導(dǎo)軌的選材及熱處理工藝范文

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摘要:直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的主要失效形式為接觸疲勞損壞和重壓下產(chǎn)生的塑性變形。它要求導(dǎo)軌整體必須具有較好的綜合力學(xué)性能和較好的耐溫度變化的尺寸穩(wěn)定性，其工作部位要求具有高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性。因此，我們必須通過合理的選材和正確的熱處理工藝手段來達(dá)到要求的性能。

關(guān)鍵詞:直線滾動(dòng)導(dǎo)軌;GCr15;選材;熱處理工藝

在現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)備中，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副作為精密定位、自動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的重要基礎(chǔ)元件之一，已廣泛地應(yīng)用于電加工機(jī)床、加工中心和數(shù)控機(jī)床等精密設(shè)備上，它的質(zhì)量直接影響到機(jī)械設(shè)備的精度和使用壽命。

1導(dǎo)軌的工作條件

直線滾動(dòng)導(dǎo)軌(如圖1所示)，它是在滑塊與導(dǎo)軌之間的滾道上放入適當(dāng)?shù)匿撉颍够瑝K與導(dǎo)軌間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)磨擦，從而實(shí)現(xiàn)擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，承受一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在工作時(shí)承受較高的摩擦力、壓應(yīng)力和扭曲應(yīng)力，其主要的失效形式為接觸疲勞損壞和重壓下產(chǎn)生塑性變形;同時(shí)又由于其高精度的直線運(yùn)動(dòng)的需要，因此，要求導(dǎo)軌整體必須具有較好的綜合力學(xué)性能(即一定的強(qiáng)度與韌性配合)和較好的耐溫尺寸穩(wěn)定性，其工作部位(圖1中的滾道部位)要求具備高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性。

2材料的選擇

根據(jù)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的工作條件，較好的綜合力學(xué)性能和較好的耐溫尺寸穩(wěn)定性要求，根據(jù)其工作部位高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性的要求，其材料一般選用碳素工具鋼(如T10A、T12A等)、滲碳鋼、GCr15、38CrMoAlA鋼等，目前，國內(nèi)也逐步推廣進(jìn)口的碳素結(jié)構(gòu)鋼S55C或cf53(相當(dāng)于國產(chǎn)55鋼)。針對(duì)不同的材料和使用性能要求，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌選擇的熱處理工藝方法有表面淬火、滲碳淬火、表面滲氮處理等。目前碳素工具鋼長桿件淬火工藝能力不強(qiáng)，特別是淬火后的變形要求控制較難，所以在國內(nèi)最初開發(fā)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌時(shí)曾經(jīng)應(yīng)用外，目前一般應(yīng)用于機(jī)床鑲鋼導(dǎo)軌。采用滲碳鋼制造直線滾動(dòng)導(dǎo)軌則熱處理工藝相對(duì)復(fù)雜，周期長、成本高，目前也僅應(yīng)用于形狀較為復(fù)雜的特殊導(dǎo)軌。采用38CrMoAlA鋼滲氮處理制造的導(dǎo)軌由于滲氮層較薄，硬而脆，雖然耐磨性好，但沖擊韌性差，因此，應(yīng)用范圍不廣泛。軸承鋼(如GCr15)與進(jìn)口碳素結(jié)構(gòu)鋼(如S55C或cf53)制造的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，通過表面淬火后能夠較好地滿足強(qiáng)度、硬度和耐磨性等內(nèi)在性能要求，而且加工工藝性能較好，目前得以廣泛使用。對(duì)比采用GCr15和S55C或cf53等材料制造的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，由于GCr15鋼中的含碳量(0．95%～1．05%)、合金元素含量(1．30%～1．65%Cr)皆高于S55C或cf53，所以同樣經(jīng)過表面淬火后，GCr15導(dǎo)軌在耐磨性與耐溫尺寸穩(wěn)定性方面優(yōu)于S55C或cf53導(dǎo)軌。由此，我們認(rèn)為選用GCr15鋼是制造直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的最佳選擇。

3熱處理技術(shù)要求

目前對(duì)于尺寸為36mm×39mm×L≤900mm的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，硬度要求為58～63HRC，淬火組織為馬氏體(1～5級(jí))+殘留奧氏體+碳化物，變形量≤0．1mm/全長。

4加工工藝路線編制，合理安排冷、熱工序

選擇GCr15鋼淬火作為最終熱處理工序，必須在淬火前作好原始組織準(zhǔn)備。根據(jù)GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》和JB/T1225—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》規(guī)定，可以確定材料預(yù)先熱處理要求。從經(jīng)濟(jì)性要求，采購的棒材通過鍛造可有效節(jié)約原材料，更可改善原材料內(nèi)部組織。從加工過程冷熱工序的配合及尺寸、精度控制方面，必須在相應(yīng)階段進(jìn)行去應(yīng)力處理。因此，我們可將導(dǎo)軌加工工藝路線編制如下:備料→鍛造→球化退火→機(jī)加工(刨、銑、粗磨)→去應(yīng)力退火→淬火、回火→機(jī)加工(粗磨)→時(shí)效去應(yīng)力處理→機(jī)加工(精磨)。

