Металографічне дослідження зубчастих коліс: принципи, методи та ключові знання

Time : 2025-11-13

Зубчасті колеса є основними компонентами механічної передачі, а властивості їх матеріалу та якість термічної обробки безпосередньо впливають на термін служби та надійність. Металографічне дослідження шляхом мікроскопічного аналізу матеріалу зубчастих коліс оцінює ключові показники, такі як процес термічної обробки, глибина поверхневого загартування та розмір зерна, що є важливим методом контролю якості.

Основні цілі та об'єкти контролю

Основною метою металографічного дослідження зубчастих коліс є забезпечення експлуатаційних характеристик шляхом оцінки критичних параметрів:

Глибина поверхневого загартування: ключовий показник зносостійкості карбонітованих/загартованих зубчастих коліс (відповідно до стандарту ISO 6336).
Розмір зерна: впливає на міцність і в’язкість зубчастого колеса (оцінюється за ASTM E112).
Мікроструктура: морфологія мартенситу, залишкового аустеніту та карбідів визначає витривалість.
Поверхневі дефекти: виявлення шаруваття від шліфування та тріщин (відповідно до стандарту AIAG CQI-9).

Основні структурні складові

Ферит (α): об'ємно-центрована кубічна (ОЦК) структура, м'який і в'язкий з низькою твердістю (~80 HV), поширений у низьковуглецевій сталі та чистому залізі.
Аустеніт (γ): гранецентрована кубічна (ГЦК) структура, висока пластичність і ненамагнічуваний, присутній при високій температурі або у високолегованій сталі, наприклад, нержавіюча сталь 304 та високомарганцева сталь.
Цементит (Fe₃C): ромбічна кристалічна система, твердий і крихкий (~800 HV), підвищує зносостійкість, зустрічається у білому чавуні та високовуглецевій сталі.
Мартенсит: об'ємно-центрована тетрагональна (ОЦТ) структура, висока твердість (500–1000 HV), отримується шляхом загартування, використовується у загартованій сталі та інструментальній сталі.

Поширені морфології мікроструктури

Тип мікроструктури	Умови утворення	Відмінності експлуатаційних характеристик	Типові застосування
Перліт	Повільне охолодження (евтектоїдне перетворення)	Збалансовані міцність і в'язкість	Рейкова сталь, загартування і відпускання зубчастих коліс
Бейніт	Ізотермічне загартування середньої температури	Вища міцність і в'язкість порівняно з перлітом	Пружини, високоміцні болти
Сорбіт	Відпущений мартенсит (500~650℃)	Відмінні комплексні властивості	Вали, шатуни

Процес випробування та стандартні методи

Відбір та підготовка зразків

Позиції відбору зразків: вершина зуба (оцінка ефекту поверхневого загартування), корінь зуба (аналіз мікроструктури в зонах концентрації напружень), поперечний переріз (вимірювання градієнта поверхневого загартування).
Основні етапи підготовки: різання → затискання → шліфування → полірування → травлення → мікроскопічне спостереження.
Затискання: використовуйте епоксидну смолу для захисту країв (рекомендується холодне затискання, щоб уникнути теплового впливу).
Полірування: поліруйте до дзеркальної поверхні з глибиною 0,05 мкм за допомогою діамантової полірувальної пасти, щоб запобігти впливу подряпин.

Вибір реактиву для травлення

Тип матеріалу	Рекомендований реактив для травлення	Ефект
Цементована сталь	4% Ніталь (азотна кислота в спирті)	Чітко відображає мартенсит/аустеніт
Нітрована сталь	Пікринова кислота + миючий засіб	Підкреслює шар нітриду (наприклад, γ'-Fe₄N)
Зубчасті колеса з нержавіючої сталі	Електролітичне травлення щавлевою кислотою (10 В, 20 с)	Розрізняє σ-фазу та карбіди

Основне випробувальне обладнання

Оптичний мікроскоп (ОМ)

Застосування: базове спостереження за мікроструктурою (наприклад, оцінка розміру зерна).
Вимоги до конфігурації: збільшення 500×–1000×, укомплектований програмним забезпеченням для аналізу зображень (наприклад, Olympus Stream).

Скануючий електронний мікроскоп (SEM)

Переваги: спостереження з високою роздільною здатністю неметалевих включень (наприклад, MnS) та аналіз складу за допомогою EDS.
Приклад випадку: тріщини по границях зерен, спричинені сегрегацією сірки, виявлені під час аналізу руйнування коробки передач вітрової енергетичної установки.

Випробування на мікротвердість

Метод: градієнтне випробування за Віккерсом (HV0.3~HV1) для побудови кривих поверхневого загартування.
Стандарт: ISO 2639 визначає глибину поверхневого загартування як відстань від поверхні до основного матеріалу при 550HV1.

Аналіз мікроструктури

Нормальні структури

Процес термічної обробки	Ідеальна структура
Цементація та загартування	Дрібна голчаста мартенситна структура + <10% залишкового аустеніту
Індукційне загартування	Кріптокристалічний мартенсит + рівномірна перехідна зона
Витвердження і відпускання	Відпущений сорбіт (рівномірний розподіл карбідів)

Поширені дефекти та їхні причини

Надмірне насичення вуглецем: мережеві карбіди на поверхні, що збільшують крихкість і ризик відшарування поверхні зуба.
Паливо під час шліфування: кольори відпалу, які виявляються травленням (ASTM E1257), запобігання — контроль швидкості подачі та використання шліфувальних кругів із CBN.
Тріщини від загартування: міжзернове поширення з гострими кінцями (підтверджено за допомогою СЕМ).

Назва дефекту	Мікроскопічні характеристики	Причини та наслідки
Структура Відманштеттена	Гострокінцевий ферит, що проникає в зерна	Перегрів призводить до зниження міцності
Смугаста структура	Чергуються шари фериту та перліту	Сегрегація при литті та прокатці призводить до анізотропії
Перегріvanня	Окиснення або плавлення по межах зерен	Надмірно висока температура нагріву призводить до повного бракування

Попередній : Короткий вступ до модифікації профілю зубчастого колеса

Наступний : Високоточна обробка зубчастих коліс: технологія фасування

Усі категорії

Новини