Tandwielen zijn kerncomponenten van mechanische transmissie en hun materiaaleigenschappen en kwaliteit van de warmtebehandeling zijn rechtstreeks van invloed op de levensduur en betrouwbaarheid. Metallografisch onderzoek, door middel van microscopische analyse van tandwielmaterialen, evalueert belangrijke indicatoren zoals warmtebehandelingsprocessen, verhardingsdiepte en korrelgrootte, en dient als een cruciale kwaliteitscontrolemethode.
Kerndoelstellingen en detectie-items
Het primaire doel van metallografisch onderzoek van tandwielen is het garanderen van de productprestaties door het beoordelen van kritische parameters:
Diepte van verharding: een belangrijke indicator voor de slijtvastheid van gecarbureerde/afgeschrikte tandwielen (zoals vereist door de ISO 6336-norm).
Korrelgrootte: Beïnvloedt de sterkte en taaiheid van het tandwiel (geclassificeerd volgens ASTM E112).
Microstructuur: Morfologieën van martensiet, vastgehouden austeniet en carbiden bepalen de vermoeiingsprestaties.
Oppervlaktedefecten: Detecteert brandwonden en scheuren tijdens het slijpen (voldoet aan de AIAG CQI-9-standaard).
Fundamentele microstructurele bestanddelen
Ferriet ( ): Lichaams-gecentreerde kubieke (BCC) structuur, zacht en taai met een lage hardheid (~80HV), gebruikelijk in-koolstofstaal en puur ijzer.
Austeniet ( ): vlak-gecentreerde kubieke (FCC) structuur, hoge plasticiteit en niet-magnetisch, aanwezig in hoge- temperatuur of hoog-gelegeerd staal zoals 304 roestvrij staal en hoog-mangaanstaal.
Cementiet (Fe₃C): orthorhombisch kristalsysteem, hard en bros (~800 HV) en verbetert de slijtvastheid, aangetroffen in wit gietijzer en hoog-koolstofstaal.
Martensiet: Lichaam-gecentreerde tetragonale (BCT) structuur, hoge hardheid (500~1000HV) verkregen door afschrikken, gebruikt in afgeschrikt staal en gereedschapsstaal.
Gemeenschappelijke microstructurele morfologieën
| Type microstructuur | Vormingsvoorwaarden | Prestatiekenmerken | Typische toepassingen |
|---|---|---|---|
| Perliet | Langzame afkoeling (eutectoide transformatie) | Evenwichtige sterkte en taaiheid | Railstaal, tandwielafschrikking en ontlaten |
| Bainiet | Isotherme uitdoving bij gemiddelde-temperatuur | Hogere sterkte en taaiheid dan perliet | Veren, hoge-bouten |
| Sorbiet | Gehard martensiet (500 ~ 650 graden) | Uitstekende uitgebreide eigenschappen | Assen, drijfstangen |
Testproces en standaardmethoden
Bemonstering en monstervoorbereiding
Bemonsteringsposities: Tandtop (evalueert het verhardingseffect van het oppervlak), tandwortel (analyseert de microstructuur in spanningsconcentratiegebieden), dwars-doorsnede (meet de verhardingsgradiënt).
Belangrijke voorbereidingsstappen: Snijden → Monteren → Slijpen → Polijsten → Etsen → Microscopische observatie.
Montage: Gebruik epoxyhars voor randbescherming (koude montage aanbevolen om thermische impact te voorkomen).
Polijsten: Polijsten tot een spiegelafwerking van 0,05 μm met diamantpolijstpasta om krasinterferentie te voorkomen.
Etsselectie
| Materiaaltype | Aanbevolen etsmiddel | Effect |
|---|---|---|
| Gecarboniseerd staal | 4% Nital (salpeterzuur-alcohol) | Geeft duidelijk martensiet/austeniet weer |
| Genitreerd staal | Picrinezuur + wasmiddel | Markeert de nitridelaag (bijv. '-Fe₄N) |
| Roestvrij stalen tandwielen | Oxaalzuur elektrolytisch etsen (10V, 20s) | Onderscheidt σ-fase en carbiden |
Belangrijkste testapparatuur
Optische microscoop (OM)
Toepassing: Basisobservatie van microstructuren (bijv. korrelgroottebeoordeling).
Configuratievereisten: 500×~1000× vergroting, uitgerust met beeldanalysesoftware (bijv. Olympus Stream).
Scanning-elektronenmicroscoop (SEM)
Voordelen: observatie met hoge-resolutie van niet-metallische insluitsels (bijv. MnS) en samenstellingsanalyse via EDS.
Voorbeeld van een geval: Intergranulaire scheuren veroorzaakt door zwavelsegregatie gedetecteerd bij breukanalyse van tandwielkasten voor windenergie.
Microhardheid testen
Methode: Vickers-hardheid (HV0,3~HV1) gradiënttest om verhardingscurves uit te zetten.
Standaard: ISO 2639 definieert de verhardingsdiepte als de afstand van oppervlak tot substraat bij 550HV1.
Microstructuuranalyse
Normale microstructuren
| Warmtebehandelingsproces | Ideale microstructuur |
|---|---|
| Carbureren en blussen | Fijne naaldvormige martensiet +<10% retained austenite |
| Inductieverharding | Cryptokristallijne martensiet + uniforme overgangszone |
| Afschrikken en temperen | Gehard sorbiet (uniforme carbideverdeling) |
Veelvoorkomende defecten en oorzaken
Overmatige carburatie: netwerkcarbiden op het oppervlak, waardoor de broosheid toeneemt en het risico op afbladderen van het tandoppervlak ontstaat.
Slijpbrand: Temperkleuren komen naar voren door beitsen (ASTM E1257), voorkomen door het regelen van de voedingssnelheid en het gebruik van CBN-slijpschijven.
Uitdovingsscheuren: intergranulaire voortplanting met scherpe uiteinden (bevestigd door SEM).
| Defecte naam | Microscopische kenmerken | Oorzaken en gevolgen |
|---|---|---|
| Widmanstätten-structuur | Aciculair ferriet dringt korrels binnen | Oververhitting leidt tot verminderde taaiheid |
| Gestreepte structuur | Afwisselende lagen ferriet en perliet | Casting-rollende segregatie veroorzaakt anisotropie |
| Oververhitting | Korrelgrensoxidatie of smelten | Een te hoge verwarmingstemperatuur leidt tot totale sloop |