本文所用试验材料主要化学成分如表1所示。 

表1 试验材料主要化学成分（wt.%）

对于试验丝杠钢棒的几何尺寸如图1所示，主要检测尺寸有钢棒长度及直径尺寸。利用光学金相显微镜确认滚珠丝杠显微组织，了解试样中马氏体、贝氏体等组织特征，碳化物颗粒的大小、圆整度和分布情况等各方面的特征信息。

如图1所示，滚珠丝杠材料原材料处理状态为930℃淬火+610℃回火的调质状态，显微组织为马氏体+回火索氏体。从图1a、图1b可以看到，由于丝杠直径较大（φ63mm），亚表面（皮下12mm以内）和心部组织差异较大。亚表面以回火索氏体为主，约占90%，而心部马氏体和回火索氏体组织含量基本相当，各占50%。而机加工成形后，进行表面感应加热淬火，再进行回火处理。从图1c、图1d可以看到，亚表面组织与原材料少量马氏体+回火索氏体组织基本一致，而心部组织中马氏体明显减少，微观组织与亚表层差别较小。

图1 滚珠丝杠的金相组织

表2示列出来总长4703.98mm机加工态滚珠丝杠热处理前后的长度变化。从表2可以看到，机加工状态的滚珠丝杠，经过表面感应加热淬回火处理后，其长度缩短了4.023mm，变化率达0.86mm/m，严重超标。

表2 滚珠丝杠热处理变形量

热处理过程中工件的变化分尺寸变化和形状畸变两种类型，前者表现在尺寸的膨胀和收缩，后者为平面度、椭圆度、圆柱度等参数的超差。其中，对于尺寸的膨胀和收缩主要是因为材料的显微组织发生变化的过程中比容变化造成的变化，其相关原因与原材料的元素成分、原始组织中碳化物颗粒的大小和分布、淬火温度、淬火油温、深冷温度、回火温度及热处理过程中各道工序的延迟时间都有着密切的关系。

对于本文所研究的滚珠丝杠用钢，等温淬火过程中主要形成马氏体组织为主，此时的组织相变产生体积膨胀。而在回火过程中马氏体转变为回火索氏体，析出碳化物，导致其正方度的下降，从而使体积缩小。由于原材料回火不充分，心部残留50%以上的马氏体。在机加工成型后，丝杠表面淬火+回火的过程中，丝杠内部未发生淬火转变，而在再次回火过程中，心部回火程度提升，大量残留的马氏体组织转变为回火索氏体，产生明显的长度收缩。 

根据试验钢种的等温转变曲线，其Ms点约为302℃。由于滚珠丝杠的要求是热处理后的变形小，组织一致性好，所以本实验采用的是930℃感应加热后水环淬火，得到的组织是贝氏体+马氏体的混合组织，如图2所示。

图2 滚珠丝杠用钢等温淬火组织

据前文所述，由于回火不充分，材料心部残留大量马氏体，在后续表面淬火+回火处理过程中，马氏体中固溶碳原子脱溶析出，导致体积缩小，产生热处理变形超差的问题。为此，拟定了表3所列的热处理工艺调控规范，分析其对材料组织均匀性及后续热处理变形量的影响。

表3 热处理工艺调控表

图3示出了不同回火工艺处理后材料的金相组织。从图3a、图3b可以看到，经过710℃保温3h回火，材料中的马氏体组织已完全分解，析出大量球化良好的碳化物，尺寸一致，分布均匀，且亚表层和心部组织基本一致。而回火温度降至695℃，保温3h后，材料亚表层和芯部组织基本一致，但均保留了少量未分解完全的马氏体板条组织特征（见图3c、图3d）。回火温度进一步降至675℃，保温3h后，采用随炉冷却的方式降低冷却速度。从图3e、图3f可以看到，虽然降低了冷却速度，但由于回火温度较低，马氏体分解程度明显低于710℃回火组织，并且心部和表层微观组织有明显差异。心部组织仍保留了70%左右马氏体，极可能对后续热处理变形带来不利影响。

图3 示出了不同回火工艺处理后材料的金相组织

将经三种回火处理后的材料加工成滚珠丝杠（总长5615mm）后，进行感应淬火+回火处理，检测了处理前后丝杠长度变化，如表3所示。从表3可以看到，经710℃回火3h的滚珠丝杠，在后续表面淬回火处理过程长度变化率仅为0.17mm/m，推移到5.6m的丝杠上为0.95mm。而675℃回火3h的材料，由于残留了大量未分解的马氏体组织，在相同条件下，其热处理变形量高达0.90mm/m，难 以满足高精密丝杠加工要求。

表3 不同回火处理滚珠丝杠用钢热处理变形量

（1）经调质处理的滚珠丝杠用棒材中，残留的马氏体含量显著影响其终态热处理过程中的变形量。通过优化调质处理工艺，提高棒材显微组织的均匀性，消除残留马氏体组织，减少畸变储能，可以减少丝杠在终态淬回火热处理过程中的变形量，提高丝杠加工精密度。

（2）经930℃淬火+710℃回火3h后的滚珠丝杠用棒材，在机加工后终态淬回火热处理过程中变形率低至0.17mm/m，可满足高精密丝杠加工要求。