回火溫度對(duì)滾子鏈等溫鏈板性能的影響

摘要分析了材質(zhì)為50CrVA 的鏈板在相同等溫淬火工藝以及相同的回火保溫時(shí)間下，不同的回火溫度導(dǎo)致的材料微觀組織和力學(xué)性能的差異，并對(duì)不同回火溫度下的鏈板和未做回火處理的鏈板的拉力和疲勞性能進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞滾子鏈鏈板等溫淬火回火溫度抗拉強(qiáng)度疲勞壽命

Influence of Tempering Temperature on Performance of Roller Chain Isothermal Chain PlateJiang Chen Zhang Mengjiu Shang Zhaohua Pang Ningning

（Qingdao Choho Industral Co.，Ltd.，Qingdao 266705，China）

Abstract The differences of microstructure and mechanical properties of 50CrVA chain plate caused by different tempering temperatures under the same isothermal quenching process and the same tempering holding time are analyzed，and the tensile and fatigue properties of chain plate under different tempering temperatures and chain plate without tempering are studied.

Key words Roller chain Chain plate Isothermal quenching Tempering temperature Tensilestrength Fatigue life

0引言

隨著鏈傳動(dòng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，在許多重要的領(lǐng)域，其逐漸取代了齒輪和帶傳動(dòng)[1]。在大中心距、大載荷以及大沖擊功的高、低速傳動(dòng)中，鏈傳動(dòng)均具有巨大的優(yōu)勢(shì)。鏈條作為鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，其研發(fā)技術(shù)不斷更新迭代。近年來(lái)，鏈條疲勞壽命規(guī)律[2]的研究引起了科研工作者的重視。在鏈條加工的熱處理過(guò)程中，相較于鏈條的其他組成部件，鏈板熱處理性能的優(yōu)劣對(duì)鏈條疲勞壽命的高低有著更大的影響。在滾子鏈的工作過(guò)程中，鏈板會(huì)發(fā)生塑性變形伸長(zhǎng)以及在應(yīng)力集中區(qū)的拉伸疲勞斷裂;在反復(fù)起動(dòng)制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及高速多次沖擊的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鏈條的鏈板還會(huì)發(fā)生高能量低周的沖擊疲勞破壞[3]。所以，鏈板的性能對(duì)于鏈條的強(qiáng)度以及耐疲勞性尤為重要。

相比于單介質(zhì)淬火，等溫淬火后的零件具有更小的變形量以及內(nèi)應(yīng)力。等溫淬火可減少零件的變形以及降低零件的表面缺口敏感性，提高鋼的塑性和韌性;應(yīng)用于鏈板時(shí)，可以得到強(qiáng)韌兼?zhèn)涞呢愂象w組織[4]。等溫淬火工藝結(jié)束后，經(jīng)過(guò)回火工藝，可以改善組織并進(jìn)一步降低組織的內(nèi)應(yīng)力;回火溫度的不同還會(huì)影響鏈板的強(qiáng)度、耐疲勞性以及耐蝕性[5]等等。由于 Cr 和 V 元素的加入，使50CrVA 材料具有高強(qiáng)度和高耐疲勞性能[6]。近年來(lái)，對(duì)于50CrVA 彈簧鋼的熱處理工藝的研究主要集中在淬火和等溫過(guò)程中的溫度和時(shí)間[7-11]，對(duì)于回火溫度的研究較少。本文中針對(duì)于材質(zhì)為50CrVA 的等溫鏈板，分別在190℃、230℃、270℃、310℃、350℃ 5個(gè)不同溫度下進(jìn)行回火，研究不同回火溫度對(duì)鏈板微觀組織和力學(xué)性能的影響，進(jìn)而研究不同工藝鏈板對(duì)鏈條抗拉性能以及疲勞壽命的影響，為優(yōu)化50CrVA 鏈板的熱處理工藝提供理論依據(jù)。

1滾子鏈的特點(diǎn)以及失效形式

滾子鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)準(zhǔn)確、強(qiáng)度高，能夠適用于各種復(fù)雜環(huán)境。其由內(nèi)鏈板、外鏈板、銷軸、套筒以及滾子這5 部分組成，如圖1 所示[12]。滾子鏈的失效方式主要有疲勞磨損以及疲勞斷裂兩種。由于滾子和鏈輪之間為滾動(dòng)摩擦，滾子和套筒、套筒和銷軸之間為滑動(dòng)摩擦。因此，在周期性的工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生疲勞磨損，使得鏈條的節(jié)距 P 變長(zhǎng)[13]（圖1），從而發(fā)生鏈條脫齒，使其失效。而在足夠大的應(yīng)力以及一定循環(huán)次數(shù)的松緊拉力下，在應(yīng)力集中或者超過(guò)材料疲勞極限的區(qū)域會(huì)發(fā)生裂紋的萌生以及擴(kuò)展，最終鏈板發(fā)生疲勞斷裂，從而導(dǎo)致鏈條失效。

