CN103993230A - 一种滚珠丝杠用钢材料及滚珠丝杠加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于滚珠丝杠加工的钢材料及滚珠丝杠加工工艺，钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素0.58％、硅元素0.25％、锰元素0.86％、磷元素0.035％、硫元素0.029％、铬元素0.90％、钼元素0.25％、钒元素0.10％、镍元素0.27％和铜元素0.25％，以及余量的铁元素和杂质。本发明的有益效果是：本发明提供了一种新型的材料及滚珠丝杠的加工工艺，加工出的滚珠丝杠，能够完全克服GCr15材料在加工过程中存在的不足，减少热处理畸变和磨削裂纹，提高加工效率，提高了滚珠丝杠的耐磨性和接触疲劳强度以及使用寿命，取得了较好的经济效益和社会效益。

Description

一种滚珠丝杠用钢材料及滚珠丝杠加工工艺

 

技术领域

本发明涉及机械技术领域中的钢材料，特别涉及一种滚珠丝杠用钢材料及滚珠丝杠加工工艺。

 

背景技术

滚珠丝杠副等滚动功能部件是机床乃至数控装置的关键部件，其精度及使用寿命直接影响机床的加工精度，定位精度。因此国家每年拿出大量外汇，购买国外高精度、大直径的滚珠丝杠副，满足日益增长的市场需求。

目前，国内制造企业大都是采用 GCr15轴承钢制造滚珠丝杠副等滚动功能部件。GCr15轴承钢制造滚珠丝杠的加工路线：原材料（热扎钢）—正火处理—球化退火（φ63-φ160）或球化调质处理（φ16-φ50）、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、冰冷处理、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

由于GCr15轴承钢是一种高碳、高Cr合金组成的钢，在多年的使用过程中发现，该材料制作滚珠丝杠存在以下几种问题：a. 除Cr外其它合金元素含量较少，钢的淬透性有一定局限，获得较深的淬硬层比较困难，适合做中小直径的丝杠。b. 淬火加热温度过热敏感性强，淬火组织马氏体易粗大，残余奥氏体多，降低滚珠丝杠的耐磨性和接触疲劳强度。c. 由于高Cr易形成不易改变的碳化物组织，造成该材料淬火变形大，冷加工工艺不易稳定，表面精度很难提高，很难做出高精度的丝杠。d. 加工应力大、效率低，特别是磨削加工，经常出现磨削裂纹。所以，大多数生产企业的加工工艺是先将圆钢淬火后，采用磨削或旋铣、硬车方法加工螺纹，以应对丝杆淬火变形。

如何提高国内滚珠丝杠副的质量，是本发明的重点。根据多年来制造滚珠丝杠积累的经验，对国外滚珠丝杠企业制造技术的了解，认为加工几何尺寸、精度、加工方式与国外差距不大；应从原材料研发和热处理方法着手改进，提高滚珠丝杠的耐磨性和接触疲劳强度、显著提高其尺寸稳定性，保证滚珠丝杠副的精度与使用寿命。

 

发明内容

为了提高滚珠丝杠副的加工精度和使用寿命，本发明提供了一种用于滚珠丝杠加工的钢材料，所述钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.52％～0.61％、硅元素0.13％～0.37％、锰元素0.72％~1.03％、 磷元素≤0.040％、硫元素≤0.040％、铬元素0.70％～3.10％、钼元素0.19％~0.31％、钒元素0.06~0.31％、镍元素≤0.33％和铜元素≤0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

所述钢材料可以优选为由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.54％～0.59％、硅元素0.15％～0.35％、锰元素0.75％~1.00％、 磷元素≤0.035％、硫元素≤0.035％、铬元素0.75％～1.05％、钼元素0.20％~0.30％、钒元素0.06％~0.10％、镍元素≤0.30％和铜元素≤0.25％，以及余量的铁元素和杂质。

所述钢材料还可以优选为由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.57％～0.61％、硅元素0.13％～0.33％、锰元素0.81％~0.91％、磷元素0.030％～0.040％、硫元素0.030％～0.040％、铬元素0.70％～0.90％、钼元素0.19％~0.21％、钒元素0.06％~0.07％、镍元素≤0.33％和铜元素0.26％~0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

所述钢材料又可以优选为由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.52％～0.57％、硅元素0.36％～0.37％、锰元素0.72％~1.03％、磷元素0.020％～0.040％、硫元素0.018％~0.040％、铬元素0.75％～1.10％、钼元素0.21％~0.31％、钒元素0.06％~0.11％、镍元素0.22％~0.33％和铜元素0.21％~0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

