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导轨的选材及热处理工艺

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摘要:直线滚动导轨的主要失效形式为接触疲劳损坏和重压下产生的塑性变形。它要求导轨整体必须具有较好的综合力学性能和较好的耐温度变化的尺寸稳定性,其工作部位要求具有高硬度、高强度和高耐磨性。因此,我们必须通过合理的选材和正确的热处理工艺手段来达到要求的性能。

关键词:直线滚动导轨;GCr15;选材;热处理工艺

在现代化的机械设备中,直线滚动导轨副作为精密定位、自动控制、驱动机构和运动转换的重要基础元件之一,已广泛地应用于电加工机床、加工中心和数控机床等精密设备上,它的质量直接影响到机械设备的精度和使用寿命。

1导轨的工作条件

直线滚动导轨(如图1所示),它是在滑块与导轨之间的滚道上放入适当的钢球,使滑块与导轨间的滑动摩擦变为滚动磨擦,从而实现拥有比直线轴承更高的额定负载,承受一定的扭矩,可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。直线滚动导轨在工作时承受较高的摩擦力、压应力和扭曲应力,其主要的失效形式为接触疲劳损坏和重压下产生塑性变形;同时又由于其高精度的直线运动的需要,因此,要求导轨整体必须具有较好的综合力学性能(即一定的强度与韧性配合)和较好的耐温尺寸稳定性,其工作部位(图1中的滚道部位)要求具备高硬度、高强度、高耐磨性。

2材料的选择

根据直线滚动导轨的工作条件,较好的综合力学性能和较好的耐温尺寸稳定性要求,根据其工作部位高硬度、高强度、高耐磨性的要求,其材料一般选用碳素工具钢(如T10A、T12A等)、渗碳钢、GCr15、38CrMoAlA钢等,目前,国内也逐步推广进口的碳素结构钢S55C或cf53(相当于国产55钢)。针对不同的材料和使用性能要求,直线滚动导轨选择的热处理工艺方法有表面淬火、渗碳淬火、表面渗氮处理等。目前碳素工具钢长杆件淬火工艺能力不强,特别是淬火后的变形要求控制较难,所以在国内最初开发直线滚动导轨时曾经应用外,目前一般应用于机床镶钢导轨。采用渗碳钢制造直线滚动导轨则热处理工艺相对复杂,周期长、成本高,目前也仅应用于形状较为复杂的特殊导轨。采用38CrMoAlA钢渗氮处理制造的导轨由于渗氮层较薄,硬而脆,虽然耐磨性好,但冲击韧性差,因此,应用范围不广泛。轴承钢(如GCr15)与进口碳素结构钢(如S55C或cf53)制造的直线滚动导轨,通过表面淬火后能够较好地满足强度、硬度和耐磨性等内在性能要求,而且加工工艺性能较好,目前得以广泛使用。对比采用GCr15和S55C或cf53等材料制造的直线滚动导轨,由于GCr15钢中的含碳量(0.95%~1.05%)、合金元素含量(1.30%~1.65%Cr)皆高于S55C或cf53,所以同样经过表面淬火后,GCr15导轨在耐磨性与耐温尺寸稳定性方面优于S55C或cf53导轨。由此,我们认为选用GCr15钢是制造直线滚动导轨的最佳选择。

3热处理技术要求

目前对于尺寸为36mm×39mm×L≤900mm的直线滚动导轨,硬度要求为58~63HRC,淬火组织为马氏体(1~5级)+残留奥氏体+碳化物,变形量≤0.1mm/全长。

4加工工艺路线编制,合理安排冷、热工序

选择GCr15钢淬火作为最终热处理工序,必须在淬火前作好原始组织准备。根据GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》和JB/T1225—2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》规定,可以确定材料预先热处理要求。从经济性要求,采购的棒材通过锻造可有效节约原材料,更可改善原材料内部组织。从加工过程冷热工序的配合及尺寸、精度控制方面,必须在相应阶段进行去应力处理。因此,我们可将导轨加工工艺路线编制如下:备料→锻造→球化退火→机加工(刨、铣、粗磨)→去应力退火→淬火、回火→机加工(粗磨)→时效去应力处理→机加工(精磨)。