2試驗(yàn)選材以及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)選材

我國(guó)鏈傳動(dòng)行業(yè)使用的鏈板材質(zhì)主要有40Mn、45Mn 、40Cr、42CrMo 、50CrV 等幾種，經(jīng)熱處理工藝后的硬度值為48～52 HRC[14]，而50CrVA 中碳合金鋼具有很高的彈性極限以及屈強(qiáng)比，疲勞極限比錳鋼更高。因此，試驗(yàn)中選用經(jīng)過(guò)球化退火的50CrVA 冷軋帶鋼，其化學(xué)成分如表1 所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1 ）根據(jù)表2 所示，對(duì)網(wǎng)帶爐設(shè)置合適的熱處理工藝。加熱爐工藝為880℃×60 min;淬火鹽槽工藝為 310℃×40 min;碳勢(shì)0.50防止鏈板高溫脫碳。設(shè)置結(jié)束進(jìn)行等溫淬火試驗(yàn)。

（2 ）將等溫淬火結(jié)束后的鏈板分別置于190℃、230℃、270℃、310℃、350℃ 5個(gè)不同溫度的回火爐中保溫90 min ，控制回火溫度為單一變量。

（3 ）試驗(yàn)中的鏈板均使用相同的模具沖制，并采用相同的熱處理設(shè)備以及相同的等溫淬火工藝。實(shí)驗(yàn)中所用的鏈條為非標(biāo)鏈520UX ，加熱爐、淬火槽以及回火爐均為江蘇豐東熱技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的設(shè)備。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集以及分析

3.1 硬度與金相

首先，經(jīng)過(guò)鑲嵌、打磨、拋光等一系列操作，制作不同工藝鏈板的金相試樣;然后，依據(jù) GB/T 4340.1—2009標(biāo)準(zhǔn)[15]使用1.96 N 的試驗(yàn)力對(duì)金相制樣中鏈板的基體進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，并根據(jù) GB/T 33362—2016標(biāo)準(zhǔn)[16]將維氏硬度換算為洛氏硬度，為保證數(shù)據(jù)的普遍性，對(duì)每種工藝進(jìn)行了多個(gè)鏈板至少10個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量。其數(shù)據(jù)如表3 所示，金相組織如圖2 所示。

由1 號(hào)工藝的金相圖片可知，等溫淬火后的組織為約55%的貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀彌散分布的碳化物的復(fù)相組織。50CrVA 鏈板在880℃完全奧氏體化后，在下貝氏體與馬氏體形成溫度（ 270～320℃）重疊區(qū)間進(jìn)行等溫淬火，在等溫過(guò)程中，會(huì)有少量馬氏體在等溫過(guò)程中優(yōu)先形成。由于等溫時(shí)間過(guò)短，還未經(jīng)過(guò)奧氏體轉(zhuǎn)變終了線的過(guò)冷奧氏體就在后續(xù)水洗過(guò)程中繼續(xù)降溫轉(zhuǎn)變成馬氏體[17]。整個(gè)過(guò)程中，奧氏體晶粒中先形成的組織將其一分為二，后形成的馬氏體或者貝氏體對(duì)先前被切割的過(guò)冷奧氏體進(jìn)一步切割，針狀形態(tài)越來(lái)越細(xì)，從而進(jìn)一步提高了強(qiáng)度和韌性[18]。另有一部分過(guò)冷奧氏體由于組織轉(zhuǎn)變的體積膨脹所形成的壓應(yīng)力從而保留下來(lái)，最終獲得了下貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀彌散分布的碳化物的復(fù)相組織。在等溫過(guò)程中形成的少量馬氏體會(huì)進(jìn)行310℃的回火，由于等溫時(shí)間過(guò)短，形成并回火的馬氏體只占很小的一部分，最終等溫淬火未進(jìn)行回火的組織為貝氏體+淬火馬氏體+殘余奧氏體+少量回火馬氏體+少量回火托氏體+顆粒狀彌散分布的碳化物。

