Металлографическое исследование зубчатых колес: принципы, методы и ключевые знания

Основные цели и объекты исследования

• Глубина поверхностной закалки: ключевой показатель износостойкости зубчатых колес, подвергнутых цементации/закалке (в соответствии со стандартом ISO 6336).
• Размер зерна: влияет на прочность и вязкость зубчатого колеса (оценивается по ASTM E112).
• Микроструктура: морфология мартенсита, остаточного аустенита и карбидов определяет усталостную прочность.
• Поверхностные дефекты: выявление следов шлифования и трещин (соответствие стандарту AIAG CQI-9).

Основные структурные составляющие

• Феррит (α): объемно-центрированная кубическая (ОЦК) структура, мягкий и вязкий с низкой твердостью (~80 HV), встречается в малоуглеродистой стали и чистом железе.
• Аустенит (γ): гранецентрированная кубическая (ГЦК) структура, высокая пластичность и немагнитный, присутствует при высоких температурах или в высоколегированной стали, например, в нержавеющей стали 304 и высокомарганцовистой стали.
• Цементит (Fe₃C): ромбическая кристаллическая система, твердый и хрупкий (~800 HV), повышает износостойкость, встречается в белом чугуне и высокоуглеродистой стали.
• Мартенсит: объемно-центрированная тетрагональная (ОЦТ) структура, высокая твердость (500–1000 HV), получается закалкой, используется в закаленной стали и инструментальной стали.

Распространенные морфологии микроструктуры

Процесс испытаний и стандартные методы

Отбор проб и подготовка проб

• Положения отбора проб: верхний слой зуба (оценивает эффект отверждения поверхности), корень зуба (анализирует микроструктуру в областях концентрации напряжения), поперечное сечение (измеряет градиент отверждения).
• Основные этапы подготовки: резка → монтаж → шлифовка → полировка → гравировка → микроскопическое наблюдение.
• Установка: для защиты краев используется эпоксидная смола (рекомендуется установка в холодном состоянии для предотвращения теплового воздействия).
• Полировка: полировка зеркальной отделки до 0,05 мкм алмазной полирующей пастой для предотвращения помех с помощью царапин.

Выбор резника

Ключевое оборудование для испытаний

Оптический микроскоп (OM)

• Применение: наблюдение за микроструктурой (например, классификация размера зерна).
• Требования к конфигурации: увеличение 500×~1000×, оснащенное программным обеспечением для анализа изображений (например, Olympus Stream).

Сканирующий электронный микроскоп (SEM)

• Преимущества: наблюдение неметаллических включений (например, MnS) с высоким разрешением и анализ состава с помощью EDS.
• Пример из практики: межкристаллитные трещины, вызванные сегрегацией серы, обнаруженные при анализе разрушения коробки передач для ветровых электростанций.

Испытание на микротвердость

• Метод: градиентное испытание по Виккерсу (HV0.3~HV1) для построения кривых поверхностной закалки.
• Стандарт: ISO 2639 определяет глубину поверхностной закалки как расстояние от поверхности до основного материала при значении 550HV1.

Анализ микроструктуры

Нормальные микроструктуры

Распространённые дефекты и их причины

• Чрезмерная цементация: сетчатые карбиды на поверхности, повышающие хрупкость и риск выкрашивания рабочей поверхности зубьев.
• Прижог при шлифовании: следы отпуска, выявляемые травлением (ASTM E1257), предотвращаются контролем скорости подачи и использованием шлифовальных кругов из кубического нитрида бора (CBN).
• Трещины закалки: межкристаллитное распространение с острыми концами (подтверждается с помощью сканирующего электронного микроскопа, SEM).