国产高速链滚子的失效分析

【摘要】　对国产高速链滚子的早期破坏进行了失效分析。结果表明，在循环载荷作用下，多冲疲劳裂纹首先萌生于冷镦加工在滚子内表面所形成的加工划痕及台阶处，并扩展至断裂。因此，滚子内表面加工质量差是滚子早期失效的主要原因，并提出了改进措施。
关键词：高速链　滚子　失效分析　加工质量 Proe网 ugproe.com

Failure Analysis on Roller of High-speed Chain Made in Our Country
Wang Shuqi，Liu Xiaolun
（Chain Transmission Insititute，Jilin University of Technology，Changchun 130025）
Cui Xianghong
（Institute of Materials Science and Engineering，Jilin University of Technology）

【Abstract】 The early failure of rollers of the high-speed chain was analysed in this paper.The result showed that under the fluctuant load，impact-fatigue cracks firstly initiated at the inner surface of roller，where there are working scars and steps resulted from the cold-heading，and then propagated to fracture.Thus，the worse working quality of roller inner surface is main cause for early failure of roller.Furthermore，the improving measures were given.
Key words：high-speed chain，roller，failure analysis，working quality

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1　问题的提出
　　滚子链是机械装备中重要的基础件之一，特别是转速在2000～6000r／min运转的高速链，其性能的优劣直接影响机械装备的可靠性。目前国产高速链与国外产高速链在性能上相差甚远，在高速运转中往往发生滚子的早期碎裂失效［1］，这一直是国内链条制造业的一大技术难点。因此，机械装备所用的高速链往往依赖于进口产品。对于滚子的早期失效，国内传统观点一直认为是由于滚子本身的强韧性较差，即滚子的材质及热处理工艺不合理造成的［2］，而忽视了其它因素对滚子早期失效的影响，导致国产高速链的性能低下。针对这种情况，本文作者对汽车发动机所采用的国产正时滚子链的失效样品进行了分析，并提出了改进措施和建议。

2　检验结果及分析
　　国产06B高速链在5600r／min转速下经几十小时运转后出现滚子的早期断裂失效，即滚子碎裂脱落及未脱落的滚子出现掉块现象。
2.1　滚子的材料及加工工艺
　　滚子的材料为20Cr渗碳钢，经化学分析成分见表1。采用传统的冷镦工艺制成，滚子的生产加工工艺流程为原材料→退火→冷镦→渗碳淬火→回火。 中国模具视频网

表1　滚子的化学成分质量分数　w（％） Proe网 ugproe.com

2.2　金相及硬度检验
　　经金相检验，滚子的组织为回火屈氏体，满足金相组织要求；硬度为（83～86）HRN-15，满足标准GB1243.1—83补充技术要求所规定的79.3～86HRN-15的要求。滚子的外形及裂纹在滚子内表面发生的位置见图1所示。

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图1　滚子外形
1.纵向划痕　　2.加工台阶处 模具网 ugproe.com

　　对失效件金相检验中发现在滚子断面的内表面处出现多处裂纹，见图2。裂纹萌生于滚子内表面，然后向滚子心部进行扩展。 中国模具视频网

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图2　滚子的金相组织、裂纹的产生及扩展　×400
（a）　裂纹的萌生　　　（b）　扩展的裂纹

2.3　滚子内表面观察
　　高速链中滚子受到反复循环力，且在滚子内表面产生最大拉应力，因此裂纹应首先萌生于滚子的内表面。通过对滚子内表面的观察，发现在滚子制造过程中所产生的较深的纵向加工划痕，见图3a，其中有一些已作为裂纹萌生源而形成了裂纹；在滚子端部的内表面处出现加工台阶，该加工台阶也易作为裂纹源，见图3b，促使滚子碎裂。
2.4　断口分析
　　滚子碎裂断口经扫描分析可知，断口边缘沿滚子内表面加工划痕处整齐断裂，见图4a，可以证实加工划痕可做为裂纹源，降低滚子的疲劳强度。而滚子断口形貌为典型的准解理疲劳断口见图4b。

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图3　滚子内表面加工状况与裂纹的萌生
（a）　纵向加工划痕作裂纹源　　（b）　端部横向台阶作裂纹源

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图4　滚子碎裂的断口形貌
（a）　裂纹萌生处　　（b）　裂纹扩展

　　由以上的检验结果可知：滚子的化学成分、显微组织及硬度满足滚子的强韧性要求，都不是导致滚子早期失效的原因。这与国内对滚子早期多冲疲劳失效的传统观点不一致。经冷镦加工的滚子在使用模具加工时在其内表面形成加工划痕及台阶，在多冲循环载荷作用下首先在该处形成微观裂纹，并进行扩展，在纵向加工划痕处萌生裂纹并扩展，导致滚子整体断裂脱落；而在横向台阶处萌生的裂纹扩展，导致滚子端部局部断裂，产生掉块现象。

3　改进措施及建议
　　在国内链条行业，一直认为滚子本身材质及热处理工艺导致强韧性差是滚子早期碎裂的主要原因，这一传统观点一直影响了对其真正的失效原因作详细的研究，忽视了滚子的机械加工质量对滚子强韧性的影响。通过对国产高速链滚子的失效分析和国外高速链的剖析，我们提出以下改进措施和建议：
　　（1）　改进冷镦工艺，提高模具精度，消除冷镦造成的加工划痕及台阶（国外滚子内表面粗糙度极低，无明显加工划痕），提高滚子的多冲疲劳抗力。此项改进后，经台架试验，国产高速链已基本达到要求，并接近国外高速链的质量水平。
　　（2）　改冷镦滚子为卷制滚子，可吸收冲击能量，提高滚子耐冲击疲劳抗力（国外高速链多采用卷制滚子）。 中国模具视频网
　　（3）　改进材质及热处理工艺，滚子的硬度取标准要求的下限值，可进一步提高滚子的多冲疲劳抗力。 模具网 ugproe.com