5制訂各熱處理工序的工藝及質(zhì)量檢測(cè)要求

5．1鍛造

為保證產(chǎn)品后續(xù)加工余量要求，一般球化退火加工余量約需2～3mm/單邊，鍛件兩端有3mm料頭需去除，因此，鍛造要求為鍛造后尺寸為40mm×43mm×(L+6)mm。

5．2球化退火

目的在于降低鍛坯的硬度，細(xì)化鍛坯的晶粒，并為淬火工序做組織準(zhǔn)備。1)工藝:使用45kW箱式電阻爐，批量集中裝爐，每爐約100kg左右。常溫裝爐，將爐溫設(shè)定至800±10℃，保溫3～4h;保溫結(jié)束，以≤30℃/h速度緩慢降溫至720±10℃，再保溫4～6h;然后隨爐冷卻至500℃以下，將工件出爐空冷。2)質(zhì)量檢測(cè)要求:用布氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度，要求達(dá)到179～207HBS;然后進(jìn)行金相組織檢查，使用大型工具顯微鏡，切片檢查，球狀珠光體2～4級(jí);最后進(jìn)行變形量檢查，使用塞尺在檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行檢查，要求變形≤2mm/全長。

5．3去應(yīng)力退火

目的在于釋放、消除導(dǎo)軌經(jīng)機(jī)械加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。1)熱處理工藝:使用箱式電阻爐，仍采用批量集中裝爐，每爐約100kg左右。常溫裝爐，設(shè)定溫度為560±20℃，保溫2～4h后，隨爐冷卻至500℃以下，將工件出爐空冷。2)質(zhì)量檢測(cè)要求:在檢測(cè)平臺(tái)上測(cè)量變形量，要求變形量≤0．3mm/全長。

5．4淬火、回火

目的在于獲得高硬度、高耐磨性的高碳馬氏體組織，提高導(dǎo)軌的強(qiáng)度和承載量。1)工藝:使用可控氣氛保護(hù)爐淬火，加熱溫度850±10℃，在爐中保溫1．5～2h，然后快速出爐油冷卻至200℃左右出油槽進(jìn)行熱校直;在300℃低溫烘箱中回火，180±20℃，保溫8h，出爐空冷。過程控制要求:可控氣氛保護(hù)爐升溫至淬火溫度后，將工件裝爐，每爐可裝8～10件。工件隨爐升溫、保溫過程中必須通入保護(hù)氣氛阻止工件表面脫碳;工件保溫結(jié)束，將工件垂直送入淬火油槽淬火，油冷時(shí)間約為2．5min，然后將工件提出油槽，工件表面有淡蘭色清煙，此時(shí)工件溫度約為200℃左右，應(yīng)立即進(jìn)行熱校直(利用殘余奧氏體緩慢轉(zhuǎn)變時(shí)工件具有的一定韌性);對(duì)淬火熱校直后冷卻至室溫工件進(jìn)行回火;對(duì)回火后工件進(jìn)行硬度、變形量的檢查，變形量不合格件可進(jìn)行氧-乙炔火焰熱點(diǎn)校直，注意熱點(diǎn)部位不得位于工作面，對(duì)熱點(diǎn)校直后工件再次回火處理。2)質(zhì)量檢測(cè)要求:使用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)，要求硬度為58～63HRC;要進(jìn)行金相組織檢查，要求淬火組織為馬氏體(1～5級(jí))+殘余奧氏體+碳化物;工件變形量應(yīng)控制在≤0．3mm/全長。

5．5時(shí)效去應(yīng)力處理

目的在于釋放、消除導(dǎo)軌磨削加工過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸精度。對(duì)于精度等級(jí)高的導(dǎo)軌，可在半精度后，增加一道時(shí)效去應(yīng)力處理工序，以盡量減小成品導(dǎo)軌中的內(nèi)應(yīng)力。1)工藝:使用300℃低溫烘箱，工件裝入后在140～160℃，保溫8～20h，出爐空冷。2)質(zhì)量檢測(cè)要求:使用塞尺在檢測(cè)平臺(tái)檢查變形量，要求≤0．1mm/全長。

6結(jié)語

選用GCr15軸承鋼經(jīng)上述熱處理后，由于GCr15鋼的高淬透性，其淬硬層深度可達(dá)到≥3mm;淬火組織為馬氏體(1～5級(jí))+殘余奧氏體+碳化物;硬度一般≥62HRC;彎曲變形≤0．1mm/全長。能滿足其工作條件。

參考文獻(xiàn)

［1］吳元徽．國家職業(yè)資格培訓(xùn)教材熱處理工(技師、高級(jí)技師)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［2］樊東黎，王廣生，等．熱處理手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

作者：吳元徽 單位：南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院