5制订各热处理工序的工艺及质量检测要求

5.1锻造

为保证产品后续加工余量要求,一般球化退火加工余量约需2~3mm/单边,锻件两端有3mm料头需去除,因此,锻造要求为锻造后尺寸为40mm×43mm×(L+6)mm。

5.2球化退火

目的在于降低锻坯的硬度,细化锻坯的晶粒,并为淬火工序做组织准备。1)工艺:使用45kW箱式电阻炉,批量集中装炉,每炉约100kg左右。常温装炉,将炉温设定至800±10℃,保温3~4h;保温结束,以≤30℃/h速度缓慢降温至720±10℃,再保温4~6h;然后随炉冷却至500℃以下,将工件出炉空冷。2)质量检测要求:用布氏硬度计检测硬度,要求达到179~207HBS;然后进行金相组织检查,使用大型工具显微镜,切片检查,球状珠光体2~4级;最后进行变形量检查,使用塞尺在检测平台进行检查,要求变形≤2mm/全长。

5.3去应力退火

目的在于释放、消除导轨经机械加工产生的内应力。1)热处理工艺:使用箱式电阻炉,仍采用批量集中装炉,每炉约100kg左右。常温装炉,设定温度为560±20℃,保温2~4h后,随炉冷却至500℃以下,将工件出炉空冷。2)质量检测要求:在检测平台上测量变形量,要求变形量≤0.3mm/全长。

5.4淬火、回火

目的在于获得高硬度、高耐磨性的高碳马氏体组织,提高导轨的强度和承载量。1)工艺:使用可控气氛保护炉淬火,加热温度850±10℃,在炉中保温1.5~2h,然后快速出炉油冷却至200℃左右出油槽进行热校直;在300℃低温烘箱中回火,180±20℃,保温8h,出炉空冷。过程控制要求:可控气氛保护炉升温至淬火温度后,将工件装炉,每炉可装8~10件。工件随炉升温、保温过程中必须通入保护气氛阻止工件表面脱碳;工件保温结束,将工件垂直送入淬火油槽淬火,油冷时间约为2.5min,然后将工件提出油槽,工件表面有淡兰色清烟,此时工件温度约为200℃左右,应立即进行热校直(利用残余奥氏体缓慢转变时工件具有的一定韧性);对淬火热校直后冷却至室温工件进行回火;对回火后工件进行硬度、变形量的检查,变形量不合格件可进行氧-乙炔火焰热点校直,注意热点部位不得位于工作面,对热点校直后工件再次回火处理。2)质量检测要求:使用洛氏硬度计检测,要求硬度为58~63HRC;要进行金相组织检查,要求淬火组织为马氏体(1~5级)+残余奥氏体+碳化物;工件变形量应控制在≤0.3mm/全长。

5.5时效去应力处理

目的在于释放、消除导轨磨削加工过程产生的内应力,稳定工件的尺寸精度。对于精度等级高的导轨,可在半精度后,增加一道时效去应力处理工序,以尽量减小成品导轨中的内应力。1)工艺:使用300℃低温烘箱,工件装入后在140~160℃,保温8~20h,出炉空冷。2)质量检测要求:使用塞尺在检测平台检查变形量,要求≤0.1mm/全长。

6结语

选用GCr15轴承钢经上述热处理后,由于GCr15钢的高淬透性,其淬硬层深度可达到≥3mm;淬火组织为马氏体(1~5级)+残余奥氏体+碳化物;硬度一般≥62HRC;弯曲变形≤0.1mm/全长。能满足其工作条件。

参考文献

[1]吴元徽.国家职业资格培训教材热处理工(技师、高级技师)[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]樊东黎,王广生,等.热处理手册[M].北京:机械工业出版社,2001.

作者:吴元徽 单位:南京工业职业技术学院

导轨的选材及热处理工艺责任编辑:张雨    阅读:人次