Badania metalograficzne przekładni: zasady, metody i kluczowa wiedza

Time : 2025-11-13

Zębatki są podstawowymi elementami przekładni mechanicznych, a ich właściwości materiałowe oraz jakość obróbki cieplnej bezpośrednio wpływają na trwałość i niezawodność. Badanie metalograficzne, poprzez mikroskopową analizę materiału zębatek, ocenia kluczowe wskaźniki takie jak procesy obróbki cieplnej, głębokość azotowania i wielkość ziarna, stanowiąc istotną metodę kontroli jakości.

Główne cele i przedmioty badań

Głównym celem badania metalograficznego zębatek jest zapewnienie wydajności produktu poprzez ocenę parametrów krytycznych:

Głębokość azotowania: kluczowy wskaźnik odporności na zużycie zębatek azotowanych/utwardzanych (zgodnie z normą ISO 6336).
Wielkość ziarna: wpływa na wytrzymałość i ciągliwość zębatki (klasyfikacja zgodnie z ASTM E112).
Mikrostruktura: morfologia martenzytu, austenitu szczątkowego i węglików decyduje o odporności na zmęczenie.
Wady powierzchniowe: wykrywanie poparzeń szlifierskich i pęknięć (zgodnie ze standardem AIAG CQI-9).

Podstawowe składniki mikrostruktury

Ferryt (α): Struktura regularna centrowana objętościowo (BCC), miękki i ciągliwy o niskiej twardości (~80HV), występuje powszechnie w stalach niskowęglowych i żelazie czystym.
Austenit (γ): Struktura regularna centrowana ściennie (FCC), duża plastyczność i niemagnetyczny, występuje w stalach o wysokiej temperaturze lub z dużą ilością stopu, takich jak stal nierdzewna 304 czy stale manganowe wysokostopowe.
Cementyt (Fe₃C): Układ krystalograficzny rombowy, twardy i kruchy (~800HV), zwiększa odporność na zużycie, występuje w żeliwie białym i stalach wysokowęglowych.
Martenzyt: Struktura regularna centrowana tetragonalnie (BCT), wysoka twardość (500~1000HV), uzyskiwany przez hartowanie, stosowany w stalach uodpornionych i stalach narzędziowych.

Powszechne morfologie mikrostruktury

Typ mikrostruktury	Warunki powstawania	Charakterystyka wydajności	Typowe zastosowania
Perlit	Powolne chłodzenie (przemiana eutektoidalna)	Zrównoważona wytrzymałość i ciągliwość	Stal szynowa, hartowanie i odpuszczanie uzębień
Bainit	Średniotemperaturowe izotermiczne hartowanie	Wyższa wytrzymałość i ciągliwość niż perlit	Sprężyny, śruby wysokiej wytrzymałości
Sorbit	Odpuszczony martenzyt (500~650℃)	Doskonałe kompleksowe właściwości	Wały, drążki łączące

Proces i metody standardowe badań

Pobieranie próbek i przygotowanie próbek

Pozycje pobierania próbek: Wierzchołek zęba (ocena wpływu hartowania powierzchniowego), stóp zęba (analiza mikrostruktury w obszarach koncentracji naprężeń), przekrój (pomiar gradientu warstwy utwardzonej)
Kluczowe kroki przygotowania: Cięcie → Montaż → Szlifowanie → Polerowanie → Trawienie → Obserwacja mikroskopowa
Montaż: Zastosowanie żywicy epoksydowej w celu ochrony krawędzi (zalecany montaż chłodny, aby uniknąć wpływu termicznego)
Polerowanie: Polerowanie do lustrzanego wykończenia 0,05 μm pastą diamentową w celu zapobiegania zakłóceniom przez rysy

Wybór odczynnika trawiącego

Typ materiału	Zalecany odczynnik trawiący	Wpływ
Stal nawęglana	4% Nital (kwas azotowy w alkoholu)	Wyraźnie pokazuje martenzyt/austenit
Stal azotowana	Kwas pikrynowy + środek powierzchniowo czynny	Podkreśla warstwę azotkową (np. γ'-Fe₄N)
Zębatki ze stali nierdzewnej	Elektrolityczne trawienie kwasem szczawiowym (10 V, 20 s)	Rozróżnia fazę σ i węgliki

Kluczowe wyposażenie do badań

Mikroskop optyczny (OM)

Zastosowanie: Podstawowa obserwacja mikrostruktury (np. klasyfikacja wielkości ziarna).
Wymagania konfiguracyjne: powiększenie 500×–1000×, wyposażony w oprogramowanie do analizy obrazu (np. Olympus Stream).

Mikroskop elektronowy skaningowy (SEM)

Zalety: Obserwacja wysokiej rozdzielczości niezmetalowych wtrąceń (np. MnS) oraz analiza składu za pomocą EDS.
Przykład przypadku: Pęknięcia międzyziarniste spowodowane segregacją siarki wykryte podczas analizy pęknięcia przekładni turbiny wiatrowej.

Badanie mikrotwardości

Metoda: Testowanie gradientu twardości Vickersa (HV0,3–HV1) w celu sporządzenia krzywych azotowania powierzchniowego.
Standard: ISO 2639 definiuje głębokość azotowania powierzchniowego jako odległość od powierzchni do podłoża przy 550HV1.

Analiza mikrostruktury

Normalne struktury metalograficzne

Proces wytwarzania cieplnego	Struktura metalograficzna idealna
Nasycanie węglem i hartowanie	Drobnoigłowy martenzyt + <10% utrzymanego austenitu
Azotowanie indukcyjne	Martenzyt kryptokrystaliczny + jednorodna strefa przejściowa
Wypalanie i odtrząsanie	Sorbity poprawione (jednolite rozmieszczenie węglików)

Typowe wady i przyczyny

Przecarburyzacja: Sieć węglików na powierzchni, zwiększająca kruchość i ryzyko odspajania się warstwy wierzchniej zębów.
Przepalenie szlifowania: Kolory odpalone ujawnione przez trawienie (ASTM E1257), zapobieganie poprzez kontrolowanie prędkości posuwu i stosowanie ściernic CBN.
Pęknięcia hartownicze: Propagacja międzyziarnowa z ostrymi końcami (potwierdzone przez SEM).

Nazwa wady	Charakterystyka mikroskopowa	Przyczyny i skutki
Struktura Widmanstättena	Ferryt iglasty wtargniający do ziaren	Przegrzanie prowadzi do zmniejszenia ciągliwości
Struktura pasmowa	Naprzemienne warstwy ferrytu i perlitu	Sekregacja odlewania-walcowania powoduje anizotropię
Przegrzewanie	Utlenianie lub topnienie na granicach ziaren	Zbyt wysoka temperatura nagrzewania skutkuje całkowitym wybrakiem

Poprzedni: Krótkie wprowadzenie do modyfikacji profilu zęba

Następny: Precyzyjna obróbka przekładni: technologia fazowania

Wszystkie kategorie

Aktualności