淺談大型滾珠絲桿表面感應(yīng)淬火后磨削裂紋的分析及控制
2008-05-19滾珠絲桿副在各類設(shè)備上使用時，由于負(fù)荷不同，受力大小不同，絲桿工作時常承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞和沖擊，同時在轉(zhuǎn)動部位承受較強(qiáng)的摩擦力，所以其主要的損壞形式是磨損和疲勞失效。因此絲桿在設(shè)計、制造時，必須具備高強(qiáng)韌度、高表面硬度和耐磨性以及高的尺寸穩(wěn)定性等內(nèi)在性能要求。特別是大型滾珠絲桿( 直徑≥80 mm) ，由于使用時承受的負(fù)荷較大( 動、靜負(fù)荷可達(dá)近1000kN) ，因此在強(qiáng)韌度、表面硬度和耐磨性等方面要求就更高。目前，國內(nèi)各制造企業(yè)普遍選用GCr15 鋼材，在經(jīng)過球化退火處理或調(diào)質(zhì)處理等預(yù)先熱處理后，進(jìn)行表面感應(yīng)淬火熱處理，以滿足滾珠絲桿內(nèi)在的性能要求。
目前，大型滾珠絲桿一般采用中頻感應(yīng)淬火。在生產(chǎn)中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)經(jīng)過中頻淬火( 回火) 的絲桿經(jīng)磨削螺紋后，經(jīng)磁力探傷檢查，常在螺紋滾道的圓弧上出現(xiàn)軸向的或網(wǎng)狀的裂紋，甚至在磨削螺紋過程中僅憑肉眼就可發(fā)現(xiàn)，從而造成絲桿的報廢。這不僅給企業(yè)造成直接經(jīng)濟(jì)損失，而且由于造成該問題的因素是多方面的，給企業(yè)生產(chǎn)一線操作者帶來較大的壓力。筆者長期從事滾珠絲桿熱處理的技術(shù)工作，通過對大量磨削裂紋大絲桿的失效分析和過程追溯，總結(jié)了造成這類裂紋的原因和控制措施，并通過批量生產(chǎn)獲得了有效性確認(rèn)。
一、絲桿中頻淬火后磨削裂紋的原因分析
1. 原材料不良
主要表現(xiàn)為GCr15 材料的網(wǎng)狀碳化物級別超差或球化退火組織不合格( 有片狀珠光體) 。通過對裂紋絲桿碳化物的不均勻性分析、顯微組織分析，出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物級別超差或球化退火組織不合格絲桿約占總數(shù)的40 % 。碳化物不均勻性造成絲桿表面感應(yīng)淬火后存在表面硬度和內(nèi)應(yīng)力分布不均，碳化物較集中的部位其內(nèi)應(yīng)力也較集中。在絲桿磨削時，由于該部位內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，就會產(chǎn)生磨削裂紋。片狀珠光體存在，則造成絲桿表面感應(yīng)淬火后晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，絲桿磨削時在內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度部位產(chǎn)生磨削裂紋。
2. 絲桿中頻淬火熱處理不良
主要表現(xiàn)為淬火溫度偏高或回火不足。通過分析、統(tǒng)計，由此造成絲桿磨削裂紋的絲桿約占總數(shù)的20 % ～30 % 。
大型滾珠絲桿中頻淬火時，中頻輸出功率偏高，淬火速度過慢，都可能使絲桿淬火時的溫度偏高，絲桿淬火后的馬氏體組織級別偏上限( 馬氏體5 級) ，甚至可能超標(biāo)( 馬氏體≥5 級) 。粗大的馬氏體組織會降低鋼材40 %。絲桿磨削時的工藝參數(shù)不規(guī)范，磨削時產(chǎn)生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達(dá)到絲桿材料的“淬火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲桿表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，引起絲桿表面出現(xiàn)裂紋。大型滾珠絲桿淬火后，淬硬層較深，內(nèi)應(yīng)力( 包括熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力) 較大，回火不足( 回火溫度低或回火時間短) ，絲桿淬火時形成的內(nèi)應(yīng)力消除不完全。絲桿淬火、回火后，內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力與磨削時產(chǎn)生的磨削應(yīng)力相疊加，當(dāng)疊加后的應(yīng)力超過鋼材的屈服強(qiáng)度時，就會在絲桿表面形成裂紋。
