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摘要:直線滾動導軌的主要失效形式為接觸疲勞損壞和重壓下產生的塑性變形。它要求導軌整體必須具有較好的綜合力學性能和較好的耐溫度變化的尺寸穩定性，其工作部位要求具有高硬度、高強度和高耐磨性。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到要求的性能。

關鍵詞:直線滾動導軌;GCr15;選材;熱處理工藝

在現代化的機械設備中，直線滾動導軌副作為精密定位、自動控制、驅動機構和運動轉換的重要基礎元件之一，已廣泛地應用于電加工機床、加工中心和數控機床等精密設備上，它的質量直接影響到機械設備的精度和使用壽命。

1導軌的工作條件

直線滾動導軌(如圖1所示)，它是在滑塊與導軌之間的滾道上放入適當的鋼球，使滑塊與導軌間的滑動摩擦變為滾動磨擦，從而實現擁有比直線軸承更高的額定負載，承受一定的扭矩，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動。直線滾動導軌在工作時承受較高的摩擦力、壓應力和扭曲應力，其主要的失效形式為接觸疲勞損壞和重壓下產生塑性變形;同時又由于其高精度的直線運動的需要，因此，要求導軌整體必須具有較好的綜合力學性能(即一定的強度與韌性配合)和較好的耐溫尺寸穩定性，其工作部位(圖1中的滾道部位)要求具備高硬度、高強度、高耐磨性。

2材料的選擇

根據直線滾動導軌的工作條件，較好的綜合力學性能和較好的耐溫尺寸穩定性要求，根據其工作部位高硬度、高強度、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，國內也逐步推廣進口的碳素結構鋼S55C或cf53(相當于國產55鋼)。針對不同的材料和使用性能要求，直線滾動導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，特別是淬火后的變形要求控制較難，所以在國內最初開發直線滾動導軌時曾經應用外，目前一般應用于機床鑲鋼導軌。采用滲碳鋼制造直線滾動導軌則熱處理工藝相對復雜，周期長、成本高，目前也僅應用于形狀較為復雜的特殊導軌。采用38CrMoAlA鋼滲氮處理制造的導軌由于滲氮層較薄，硬而脆，雖然耐磨性好，但沖擊韌性差，因此，應用范圍不廣泛。軸承鋼(如GCr15)與進口碳素結構鋼(如S55C或cf53)制造的直線滾動導軌，通過表面淬火后能夠較好地滿足強度、硬度和耐磨性等內在性能要求，而且加工工藝性能較好，目前得以廣泛使用。對比采用GCr15和S55C或cf53等材料制造的直線滾動導軌，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，所以同樣經過表面淬火后，GCr15導軌在耐磨性與耐溫尺寸穩定性方面優于S55C或cf53導軌。由此，我們認為選用GCr15鋼是制造直線滾動導軌的最佳選擇。

3熱處理技術要求

目前對于尺寸為36mm×39mm×L≤900mm的直線滾動導軌，硬度要求為58～63HRC，淬火組織為馬氏體(1～5級)+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備。根據GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》和JB/T1225—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》規定，可以確定材料預先熱處理要求。從經濟性要求，采購的棒材通過鍛造可有效節約原材料，更可改善原材料內部組織。從加工過程冷熱工序的配合及尺寸、精度控制方面，必須在相應階段進行去應力處理。因此，我們可將導軌加工工藝路線編制如下:備料→鍛造→球化退火→機加工(刨、銑、粗磨)→去應力退火→淬火、回火→機加工(粗磨)→時效去應力處理→機加工(精磨)。

5制訂各熱處理工序的工藝及質量檢測要求

5．1鍛造

為保證產品后續加工余量要求，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，細化鍛坯的晶粒，并為淬火工序做組織準備。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，將爐溫設定至800±10℃，保溫3～4h;保溫結束，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)質量檢測要求:用布氏硬度計檢測硬度，要求達到179～207HBS;然后進行金相組織檢查，使用大型工具顯微鏡，切片檢查，球狀珠光體2～4級;最后進行變形量檢查，使用塞尺在檢測平臺進行檢查，要求變形≤2mm/全長。

5．3去應力退火

目的在于釋放、消除導軌經機械加工產生的內應力。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)質量檢測要求:在檢測平臺上測量變形量，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，提高導軌的強度和承載量。1)工藝:使用可控氣氛保護爐淬火，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氣氛阻止工件表面脫碳;工件保溫結束，將工件垂直送入淬火油槽淬火，油冷時間約為2．5min，然后將工件提出油槽，工件表面有淡蘭色清煙，此時工件溫度約為200℃左右，應立即進行熱校直(利用殘余奧氏體緩慢轉變時工件具有的一定韌性);對淬火熱校直后冷卻至室溫工件進行回火;對回火后工件進行硬度、變形量的檢查，變形量不合格件可進行氧-乙炔火焰熱點校直，注意熱點部位不得位于工作面，對熱點校直后工件再次回火處理。2)質量檢測要求:使用洛氏硬度計檢測，要求硬度為58～63HRC;要進行金相組織檢查，要求淬火組織為馬氏體(1～5級)+殘余奧氏體+碳化物;工件變形量應控制在≤0．3mm/全長。

5．5時效去應力處理

目的在于釋放、消除導軌磨削加工過程產生的內應力，穩定工件的尺寸精度。對于精度等級高的導軌，可在半精度后，增加一道時效去應力處理工序，以盡量減小成品導軌中的內應力。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)質量檢測要求:使用塞尺在檢測平臺檢查變形量，要求≤0．1mm/全長。

6結語

選用GCr15軸承鋼經上述熱處理后，由于GCr15鋼的高淬透性，其淬硬層深度可達到≥3mm;淬火組織為馬氏體(1～5級)+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

［1］吳元徽．國家職業資格培訓教材熱處理工(技師、高級技師)［M］．北京:機械工業出版社，2008．

［2］樊東黎，王廣生，等．熱處理手冊［M］．北京:機械工業出版社，2001．

作者：吳元徽 單位：南京工業職業技術學院