所述钢材料又可以优选为由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.58％、硅元素0.25％、锰元素0.86％、磷元素0.035％、硫元素0.029％、铬元素0.90％、钼元素0.25％、钒元素0.10％、镍元素0.27％和铜元素0.25％，以及余量的铁元素和杂质。

为了更好的实现上述发明目的，本发明还提供了一种钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺，所述加工工艺仅包括三次热处理：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火。

其中，所述热处理a中调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至810-850℃，保温时间120-300分钟，再进行淬火处理；所述淬火的冷却介质为机械油或PAG淬火液；

（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至600-680℃，保温时间150-360分钟，取出热轧钢冷却至室温。

所述热处理b中，高温时效处理的温度为550-600℃，保温时间为180-360分钟。

所述热处理c中表面感应淬火、回火：

（1）表面感应淬火：将热轧钢经过淬火感应器加热，加热温度为860-900℃；淬火感应器的频率为2-10kHz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；

（2）回火：加热温度为150-180℃，保温时间180-360分钟，然后取出后冷却至室温。

 

其中，所述淬火感应器为：包括若干匝串联且电流流向相同的加热圈，相邻两匝所述加热圈之间设置有连接桥。

优选地，所述淬火感应器包括两匝串联且电流流向相同的加热圈即加热圈A和加热圈B，以及两个分别与加热圈A和加热圈B连接的接触板A和接触板B；两匝所述加热圈之间设置有轴向连接桥，所述轴向连接桥与所述加热圈中心轴线平行。

两匝所述加热圈底部相应位置均设置有缝隙，所述加热圈A的缝隙的两端分别与所述接触板A和所述轴向连接桥连接，所述加热圈B的缝隙的两端分别与所述轴向连接桥和所述接触板B连接。

两匝所述加热圈位于同一中心轴线上。

两匝所述加热圈的直径相等，且略大于滚珠丝杠直径；两匝所述加热圈的宽度是1.5-2.5厘米。

两个所述接触板上均设置圆筒状的冷却管，所述冷却管一端与所述接触板连接，另一端超出所述接触板 5-6厘米，且与定子冷却水***的输出端连接。

在两个所述接触板上均设置有螺孔，所述接触板通过穿过所述螺孔的螺栓固定在机架上并与变压器输出端连接。

优选地，淬火感应器包括两匝串联且电流流向相同的加热圈即加热圈A和加热圈B，以及两个均与同一所述加热圈底部串联的接触板即接触板A和接触板B。

所述加热圈A和所述加热圈B上端均设置有缝隙，两个所述缝隙的两端通过轴向连接桥和倾斜连接桥交叉连接。

所述轴向连接桥与所述加热圈中心轴线平行。

两匝所述加热圈位于同一中心轴线上。

两匝所述加热圈的直径相等，且略大于滚珠丝杠直径；加热圈的宽度是1.5-2.5厘米。

两个所述接触板上均设置圆筒状的冷却管，所述冷却管一端与所述接触板连接，另一端超出所述接触板 5-6厘米，且与定子冷却水***的输出端连接。

在两个所述接触板上均设置有螺孔，所述接触板通过穿过所述螺孔的螺栓固定在机架上并与变压器输出端连接。

 

为了更好的实现上述发明目的，本发明还提供了一种所述钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

 

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供了一种新型的材料，并结合本发明提供了滚珠丝杠的加工工艺，加工出的滚珠丝杠，能够完全克服GCr15材料在加工过程中存在的不足，减少热处理畸变和磨削裂纹，提高加工效率，提高了滚珠丝杠的耐磨性和接触疲劳强度以及使用寿命，取得了较好的经济效益和社会效益；其中，感应器中感应电流产生的磁场立体分布在被加热件的周围，使被加热件受热均匀，提高了加热效率，降低尖角处的过热敏感性，淬硬层高硬区较深，适合车丝后的丝杠淬火，提高加工效率。

 

