滚珠丝杠副20CrMo钢渗碳螺母的失效分析

来源:山东大学材料液固结构演变与加工作者:盖玉洪

本文通过扫描电镜、能谱、金相和显微硬度等方法对疲劳寿命试验后的滚珠丝杠副20CrMo钢渗碳螺母进行了失效分析。结果表明,20CrMo 钢渗碳螺母单侧滚道出现严重接触疲劳破坏的原因是:

1) 因原材料成分不均匀而形成黑白相间的不均匀组织;

2) 由于渗碳不均匀而造成失效滚道部位的渗碳层过浅;

3) 与其配套的丝杠加工分度不均匀而导致丝杠副运行时螺母两条滚道的受力不均匀。

滚珠丝杠副是精密机械传动与定位的关键滚动功能部件,被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。目前,我国精密滚珠丝杠副的发展水平和国外相比差距较大,国内产品主要应用于中、低档数控机床,高档数控机床80% 以上需要从国外购买。因此,进行国产精密滚珠丝杠副的疲劳寿命试验和对失效工件进行综合分析,对提高国产精密滚珠丝杠副的质量和使用寿命有重要的现实意义。

滚珠丝杠副的工作原理如图1 所示: 当螺母( 或丝杠) 转动时,在丝杠与螺母间布置的滚珠依次沿螺纹滚道滚动,同时滚珠促使丝杠( 或螺母) 作直线运动。将重载丝杠副CM6335 在350 mm 的行程内,以2. 4 m/min 的加载进给速度和3 m/min 的退速条件下进行疲劳寿命试验,运行约8 h 后,丝杠副损坏,丝杠齿顶多处脱落,最大部位约为10 mm。滚珠无残缺,但表面无光泽、发乌,出现了磨坏花纹。

经取样解剖发现,配套的20CrMo 钢渗碳螺母单侧滚道损坏严重,而插管无损伤。该螺母的热处理工艺流程为:正火高温时效→渗碳→淬火低温回火。本文通过扫描电镜、能谱、金相显微镜和显微硬度等表征方法对失效20CrMo 钢渗碳螺母进行了综合分析,所得结果可以为精密滚珠丝杠副的合理选材和热处理工艺优化提供重要的实验依据。

滚珠丝杠副的工作原理图

图1 滚珠丝杠副的工作原理图

1、试样制备与试验方法

使用数码相机拍摄失效的20CrMo 钢渗碳螺母及配套丝杠的宏观形貌,见图2。使用电火花数控线切割机将螺母沿中线( 图2(a) A-A) 切开,左右各取厚10 mm 的试样,取其中一块试样,超声波清洗后,使用JEOL JSM-6610LV 型扫描电镜( SEM) 和能谱仪( EDS) 观察和分析其早期疲劳失效面与未失效面的微观形貌特征。

再取另一块试样镶嵌,制备金相样品后,用NIKON-EPIPHOT 显微镜观察分析其微观组织特征。

最后,采用DHV-1000 型显微硬度计对金相样品进行硬度梯度检测,分别绘制螺母件失效滚道、未失效滚道及齿顶部位的硬度分布曲线,分析渗碳层的硬度、厚度及基体的硬度分布情况。

失效滚珠丝杠副的宏观形貌

图2 失效滚珠丝杠副的宏观形貌

(a) 20CrMo 钢渗碳螺母切样; (b) 螺母单侧滚道; (c) 丝杠

2、结论

根据以上分析可知,20CrMo 钢渗碳螺母单侧滚道出现严重失效的原因,热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)简单归纳为以下三点:

1) 组织不均匀。因钢中碳、铬元素分布不均匀而导致形成黑、白相间的不均匀组织,使材料内部存在组织应力,局部易于诱发形成微裂纹。

2) 渗碳不均匀。由于螺母表面渗碳不均匀,造成失效滚道一侧的渗碳层过浅,而且存在硬度过低点,因而降低了表面硬度和耐磨性,导致其接触疲劳寿命明显缩短。

3) 受力不均匀。丝杠加工时分度不均匀,因此导致滚珠丝杠副运行时只有一条滚道在运动中受力。相应地, 20CrMo 钢渗碳螺母的滚道也形成单侧受力状态,使受力面的滚道严重损伤。