Hammaspyörien metallografinen tutkiminen: periaatteet, menetelmät ja keskeinen tieto

Time : 2025-11-13

Vaihdelaakerit ovat keskeisiä osia mekaanisessa voimansiirrossa, ja niiden materiaaliominaisuudet sekä lämpökäsittelyn laatu vaikuttavat suoraan käyttöikään ja luotettavuuteen. Metallografinen tarkastus arvioi vaihdelaakerien materiaalien mikroskooppisen rakenteen avulla tärkeitä indikaattoreita, kuten lämpökäsittelyprosessia, saumoituksen syvyyttä ja rakeen kokoa, ja toimii näin olennaisena laadunvalvontamenetelmänä.

Ydinmääritelmät ja tarkastuskohteet

Vaihdelaakerin metallografisen tarkastuksen ensisijainen tavoite on taata tuotteen suorituskyky arvioimalla keskeisiä parametreja:

Saumoituksen syvyys: Tärkeä indikaattori hiiltymisellä/sammutuksella valmistettujen vaihdelaakerien kulumiskestävyydelle (kuten ISO 6336 -standardi edellyttää).
Rakeen koko: Vaikuttaa vaihdelaakerin lujuuteen ja sitkeyteen (luokitellaan ASTM E112 -standardin mukaan).
Mikrorakenne: Martensiitin, jäljelle jäävän austeniitin ja karbidien muodot määräävät väsymisominaisuudet.
Pintaviat: Paljastaa hionnan aiheuttamat palamiset ja halkeamat (AIAG CQI-9 -standardin mukaisesti).

Perusmikrorakenteelliset aineosat

Ferriitti (α): Tilakeskeinen kuutiollinen rakenne, pehmeä ja sitkeä matalalla kovuudella (~80HV), yleinen hiilessä köyhissä teräksissä ja puhdasrautaa.
Austeniitti (γ): Pintakeskeinen kuutiollinen rakenne, korkea plastisuus ja ei-magneettinen, esiintyy korkeassa lämpötilassa tai korkeissa seosteissa olevissa teräksissä kuten 304 ruostumattomassa teräksessä ja korkean mangaanin teräksessä.
Sementiitti (Fe₃C): Ortoryombinen kiteinen rakenne, kova ja hauras (~800HV) ja parantaa kulumisvastusta, esiintyy valkoisessa valuraudassa ja hiilellisissä teräksissä.
Martaani: Tilakeskeinen tetragoninen (BCT) rakenne, korkea kovuus (500–1000HV), saadaan jäähdytyksellä, käytetään jäähdytetyissä teräksissä ja työkaluissa.

Yleiset mikrorakenteen muodot

Mikrorakennetyyppi	Muodostumisehdot	Toimintamerkit	Tyypilliset sovellukset
Pearlyti	Hidas jäähtyminen (epitektoidimuunnos)	Tasapainoinen lujuus ja sitkeys	Rautatie-teräs, hammaspyörän karkaisu ja lepoilma
Bainiitti	Keskilämpötilainen isoterminen karkaisu	Korkeampi lujuus ja sitkeys kuin perliiti	Jouse, korkealujuiset ruuvit
Sorbiitti	Lepoitettu martensiitti (500~650℃)	Erinomaiset yhdistelmäominaisuudet	Akselit, sauvarakenteet

Testausprosessi ja standardoidut menetelmät

Näytteenotto ja näytteenvalmistus

Näytteenottokohdat: Hammaspää (arvioi pintakovetuksen vaikutusta), hampaiden juuri (analysoi mikrorakennetta jännityskeskittymän alueilla), poikkileikkaus (mittaa kovetussyvyyden gradienttia).
Tärkeimmät valmistusvaiheet: Leikkaus → Upotus → Hionta → Kiillotus → Syövytys → Mikroskooppitarkastus.
Upotus: Käytä epoksiharttaa reunojen suojaukseen (suositellaan kylmäupotusta, jotta vältetään lämpövaikutukset).
Kiillotus: Kiillota 0,05 μm:n peiliksi kiillotettu pinta käyttäen timanttikiillotustahnaa estääksesi naarmujen aiheuttaman häiriön.

Syövytteen valinta

Materiaalilaji	Suositeltu syövytysaine	Vaikutukset
Hiiliteräs	4 % Nital (typpihappo-alkoholi)	Näyttää selvästi martensiitin/auseniitin
Nitridoitu teräs	Pikriinihappo + pesuaine	Korostaa nitridikerrosta (esim. γ'-Fe₄N)
Rustonkestävät teräkset hammaspyörät	Oksaalihapon elektrolyyttinen ruiskutus (10 V, 20 s)	Eroittaa σ-vaiheen ja karbidit

Tärkeimmät testilaitteet

Optinen mikroskooppi (OM)

Käyttötarkoitus: Perusmikrorakenteen tarkastelu (esim. raekoon luokitus).
Konfiguraatiovaatimukset: 500×–1000× suurennus, varustettu kuvanalyysiohjelmistolla (esim. Olympus Stream).

Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM)

Edut: Korkearesoluutioinen havainnointi epämetallisten inklusioiden (esim. MnS) suhteen ja koostumuksen analysointi EDS:n avulla.
Esimerkkitapaus: Rikin segregaation aiheuttamat rakeiden väliin muodostuneet halkeamat havaittiin tuulivoiman vaihdelaatikon murtuman analyysissä.

Mikrokovuustesti

Menetelmä: Vickers-kovuuden (HV0,3–HV1) gradienttitesti, jolla piirretään kovennussyvyyden käyrät.
Standardi: ISO 2639 määrittelee kovennetun kerroksen syvyyden etäisyytenä pinnasta alustaosaan 550HV1-kovuuspisteeseen.

Rakennetutkimus

Normaalit mikrorakenteet

Lämpökuormitusprosessi	Ihanteellinen mikrorakenne
Karburointi ja jäähdytys	Hienoa neulamaisia martensiitteja + <10 % jäljelle jäänyttä austeniittia
Induktioskovennus	Kryptokristallinen martensiitti + yhtenäinen siirtymävyöhyke
Härkäys ja temperointi	Sulatettu sorpiitti (tasainen karbidijakauma)

Yleiset viat ja niiden syyt

Liiallinen hiiletyminen: Verkkomaiset karbidit pinnalla, lisäämässä haurautta ja hammaspinnan irtoamisriskiä.
Hionnan aiheuttama lämpövaurio: Puhdistuksessa ilmenevät sävyt (ASTM E1257), estetään säätämällä syöttönopeutta ja käyttämällä CBN-hiomapyöriä.
Laitostauraumat: Rajakiteisiä, teräviä päitä olevia halkeamia (vahvistetaan SEM:llä).

Vian nimi	Mikroskooppiset ominaisuudet	Syyt ja vaikutukset
Widmanstätten-rakenne	Neulamaisen ferritin tunkeutuminen rakeisiin	Ylikuumeneminen johtaa sitkeyden alenemiseen
Kaistarakenteet	Vaihtelevat kerrokset ferritiä ja perliittiä	Valssausvalun segragoituminen aiheuttaa anisotropian
Ylikuumeneminen	Rakeenrajan hapettuminen tai sulaminen	Liiallisen korkea lämpötila johtaa täydelliseen hylkäämiseen

Edellinen: Lyhyt johdatus hammaspyörän profiilin muokkaukseen

Seuraava: Tarkkuushionnattaminen: viistoleikkaustekniikka

Kaikki kategoriat

Uutiset