附图说明

图1为本发明实施例1中第一次热处理中淬火后钢材料的金相组织观测图。

图2为本发明实施例1中第一次热处理后钢材料的金相组织观测图。

图3为本发明实施例1中钢材料的CCT曲线图。

图4为本发明实施例1中第二次热处理后的工艺曲线图。

图5为本发明实施例1中第三次热处理后丝杠的表层金相组织观测图。

图6为本发明实施例1中第三次热处理后丝杠的过渡区金相组织观测图。

图7为本发明实施例1中第三次热处理中淬火后丝杠显微硬度分布曲线图。

图8为本发明实施例2中调质处理中淬火后钢材料的金相组织观测图。

图9为本发明实施例2中调质处理后钢材料的金相组织观测图。

图10为本发明实施例2中钢材料的CCT曲线图。

图11为本发明实施例2中高温时效处理的工艺曲线图。

图12为本发明实施例2中第三次热处理后丝杠的表层金相组织观测图。

图13为本发明实施例2中第三次热处理后丝杠的过渡区金相组织观测图。

图14为本发明实施例2中第三次热处理中淬火后丝杠显微硬度分布曲线图。

图15为对比试验中滚珠丝杠的摩擦曲线图。

图16为对比试验中滚珠丝杆的磨损形貌图。

图17为对比试验中钢材料的CCT曲线图。

图18为对比试验中滚珠丝杠的硬度曲线图。

图19为本发明实施例1中淬火感应器的结构示意图。

图20为本发明实施例2中淬火感应器的结构示意图。

其中，1、冷却管；2、接触板A；3、加热圈A；4、加热圈B；5、接触板B；6、轴向连接桥；7、倾斜连接桥。

 

具体实施方式

针对GCr15材料在加工滚珠丝杠过程中存在的不足，本发明提供了一种用于加工滚珠丝杠的新型钢材料（本发明说明书中又称中碳Cr-Mo钢），及使用新型钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺。

其中，利用本发明的新材料加工滚珠丝杠时只需三次热处理即可：

第一次热处理：原材料（热轧钢）粗车外圆之前进行调质处理，淬火工艺规范为加热温度810~850℃，保温时间120-300min，保温时间视工件直径大小来确定，冷却介质为机械油或者PAG淬火液，回火工艺规范为加热温度600-680℃，保温时间为150-360min，保温时间视工件直径大小来确定，然后出炉空冷；调质后的硬度240-270HBS，金相显微组织为索氏体，1-3级合格（GB\T13320-91第四组评级图）。

第二次热处理：粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理，主要是消除工件内应力，防止工件畸变，工艺规范为加热温度550-600℃，保温时间为180-360min，出炉空冷；

第三次热处理：精车外圆后进行表面感应淬火、回火，工艺规范为淬火加热温度860-900℃，PAG冷却；中频加热设备频率2-10KHz。回火工艺规范为加热温度150-180℃，保温时间为180-360min，然后出炉空冷。表面感应淬火、回火后的硬度要求HRC58-62，金相组织马氏体3-7级合格，硬化层深度3.5-13毫米。

 

实施例1

本发明实施例1提供了一种滚珠丝杠用钢材料，由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.58％、硅元素0.25％、锰元素0.86％、磷元素0. 035％、硫元素0.029％、铬元素0.90％、钼元素0.25％、钒元素0.10％、镍元素0.27％和铜元素0.25％，以及余量的铁元素和杂质。

本发明实施例1还提供了一种采用上述钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺为：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

其中，加工工艺仅包括上述三次热处理，即：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火。

热处理a中，调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至820±5℃，保温120分钟，再进行淬火处理；淬火的冷却介质为10%PAG淬火液；（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至660±5℃，保温150分钟，取出热轧钢冷却至室温。

热处理b中，高温时效处理的温度为600±10℃，保温时间为240分钟。

热处理c中，（1）表面感应淬火：将热轧钢经过淬火感应器加热，加热温度为900℃；淬火感应器的频率为3100Hz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；（2）回火：加热温度为160℃，保温时间180分钟，然后取出后冷却至室温。

其中，淬火是使钢强化的基本手段之一，将钢淬火成马氏体，随后回火以提高韧性，是使钢获得高综合机械性能的传统方法。滚珠丝杠的表面淬火，是滚珠丝杠制造过程中的一道关键工序，淬火质量的高低直接影响产品的内在质量，丝杠的耐磨性、精度和使用寿命。原来的丝杠淬火感应器多采用单匝或双匝串联圆形感应器，淬火后检验发现显微组织丝顶和丝底差别很大，丝顶马氏体组织粗大，有时出现严重过热现象，在后续的磨削过程中出现裂纹，造成丝杠报废，进行丝杠淬火试验，均未取得明显的改进效果，因此设计、制做一种新型滚珠丝杠淬火感应器，是当务之急。

