 电子设备等领域。但丝杠在工作
Fig． 1
图 1 滚珠丝杠的加工工艺流程图 Machining process flow diagram of ball screw
用高温回火处理， 冷却方式为空冷。 此处不适用水冷 或油冷， 这样可以避免快冷时产生新的热应力 。 高温回火： 将炉温升至 700 ～ 720 ℃ ， 到温后将工 件装入炉内， 保温 1． 5 ～ 2． 5 h， 保温时间充分后出炉空 冷至室温。 调质时， 为减小变形， 工件须垂直吊挂装炉； 为防 ， 、 ； 脱落 捆扎 焊接应当牢固 为提高工件的淬火均匀性， 工件之间吊挂要合理。 工件经调质后不仅强度提高， 而且塑性和冲击韧性也显著提高。 检查随炉试件， 其组织主要为回火索氏体， 硬度达 到 23 ～ 35 HＲC 。注意随炉试件的材料应与零件所使 用的材料属同一批材料。 2． 1． 2 球化退火 球化退火使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状 化， 从而获得均匀细粒状珠光体。 球化退火后工件的 硬度降低， 切削性能改善， 为后续的淬火做组织准备。 球化退火前的组织应该是细片状珠光体或网状碳化物 不明显的片状珠光体。 如果网状碳化物不合格， 则需 进行正火处理
0． 95 ～ 1． 05 0． 15 ～ 0． 35 0． 25 ～ 0． 45 1． 40 ～ 1． 65 ≤0． 025 ≤0． 025
S的 在选择 GCr15 钢时， 应注意测验有害杂质 P、 S 能形成非金属夹 含量（ 均应小于 0． 025% ） 。因为 P、 杂物， 在接触应力作用下会产生应力集中 ， 而导致疲劳 破坏， 从 而 影 响 滚 珠 丝 杠 的 使 用 性 能。 查 文 献 得 GCr15 钢的临界点如表 2 所示。
Table 2
Ac1 760
表 2 GCr15 钢的临界点温度（ ℃ ） Critical point temperature of the GCr15 steel （ ℃ ）
Ar1 685 Ac m 900 Ar3 704 Ms 145 Mf － 90
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第 39 卷
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加工工艺及流程
滚珠丝杠的加工工艺比较复杂， 若以再结晶温度 为界限加以区分， 其工艺可分为冷加工工艺和热加工 工艺。根据北京机床研 究 所《滚 珠 丝 杠 工 艺 编 制 原 ， 则》 其加工工艺流程如图 1 所示。
。 球化退火设备选用的是箱式电阻
炉， 工艺曲线见图 3 。
图 2 GCr15 钢滚珠丝杠调质处理工艺曲线 Fig． 2 Quenching and tempering process curve of the GCr15 steel ball screw
淬火： 将工件垂直吊挂在专用吊具上， 然后待炉温 升温至 550 ℃ 左右时， 将工件吊装至井式电阻炉里， 加 热升温到 840 ～ 860 ℃ 。保温系数按 2 min / mm 计， 透
Fig． 3
图 3 球化退火工艺曲线 Spheroidizing annealing process curve of the GCr15 steel ball screw
第 12 期
樊
伟， 等： 高性能 GCr15 钢滚珠丝杠的热加工工艺
