回火溫度對滾子鏈等溫鏈板性能的影響

摘要分析了材質為50CrVA 的鏈板在相同等溫淬火工藝以及相同的回火保溫時間下，不同的回火溫度導致的材料微觀組織和力學性能的差異，并對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行了研究。

關鍵詞滾子鏈鏈板等溫淬火回火溫度抗拉強度疲勞壽命

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

隨著鏈傳動技術的不斷創新發展，在許多重要的領域，其逐漸取代了齒輪和帶傳動[1]。在大中心距、大載荷以及大沖擊功的高、低速傳動中，鏈傳動均具有巨大的優勢。鏈條作為鏈傳動系統中非常重要的組成部分，其研發技術不斷更新迭代。近年來，鏈條疲勞壽命規律[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程中，相較于鏈條的其他組成部件，鏈板熱處理性能的優劣對鏈條疲勞壽命的高低有著更大的影響。在滾子鏈的工作過程中，鏈板會發生塑性變形伸長以及在應力集中區的拉伸疲勞斷裂;在反復起動制動、正反轉以及高速多次沖擊的工況下運轉時，鏈條的鏈板還會發生高能量低周的沖擊疲勞破壞[3]。所以，鏈板的性能對于鏈條的強度以及耐疲勞性尤為重要。

相比于單介質淬火，等溫淬火后的零件具有更小的變形量以及內應力。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;應用于鏈板時，可以得到強韌兼備的貝氏體組織[4]。等溫淬火工藝結束后，經過回火工藝，可以改善組織并進一步降低組織的內應力;回火溫度的不同還會影響鏈板的強度、耐疲勞性以及耐蝕性[5]等等。由于 Cr 和 V 元素的加入，使50CrVA 材料具有高強度和高耐疲勞性能[6]。近年來，對于50CrVA 彈簧鋼的熱處理工藝的研究主要集中在淬火和等溫過程中的溫度和時間[7-11]，對于回火溫度的研究較少。本文中針對于材質為50CrVA 的等溫鏈板，分別在190℃、230℃、270℃、310℃、350℃ 5個不同溫度下進行回火，研究不同回火溫度對鏈板微觀組織和力學性能的影響，進而研究不同工藝鏈板對鏈條抗拉性能以及疲勞壽命的影響，為優化50CrVA 鏈板的熱處理工藝提供理論依據。

1滾子鏈的特點以及失效形式

滾子鏈結構簡單、傳動準確、強度高，能夠適用于各種復雜環境。其由內鏈板、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摩擦，滾子和套筒、套筒和銷軸之間為滑動摩擦。因此，在周期性的工作過程中會發生疲勞磨損，使得鏈條的節距 P 變長[13]（圖1），從而發生鏈條脫齒，使其失效。而在足夠大的應力以及一定循環次數的松緊拉力下，在應力集中或者超過材料疲勞極限的區域會發生裂紋的萌生以及擴展，最終鏈板發生疲勞斷裂，從而導致鏈條失效。

2試驗選材以及試驗方法

2.1 試驗選材

我國鏈傳動行業使用的鏈板材質主要有40Mn、45Mn 、40Cr、42CrMo 、50CrV 等幾種，經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比，疲勞極限比錳鋼更高。因此，試驗中選用經過球化退火的50CrVA 冷軋帶鋼，其化學成分如表1 所示。

2.2 實驗方法

（1 ）根據表2 所示，對網帶爐設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0.50防止鏈板高溫脫碳。設置結束進行等溫淬火試驗。

（2 ）將等溫淬火結束后的鏈板分別置于190℃、230℃、270℃、310℃、350℃ 5個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 ）試驗中的鏈板均使用相同的模具沖制，并采用相同的熱處理設備以及相同的等溫淬火工藝。實驗中所用的鏈條為非標鏈520UX ，加熱爐、淬火槽以及回火爐均為江蘇豐東熱技術股份有限公司生產的設備。