本发明实施例提供了一种淬火感应器，如图19所示，淬火感应器包括两匝串联且电流流向相同的加热圈和两个与加热圈连接的接触板，两个接触板分别与两个加热圈连接；两匝加热圈分别为：加热圈A3和加热圈B4，两个接触板分别为接触板A和接触板B；两匝加热圈之间设置有轴向连接桥6，轴向连接桥6与加热圈中心轴线平行。其中，加热圈A3和加热圈B4底部相应位置均设置有缝隙，加热圈A3的缝隙分别与接触板A和轴向连接桥6连接，加热圈B4的缝隙分别与轴向连接桥6和接触板B5连接。这样，电流的流向为：接触板A2—加热圈A3—连接桥—加热圈B4—接触板B5。两匝加热圈的直径相等，其直径略大于滚珠丝杠直径，两个接触板上设置圆筒状的冷却管1，冷却管1一端与接触板连接，另一端超出接触板边缘5-6厘米，且与定子冷却水***的输出端连接，由于定子冷却水***属于本领域工程技术人员熟知的，故不再赘述。加热圈的宽度是1.5-2.5厘米，能够根据加热工件的需要设置加热圈的宽度。在接触板上设置将其固定的螺孔，利用螺栓将接触板固定并与变压器输出端连接。

将接触板与变压器的输出端连接，将滚珠丝杠穿过加热圈，确保感应器安装稳定后，开启变压器开关，向加热圈通入电流，利用磁场感应涡流加热原理，当向加热圈通入电流时，电流通过加热圈产生磁场，当磁场内磁力线通过滚珠丝杠，会对滚珠丝杠进行加热，通电后，加热圈产生与滚珠丝杠平行的轴向磁场，同时连接桥产生与滚珠丝杠轴向垂直的径向磁场，径向磁场与轴向磁场形成一个绕滚珠丝杠的立体磁场，通过改变连接桥长度来改变相邻两匝加热圈之间的距离，从而改变磁场的均匀度和立体分布状况，满足不同工件的加热需要，这样可以使滚珠丝杠加热达到很好的效果。由于感应器中感应电流产生的磁场立体分布在被加热件的周围，使被加热件受热均匀，提高了加热效率，降低尖角处的过热敏感性，淬硬层高硬区较深，适合车丝后的丝杠淬火，提高加工效率。

 

本公司生产一批GD80（滚珠丝杠公称直径）*12（螺距）*5800（总长度）的滚珠丝杠，共计40件。按照上述滚珠丝杠用钢材料的元素组分，委托一钢铁企业生产，要求钢企采用电弧炉加真空精炼法冶炼，热轧成直径90毫米，长度6000毫米的圆钢。经抽样检验，圆钢化学成分（重量百分比）符合实施例1中钢材料组分规定的要求。

按照上述滚珠丝杠加工工艺，对圆钢进行加工。加工过程对热轧钢进行检测。

一、调质处理：

（1）淬火后，钢材料金相组织观测

淬火后，在100倍和200倍放大的情况下，观测钢材料的金相组织，如图1（a）和（b）所示，组织为板条马氏体加少量残余奥氏体组织。在100倍下观察（图1（a）），钢中出现了明显的白色带状铁素体组织，级别不超标（≤2级）。在200倍下观察（图1（b）），淬火后的组织为板条马氏体加少量残余奥体组织。

（2）淬火后，对5件抽样钢材料进行洛氏硬度检测，结果如表1所示。

表1  钢材料淬火样品的洛氏硬度

从表1的数据可知，洛氏硬度平均值为60.2HRC，属正常的淬火组织硬度。

（3）调质处理后，观察钢材料的金相组织，如图2（c）所示，为回火索氏体组织，按GB\T13320-91第四组评级图评定为2级。在100倍和200倍放大情况下观察（分别为图2（a）和（b）），可以看到深色的带状组织，与淬火组织中的白色条带类似。

（4）对调质处理后的钢材料进行布氏硬度检测，结果如表2所示。

表2钢材料调质处理后布氏硬度

从表2的数据可知，布氏硬度平均值为246 HBS，硬度合格。

（5）钢材料的 CCT曲线测试：

CCT曲线如图3所示，CCT曲线测试过程详述：将试样加热至950℃，保温至完全奥氏体化。然后，采用热模拟试验机（Gleeble1500D型）和冷却速度分别为50、30、10、5、4、3、2、1、0.8、0.7、0.5、0.3 ℃/s 测量了中碳Cr-Mo钢试样的相变膨胀曲线，作出试样的CCT曲线。通过CCT曲线能够看出：调质处理所选择的工艺参数是合理的。