3. 絲桿磨削時的工藝參數(shù)不規(guī)范該原因造成磨削裂紋的絲桿約占總數(shù)的30 % ～40 %。絲桿磨削時的工藝參數(shù)不規(guī)范, 磨削時產(chǎn)生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者, 磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達(dá)到絲桿材料的“淬火溫度”, 在磨削液的冷卻作用下, 絲桿表面形成“二次淬火”, 造成表面晶粒粗大, 降低鋼材的屈服強(qiáng)度, 引起絲桿表面出現(xiàn)裂紋。
二、控制措施
1. 原材料的碳化物不均勻性和球化退火組織控制
目前，國內(nèi)GCr15 材料采購參照GB/ T18254 —2002《高碳鉻軸承鋼》執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)5. 10. 1 對碳化物不均勻性規(guī)定：對直徑大于60 ～120mm 的球化退火鋼材的碳化物網(wǎng)狀不得大于3 級；對直徑大于120mm 的球化退火鋼材的碳化物網(wǎng)狀由供需雙方協(xié)議規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)5. 9. 2 對球化退火組織規(guī)定：≤60mm 的球化退火圓鋼、盤條，所有尺寸的鋼管的球化退火顯微組織合格級別為2 ～4級；> 60mm 的球化退火鋼材的顯微組織由供需雙方協(xié)議規(guī)定。
在實際生產(chǎn)中，由于鋼廠批量生產(chǎn)量較大，存在少量碳化物不均勻性超差的鋼材，> 60mm 的球化退火鋼材的顯微組織也很難完全達(dá)到2 ～4 級的合格級別。因此，使用單位需對進(jìn)廠鋼材進(jìn)行理化檢查。對檢查出碳化物不均勻性超差的鋼材，必須進(jìn)行“鍛打→正火→球化退火” 處理；對檢查出球化退火鋼材顯微組織不合格的鋼材，必須重新進(jìn)行“球化退火” 處理，直至鋼材的碳化物不均勻性和球化退火組織合格才能投產(chǎn)。
2. 感應(yīng)淬火工藝控制
淬火感應(yīng)器的選擇與控制。淬火感應(yīng)器是感應(yīng)淬火設(shè)備的關(guān)鍵部件與淬火工藝的關(guān)鍵參數(shù)。感應(yīng)器與待淬火的工件( 絲桿) 之間的間隙決定了感應(yīng)器的“加熱效率” 和工件表面的實際加熱功率。特別對GCr15 材料大型滾珠絲桿，由于淬硬層深度要求較深，所以絲桿表面加熱溫度一般采用“上限溫度” ( 一般為880 ℃ 左右) ，如果感應(yīng)器與絲桿之間的間隙變小了，感應(yīng)器的“加熱效率” 也就提高了。因此，在原來的淬火參數(shù)下工作，絲桿實際的淬火溫度就變高了。淬火后獲得的馬氏體級別自然也就高了。因此，對感應(yīng)器與絲桿之間的間隙一定要嚴(yán)格監(jiān)測與控制。大型絲桿淬火感應(yīng)器一般采用圓環(huán)通過式或半環(huán)浮動式。采用圓環(huán)通過式感應(yīng)器，需要定期檢查感應(yīng)器的尺寸，偏差> 2mm 時必須整修或更換感應(yīng)器；采用半環(huán)浮動式感應(yīng)器，需要定期檢查固定感應(yīng)器與工件間隙的定位塊厚度，當(dāng)出現(xiàn)磨損較大時( >1mm) ，必須及時更換定位塊。
淬火工藝參數(shù)的定期驗證。由于現(xiàn)有感應(yīng)淬火設(shè)備普遍采用電參數(shù)等間接參數(shù)( 電流、電壓、輸出功率、相對移動速度) 來控制熱參數(shù)( 加熱溫度、加熱時間) ，以設(shè)備的穩(wěn)定性對絲桿淬火質(zhì)量影響較大。因此當(dāng)設(shè)備( 包括淬火感應(yīng)器) 經(jīng)過大修或更換電器部件后，需要對淬火工藝參數(shù)進(jìn)行再驗證。同時在正常生產(chǎn)過程中，也必須定期驗證原有淬火工藝參數(shù)，以確保生產(chǎn)工藝的長期有效性和可控性。保證絲桿淬火后回火充分。通過大量試驗我們發(fā)現(xiàn)，大型絲桿感應(yīng)淬火后，采用“160 ～180 ℃/ 8h/ 空冷” 的二次回火工藝，可以有效釋放、消除絲桿淬火過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，大大減少磨削后開裂的比率。
3. 磨削過程的控制
采用“減小每次進(jìn)刀磨削量，多次進(jìn)刀” 及“磨削- 穩(wěn)定絲桿表面溫度- 磨削” 的方法，有效地降低了絲桿表面的磨削熱量和磨削應(yīng)力，杜絕絲桿磨削時產(chǎn)生的“二次淬火” 或“二次回火” 現(xiàn)象，從而避免“磨削裂紋” 的產(chǎn)生。
三、有效性確認(rèn)
2006 年3 ～10 月，我們采取上述措施對586 件大型絲桿( 其中，80mm 的504 件；100mm 的53 件；120mm的29 件) 進(jìn)行過程控制、檢查，未出現(xiàn)一例磨削開裂的現(xiàn)象。的強(qiáng)度和韌性，絲桿磨削時在內(nèi)應(yīng)力超過鋼材的屈服強(qiáng)度部位產(chǎn)生磨削裂紋。