由表1 可知，隨著回火溫度的提高，鏈板的硬度不斷下降，但是，其硬度值仍舊在50～52 HRC 范圍內(nèi)。下貝氏體在190～350℃溫度區(qū)間基本不會(huì)發(fā)生變化。導(dǎo)致硬度變化的主要原因是馬氏體發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變。低溫回火轉(zhuǎn)變中（150～250℃），淬火馬氏體析出過(guò)飽和的碳以及ε-碳化物，生成回火馬氏體;中溫回火轉(zhuǎn)變（350～500℃）中，淬火馬氏體繼續(xù)析出過(guò)飽和的碳，且ε-碳化物變?yōu)檩^小的 Fe3C 顆粒，生成回火托氏體。所以，在190～350℃回火溫度升高的過(guò)程就是馬氏體過(guò)飽和度降低的過(guò)程，從而使得硬度逐漸降低[19]。

3.2 性能試驗(yàn)

對(duì)于表3 所示不同回火工藝的鏈板使用同一批銷軸、套筒以及滾子進(jìn)行鏈條的裝配，并在同一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度以及疲勞壽命的測(cè)試。結(jié)果如表4 所示。

抗拉強(qiáng)度測(cè)試按照 GB/T 1243—2006標(biāo)準(zhǔn)[20]的規(guī)定進(jìn)行。疲勞壽命測(cè)試按照 GB/T 20736—2006標(biāo)準(zhǔn)[21]的規(guī)定進(jìn)行，為保證結(jié)果的可區(qū)分性，設(shè)定載荷上下限分別為8.5 kN 和1.5 kN 時(shí)，能保證僅有一種工藝的鏈條能達(dá)到設(shè)定的5×106次。

由表4 可知， 1號(hào)工藝對(duì)應(yīng)鏈條的抗拉強(qiáng)度以及疲勞壽命均為最低，即等溫淬火后未回火的鏈板性能最差，未回火的馬氏體組織存在大量?jī)?nèi)應(yīng)力且韌性較差，證明了等溫鏈板回火的必要性。通過(guò)兩種測(cè)試鏈條的失效情況來(lái)看，圖3 中所示抗拉強(qiáng)度測(cè)試為銷軸與外鏈板連接處的脫落，其中還伴隨與銷軸連接處鏈板的彎曲，所以，銷軸裝配的過(guò)盈量和露頭量、外鏈板和銷軸的尺寸公差以及硬度差等均會(huì)影響鏈條整體的抗拉強(qiáng)度，鏈板的性能僅僅是其中的一個(gè)影響因素。圖4 中所示疲勞測(cè)試為內(nèi)鏈板頭部?jī)蓚?cè)中寬度為 h2（圖1）位置的斷裂，此處為鏈板最窄也是截面積最小的位置，所能承受的極限強(qiáng)度最低。因此，鏈板的性能是疲勞壽命的最主要影響因素。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，回火工藝對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響甚微，6種工藝的抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到41 kN 以上，雖然3 號(hào)工藝的抗拉強(qiáng)度最高，但抗拉強(qiáng)度是材料承受靜載荷的能力。考慮到鏈條在實(shí)際工作中受到的是循環(huán)載荷的作用，所以，疲勞壽命是確定鏈板工藝的首要指標(biāo)。而僅有5 號(hào)工藝通過(guò)了50萬(wàn)次的疲勞測(cè)試，即 5號(hào)工藝最優(yōu)。

3.3 結(jié)果分析

將金相與性能測(cè)試進(jìn)行綜合分析，5號(hào)工藝組織為下貝氏體+回火托氏體+少量回火馬氏體+顆粒狀彌散分布的碳化物的復(fù)相組織，下貝氏體組織強(qiáng)韌兼?zhèn)?，回火托氏體組織韌性較好，少量的回火馬氏體組織則提高了強(qiáng)度。所以對(duì)于滾子鏈的鏈板來(lái)說(shuō)，在貝氏體含量不變的情況下，托氏體與馬氏體的組合要優(yōu)于兩者之一的單一組織。

4結(jié)論

（1 ）等溫淬火后的鏈板需要進(jìn)行回火，消除內(nèi)應(yīng)力以提高其性能。

（2 ）材質(zhì)為50CrVA 的鏈板等溫淬火后其硬度能達(dá)到50～52 HRC ，且具有很高的抗拉強(qiáng)度，能達(dá)到 41 kN 以上。

（3 ）采用310℃回火的鏈板對(duì)應(yīng)鏈條的疲勞壽命最好。所以針對(duì)本公司所用的熱處理設(shè)備，等溫淬火后最佳的回火溫度為310℃。

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收稿日期：2021-12-16 修回日期：2022-02-07

作者簡(jiǎn)介：姜?。?998—），男，山東夏津縣人，熱處理工程師;主要研究方向?yàn)榻饘贌崽幚砉に嚺c表面處理。