二、第二次热处理，本发明实施例丝杠高温时效处理工艺曲线如图4，高温时效处理的目的，主要是消除材料中的内应力，减少淬火时滚珠丝杠的变形。

三、第三次热处理，即感应加热表面淬火、回火，具体工艺参数为淬火加热温度900℃，工件移动速度300mm/min，冷却介质浓度为8-10%PAG，压力0.2MPa，温度20℃；中频加热设备（淬火感应器），频率3100Hz，电压382V，电流287A，功率163KW；回火工艺参数为加热温度160℃，保温时间240分钟，然后出炉空冷。表面感应淬火、回火后的硬度为HRC59-61，金相组织马氏体5.5级合格，硬化层深度7.2毫米，各项指标符合该批工件图样技术要求。表面感应淬火、回火后，表层金相组织如图5所示（500倍放大为图5（a），100倍放大为图5（b）），过渡区金相组织如图6所示（500倍放大为图6（a），100倍放大为图6（b）），感应淬火丝杠显微硬度分布曲线图如图7所示。

 

实施例2

本发明实施例2提供了一种滚珠丝杠用钢材料，由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.61％、硅元素0.33％、锰元素0.88％、磷元素0.015％、硫元素0.035％、铬元素0.90％、钼元素0.31％、钒元素0.10％、镍元素0.31％和铜元素0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

本发明实施例2还提供了一种采用上述钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺为：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

其中，加工工艺仅包括上述三次热处理，即：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火。

其中，热处理a中，调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至830±5℃，保温180分钟，再进行淬火处理；淬火的冷却介质为12%PAG淬火液；（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至640±5℃，保温210分钟，取出热轧钢冷却至室温。

热处理b中，高温时效处理的温度为570℃，保温时间为180分钟。

热处理c中，（1）表面感应淬火：将热轧钢经过淬火感应器加热，加热温度为860℃；淬火感应器的频率为5700Hz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；（2）回火：加热温度为150±5℃，保温时间180分钟，然后取出后冷却至室温。

本发明实施例还提供了一种淬火感应器，如图20所示，淬火感应器包括两匝串联且电流流向相同的加热圈和两个与加热圈连接的接触板，两个接触板均与同一加热圈连接，两匝加热圈分别为：加热圈A3和加热圈B4，两个接触板分别为接触板A2和接触板B5；加热圈A3和加热圈B4上端均设置有缝隙，两缝隙的两端之间通过轴向连接桥6和倾斜连接桥7交叉连接，其中轴向连接桥6与加热圈中心轴线平行。这样，电流的流向为：接触板A2—加热圈A3—轴向连接桥6—加热圈B4—倾斜连接桥7—加热圈A3—接触板B5。两匝加热圈的直径相等，其直径略大于滚珠丝杠直径，两个接触板上均设置圆筒状的冷却管1，冷却管1一端与接触板连接，另一端超出接触板边缘5-6厘米，且与定子冷却水***的输出端连接，由于定子冷却水***属于本领域工程技术人员熟知的，故不再赘述。加热圈的宽度是1.5-2.5厘米，能够根据加热工件的需要设置加热圈的宽度。在接触板上设置将其固定的螺孔，利用螺栓将接触板固定并与变压器输出端连接。

将接触板与变压器的输出端连接，将滚珠丝杠穿过加热圈，确保感应器安装稳定后，开启变压器开关，向加热圈通入电流，利用磁场感应涡流加热原理对丝杠表面淬火；当向加热圈通入电流时，电流通过加热圈产生磁场，当磁场内磁力线通过滚珠丝杠，会对滚珠丝杠进行加热，由于轴向连接桥6与倾斜连接桥7交叉设置构成立体环形感应器，电流通过加热圈产生磁场，连接两加热圈之间轴向连接桥6和倾斜连接桥7产生的交叉磁场形成一个绕滚珠丝杠的立体磁场，通过改变轴向连接桥6的长度和轴向连接桥6与倾斜连接桥7交叉的角度，来调整相邻两匝加热圈之间的距离，从而改变磁场的均匀度和立体分布状况，满足不同工件的加热需要，这样可以使滚珠丝杠加热达到很好的效果。由于感应器中感应电流产生的磁场立体分布在被加热件的周围，使被加热件受热均匀，提高了加热效率，降低尖角处的过热敏感性，淬硬层高硬区较深，适合车丝后的丝杠淬火，提高加工效率。