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工件应在小于或等于 350 ℃ 时装炉， 采用箱式炉内 操作。工件随炉升温， 加热温度选定 780 ～ 810 ℃ ， 保温 3 ～6 h； 满足保温时间后， 打开一定开度的炉门冷却， 冷至 690 ～ 720 ℃ ， 再等温 2 ～ 4 h， 保温充分后， 炉冷至小于 500 ℃ 可出炉空冷或气冷。此时组织中含有粒状珠光体， 它不易使奥氏体粗化， 为表面热处理做好组织准备。 2． 2 高温时效 由于粗车的影响， 工件会产生比较大的应力集中， 工件开始畸变， 内部组织也处于亚稳定状态。 通过高 温时效来除去工件的应力和畸变 。设备选用的是井式 热风炉或深井炉。 工件装炉前应预先校直， 校直时应尽量避免往返 压校， 按照工艺圆跳动技术要求， 可将工件校直至原弯 曲反向点 0． 10 ～ 0． 15 mm。 当炉内温度 ≤350 ℃ 时， 将经校直后的工件装炉。加热温度至 540 ～ 560 ℃ ， 保 温 4 ～ 6 h， 满足保温时间后， 工件随炉冷至 ≤350 ℃ 可 以出炉， 出炉后将工件吊入冷坑内冷至室温。 时效升 温速度一般控制在 80 ～ 100 ℃ / h， 在实际操作时， 也可 以随炉自行升温。工件经过高温处理后， 需要进行圆 跳动检验， 检验出不符合要求的工件， 应重新校直并重 新时效处理， 直至合格。 2． 3 表面热处理 工作时滚珠丝杠表面承受着扭转和弯曲等交变载 荷的作用， 表面应力远比心部高得多。 另外由于滚道 和滚珠之间的摩擦， 使表面不断磨损， 因此对其表面提 出硬化的要求， 要求表面须具有较高的硬度、 强度、 耐 磨性和接触疲劳强度。另外丝杠还受到冲击载荷的作 用， 其心部需保持较强的韧性。为达到这一目的， 需对 丝杠进行表面热处理。设备选用的是感应淬火机床。 淬火前首先要根据工艺要求确定丝杠的淬硬层深 度。一般根据实际应用钢球直径的大小确定 ， 如表 3 。
Table 3 表 3 GCr15 钢滚珠丝杠的淬硬层深度 Hardened layer depth of the GCr15 steel ball screw
第 39 卷 2014 年
第 12 期 12 月
Vol. 39 No. 12
HEAT TＲEATMENT OF METALS
December 2014
高性能 GCr15 钢滚珠丝杠的热加工工艺
樊
1 1 2 伟 ，王科社 ，查初亮
（ 1． 北京信息科技大学 机电工程学院 ，北京 100192 ； 2． 北京机床研究所，北京 100102 ）
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滚珠丝杠的工作条件和选材
实际生产中对滚珠丝杠的性能要求是非常严格 的， 要求其心部具有一定的强度和韧性 ， 滚道表面具有 足够高的硬度， 以保证有足够的承载能力作自由精确 运动。保证滚珠丝杠高性能， 选材是关键。 现在国内 滚珠丝杠生产厂家选用的滚珠丝杠材料大多是 GCr15 钢。因为 GCr15 钢经过适当的热处理后具有比较高
烧保温时间充分后， 对工件进行快速冷却。 快速冷却 的目的是避免奥氏体在 Ms 点以上发生分解， 防止非 马氏体组织出现。 但在 Ms 点以下希望冷却缓慢些， 以防止淬火变形和开裂。 为此采用分级冷却的方式， 先将工件放入 160 ～ 200 ℃ 的油中冷却， 冷却至油温后 将工件放入 100 ～ 140 ℃ 油中继续冷却， 最后将工件放 入 20 ～ 60 ℃ 油冷却。 淬火后工件的硬度能达到 60 ～ 64 HＲC ， 淬火组织 主要为隐晶马氏体及一些未溶碳化物 （ 8% ～ 10% ） 和 少量的残留奥氏体（ ＜ 10% ） 。 淬火组织都是不稳定的组织， 在室温下容易发生 缓慢分解， 引起体积变化， 造成工件尺寸和形状的变 化。为此， 工件经淬火后要及时回火处理。 为使工件 获得良好的力学性能， 为下步机加工提供有利条件， 选
的弹性极限、 接触疲劳强度、 硬度和耐磨性， 以及足够 的韧性、 耐蚀性及淬透性。 特别是主加 Cr 元素， 能够 提高钢的淬适性， 形成弥散的合金渗碳体（ Fe，Cr ） 3 C ， 从而提高了钢的硬度、 耐磨性和耐蚀性。另外， 由于钢 Mn 元素， 有利于固溶强化从而提高钢的淬 中含有 Si、 ［ห้องสมุดไป่ตู้ ］ 透性 。 GCr15 钢相比于其它同性能的钢在价格方 另外， 面是比较经济的， 因此， 选用 GCr15 钢做加工材料是 非常合 适 的。 根 据 GB / T 18254 —2002《高 碳 铬 轴 承 ， GCr15 钢的化学成分如表 1 所示。 钢》