3試驗數據收集以及分析

3.1 硬度與金相

首先，經過鑲嵌、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 GB/T 4340.1—2009標準[15]使用1.96 N 的試驗力對金相制樣中鏈板的基體進行維氏硬度測試，并根據 GB/T 33362—2016標準[16]將維氏硬度換算為洛氏硬度，為保證數據的普遍性，對每種工藝進行了多個鏈板至少10個數據的測量。其數據如表3 所示，金相組織如圖2 所示。

由1 號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℃）重疊區間進行等溫淬火，在等溫過程中，會有少量馬氏體在等溫過程中優先形成。由于等溫時間過短，還未經過奧氏體轉變終了線的過冷奧氏體就在后續水洗過程中繼續降溫轉變成馬氏體[17]。整個過程中，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先前被切割的過冷奧氏體進一步切割，針狀形態越來越細，從而進一步提高了強度和韌性[18]。另有一部分過冷奧氏體由于組織轉變的體積膨脹所形成的壓應力從而保留下來，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相組織。在等溫過程中形成的少量馬氏體會進行310℃的回火，由于等溫時間過短，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。下貝氏體在190～350℃溫度區間基本不會發生變化。導致硬度變化的主要原因是馬氏體發生的組織轉變。低溫回火轉變中（150～250℃），淬火馬氏體析出過飽和的碳以及ε-碳化物，生成回火馬氏體;中溫回火轉變（350～500℃）中，淬火馬氏體繼續析出過飽和的碳，且ε-碳化物變為較小的 Fe3C 顆粒，生成回火托氏體。所以，在190～350℃回火溫度升高的過程就是馬氏體過飽和度降低的過程，從而使得硬度逐漸降低[19]。

3.2 性能試驗

對于表3 所示不同回火工藝的鏈板使用同一批銷軸、套筒以及滾子進行鏈條的裝配，并在同一臺設備上進行抗拉強度以及疲勞壽命的測試。結果如表4 所示。

抗拉強度測試按照 GB/T 1243—2006標準[20]的規定進行。疲勞壽命測試按照 GB/T 20736—2006標準[21]的規定進行，為保證結果的可區分性，設定載荷上下限分別為8.5 kN 和1.5 kN 時，能保證僅有一種工藝的鏈條能達到設定的5×106次。

由表4 可知， 1號工藝對應鏈條的抗拉強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內應力且韌性較差，證明了等溫鏈板回火的必要性。通過兩種測試鏈條的失效情況來看，圖3 中所示抗拉強度測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影響鏈條整體的抗拉強度，鏈板的性能僅僅是其中的一個影響因素。圖4 中所示疲勞測試為內鏈板頭部兩側中寬度為 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，所能承受的極限強度最低。因此，鏈板的性能是疲勞壽命的最主要影響因素。對比試驗結果可知，回火工藝對抗拉強度的影響甚微，6種工藝的抗拉強度均能達到41 kN 以上，雖然3 號工藝的抗拉強度最高，但抗拉強度是材料承受靜載荷的能力。考慮到鏈條在實際工作中受到的是循環載荷的作用，所以，疲勞壽命是確定鏈板工藝的首要指標。而僅有5 號工藝通過了50萬次的疲勞測試，即 5號工藝最優。

3.3 結果分析

將金相與性能測試進行綜合分析，5號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相組織，下貝氏體組織強韌兼備，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度。所以對于滾子鏈的鏈板來說，在貝氏體含量不變的情況下，托氏體與馬氏體的組合要優于兩者之一的單一組織。

4結論

（1 ）等溫淬火后的鏈板需要進行回火，消除內應力以提高其性能。

（2 ）材質為50CrVA 的鏈板等溫淬火后其硬度能達到50～52 HRC ，且具有很高的抗拉強度，能達到 41 kN 以上。

（3 ）采用310℃回火的鏈板對應鏈條的疲勞壽命最好。所以針對本公司所用的熱處理設備，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

作者簡介：姜琛（1998—），男，山東夏津縣人，熱處理工程師;主要研究方向為金屬熱處理工藝與表面處理。