 

本公司生产一批GD80（滚珠丝杠公称直径）*12（螺距）*5500（总长度）的滚珠丝杠，共计60件。按照上述滚珠丝杠用钢材料的元素组分，委托一钢铁企业生产，要求钢企采用电弧炉加真空精炼法冶炼，热轧成直径90毫米，长度6000毫米的圆钢。经抽样检验，圆钢化学成分（重量百分比）符合实施例2中钢材料组分规定的要求。

按照上述滚珠丝杠加工工艺，对圆钢进行加工。加工过程对热轧钢进行检测。

一、调质处理：

（1）淬火后，钢材料金相组织观测

淬火后，在100倍和500倍放大的情况下，观测钢材料的金相组织，如图8所示，组织为板条马氏体加少量残余奥氏体组织。在100倍下观察（图8（a）），钢中出现了明显的白色带状铁素体组织，级别不超标（≤2级）。在500倍下观察（图8（b）），淬火后的组织为板条马氏体加少量残余奥体组织。

（2）淬火后，对抽样对5件钢材料进行洛氏硬度检测，结果如表3所示。

表3  钢材料淬火样品的洛氏硬度

从表3的数据可知，洛氏硬度平均值为60.8HRC，属正常的淬火组织硬度。

（3）调质处理后，观察钢材料的金相组织，如图9（c）所示，为回火索氏体组织，按GB\T13320-91第四组评级图评定为1.5级。在100倍和200倍下观察（如图10（a）和（b）），可以看到深色的带状组织，与淬火组织中的白色条带类似。

（4）对调质处理后的钢材料进行布氏硬度检测，结果如表4所示。

表4钢材料调质处理后布氏硬度

从表2的数据可知，布氏硬度平均值为246 HBS，硬度合格。

（5）钢材料的 CCT曲线测试：

CCT曲线如图10所示，CCT曲线测试过程详述：将试样加热至950℃，保温至完全奥氏体化。然后，采用热模拟试验机（Gleeble1500D型）和冷却速度分别为50、30、10、5、4、3、2、1、0.8、0.7、0.5、0.3 ℃/s 测量了钢材料的相变膨胀曲线，作出试样的CCT曲线。通过CCT曲线能够看出：调质处理所选择的工艺参数是合理的。

二、第二次热处理，中碳Cr-Mo钢丝杠高温时效处理工艺曲线如图11，高温时效处理的目的，主要是消除材料中的内应力，减少淬火时滚珠丝杠的变形。

三、第三次热处理，即感应加热表面淬火（螺纹部分）、回火，具体工艺参数为淬火加热温度900℃，工件移动速度300mm/min，冷却介质浓度为8-10%PAG，压力0.2MPa，温度20℃；中频加热设备（淬火感应器），频率3100Hz，电压382V，电流287A，功率163KW；回火工艺参数为加热温度160℃，保温时间240分钟，然后出炉空冷。表面感应淬火、回火后的硬度为HRC59.5-61，金相组织马氏体5.5级合格，硬化层深度7.0毫米，各项指标符合该批工件图样技术要求。表面感应淬火、回火后，表层金相组织如图12所示（500倍放大为图12（a），100倍放大为图12（b）），过渡区金相组织如图13所示（500倍放大为图13（a），100倍放大为图13（b）），感应淬火丝杠显微硬度分布曲线图如图14所示。

 

实施例3

本发明实施例3提供了一种滚珠丝杠用钢材料，由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.57％、硅元素0.13％、锰元素0.85％、磷元素0.035％、硫元素0.035％、铬元素0.80％、钼元素0.20％、钒元素0.06％、镍元素0.32％和铜元素0.27％，以及余量的铁元素和杂质。

本发明实施例3还提供了一种采用上述钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺为：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

其中，加工工艺仅包括上述三次热处理，即：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火。

其中，热处理a中，调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至845±5℃，保温238分钟，再进行淬火处理；淬火的冷却介质为10%PAG淬火液；（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至680±5℃，保温300分钟，取出热轧钢冷却至室温。

热处理b中，高温时效处理的温度为550℃，保温时间为180分钟。

热处理c中，（1）表面感应淬火：将热轧钢经过淬火感应器加热，加热温度为880℃；淬火感应器的频率为6800Hz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；（2）回火：加热温度为170±5℃，保温时间240分钟，然后取出后冷却至室温。

其中，淬火感应器与实施例1中的淬火感应器的结构相同。

 

实施例4

本发明实施例4提供了一种滚珠丝杠用钢材料，由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.54％、硅元素0.36％、锰元素0.75％、磷元素0.030％、硫元素0.029％、铬元素0.91％、钼元素0.25％、钒元素0.08％、镍元素0.27％和铜元素0.25％，以及余量的铁元素和杂质。

本发明实施例4还提供了一种采用上述钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺为：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

其中，加工工艺仅包括上述三次热处理，即：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火。

其中，热处理a中，调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至850±5℃，保温300分钟，再进行淬火处理；淬火的冷却介质为10%PAG淬火液；（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至680±5℃，保温360分钟，取出热轧钢冷却至室温。

热处理b中，高温时效处理的温度为580℃，保温时间为360分钟。

热处理c中，（1）表面感应淬火：将热轧钢经过淬火感应器加热，加热温度为870℃；淬火感应器的频率为8900Hz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；（2）回火：加热温度为180±5℃，保温时间360分钟，然后取出后冷却至室温。

其中，淬火感应器与实施例2中的淬火感应器的结构相同。

 

实施例5

本发明实施例5提供了一种滚珠丝杠用钢材料，由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.52％、硅元素0.23％、锰元素0.95％、磷元素0.010％、硫元素0.04％、铬元素3.10％、钼元素0.22％、钒元素0.31％、镍元素0.25％和铜元素0.23％，以及余量的铁元素和杂质。

本发明实施例5还提供了一种采用上述钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺为：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。

其中，加工工艺仅包括上述三次热处理，即：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火。

其中，热处理a中，调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至810±5℃，保温150分钟，再进行淬火处理；淬火的冷却介质为12%PAG淬火液；（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至600±5℃，保温300分钟，取出热轧钢冷却至室温。

热处理b中，高温时效处理的温度为570℃，保温时间为300分钟。

热处理c中，（1）表面感应淬火：将热轧钢经过淬火感应器加热，加热温度为880±5℃；淬火感应器的频率为2000Hz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；（2）回火：加热温度为170±5℃，保温时间330分钟，然后取出后冷却至室温。

其中，淬火感应器与实施例2中的淬火感应器的结构相同。

 

对比试验

（一）耐磨性能对比

根据实施例1-5的钢材料制作的滚珠丝杠和传统GCr15钢制造的滚珠丝杠，在载荷50N、线程mm、摩擦速度1mm/s和摩擦时间3h的条件下直线往复干摩擦，比较其耐磨性能，对比结果如图15所示。其中，实施例1-5制作的钢珠丝杠的耐磨性数值取平均值，结果如图15（a）所示，传统GCr15钢制造的滚珠丝杠的摩擦曲线图如15（b）所示。两者的磨损形貌如图16所示。其中，图16（a）为实施例1制作的滚珠丝杠的磨损形貌；图16（b）为传统GCr15钢制造的滚珠丝杠的磨损形貌。

通过图15（a）和15（b）能够看出：在最初的一个小时内，本发明钢材料的摩擦系数为0.61，GCr15钢的摩擦系数为0.65，一小时后，摩擦系数逐渐趋于一致，都为0.7。可见两种材料在硬度接近的情况下，其干摩擦系数没有太大的差异。

通过图16（a）和16（b）两试样磨损表面均未出现磨损塑性变形现象，发现GCr15钢磨损表面犁沟相对较深，而本发明钢材料表面犁沟相对较浅。

（二）CCT曲线对比：

由图17（a）和图17（b）能够看出：一方面，本发明钢材料的奥氏体化温度比GCr15钢低95℃，更容易完全奥氏体化；另一方面，本发明钢材料的Ms点高于GCr15钢，能更早的发生马氏体转变，得到更多的马氏体，降低残余奥氏体的数量。因此，中碳Cr-Mo钢不需要进行冰冷处理。

（三）硬度对比：

由图18（a）和图18（b）的硬度曲线对比可知：本发明钢材料的淬硬层深度远大于GCr15钢，且没有表面硬度低头现象，GCr15出现表面硬度低，原因是表面残余奥氏体含量高，因此淬火后要进行冰冷处理。其中，图18（a）为本发明实施例1-5得到钢材料的硬度平均值的曲线图。

 

综上，由实施例和滚珠丝杠的性能对比可知，本发明优选的技术方案，通过添加Mo、V合金元素和调整其它合金元素含量，改进热处理方法，克服了原来GCr15钢制造滚珠丝杠存在的不足。本发明钢材料的淬透性非常好，容易得到较深的淬硬层，特别适合制造较大直径，大钢球的滚珠丝杠；又因该材料表面淬火变形小，加工效率高，特别适合制造高精度的滚珠丝杠。本公司近几年使用该材料加工滚珠丝杠，取得了较好的经济效益。

 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于滚珠丝杠加工的钢材料，其特征在于，所述钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.52％～0.61％、硅元素0.13％～0.37％、锰元素0.72％~1.03％、 磷元素≤0.040％、硫元素≤0.040％、铬元素0.70％～3.10％、钼元素0.19％~0.31％、钒元素0.05％~0.31％、镍元素≤0.33％和铜元素≤0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

2.根据权利要求1所述的用于滚珠丝杠加工的钢材料，其特征在于，所述钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.54％～0.59％、硅元素0.15％～0.35％、锰元素0.75％~1.00％、 磷元素≤0.035％、硫元素≤0.035％、铬元素0.75％～1.05％、钼元素0.20％~0.30％、钒元素0.06％~0.11％、镍元素≤0.30％和铜元素≤0.25％，以及余量的铁元素和杂质。

3.根据权利要求1所述的用于滚珠丝杠加工的钢材料，其特征在于，所述钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.57％～0.61％、硅元素0.13％～0.33％、锰元素0.81％~0.91％、磷元素0.030％～0.040％、硫元素0.030％～0.040％、铬元素0.70％～0.90％、钼元素0.19％~0.21％、钒元素0.06％~0.07％、镍元素≤0.33％和铜元素0.26％~0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

4.根据权利要求1所述的用于滚珠丝杠加工的钢材料，其特征在于，所述钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.52～0.57％、硅元素0.36％～0.37％、锰元素0.72％~1.03％、磷元素0.020％～0.040％、硫元素0.018％~0.040％、铬元素0.75％～1.10％、钼元素0.21％~0.31％、钒元素0.06％~0.11％、镍元素0.22％~0.33％和铜元素0.21％~0.28％，以及余量的铁元素和杂质。

5.根据权利要求1所述的用于滚珠丝杠加工的钢材料，其特征在于，所述钢材料由以下重量百分比的组分组成：碳元素 0.58％、硅元素0.25％、锰元素0.86％、磷元素0.035％、硫元素0.029％、铬元素0.90％、钼元素0.25％、钒元素0.10％、镍元素0.27％和铜元素0.25％，以及余量的铁元素和杂质。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺，其特征在于，所述加工工艺仅包括三次热处理：

a、热轧钢粗车外圆之前进行调质处理；

b、粗车外圆和精车外圆之间进行高温时效处理；

c、精车外圆后进行表面感应淬火、回火；

其中，所述热处理a中调质处理包括以下步骤：

（1）淬火：将热轧钢加热至810~850℃，保温时间120-300分钟，再进行淬火处理；所述淬火的冷却介质为机械油或PAG淬火液；

（2）回火：将淬火后的热轧钢加热至600-680℃，保温时间150-360分钟，取出热轧钢冷却至室温。

7.根据权利要求6所述的钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺，其特征在于，所述热处理b中高温时效处理的温度为550-600℃，保温时间为180-360分钟。

8.根据权利要求6或7所述的钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺，其特征在于，所述热处理c中表面感应淬火、回火：

（1）表面感应淬火：将钢经过淬火感应器加热，加热温度为860-900℃；淬火感应器的频率为2-10kHz；表面感应淬火的冷却介质为PAG淬火液；

（2）回火：加热温度为150-180℃，保温时间180-360分钟，然后取出后空冷至室温。

9.根据权利要求8所述的钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺，其特征在于，所述淬火感应器为：包括若干匝串联且电流流向相同的加热圈，相邻两匝所述加热圈之间设置有连接桥。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的钢材料加工滚珠丝杠的加工工艺，其特征在于，所述加工工艺为：

热扎钢—调质处理、校直—粗车外圆—高温时效处理、校直—精车外圆—表面感应淬火、回火—磨外圆—硬铣螺纹或磨削螺纹—装配。