淬火齿轮无损检测:热透深度、表面硬化层深度和芯部硬度
感应淬火齿轮在使用过程中损坏的频率较高,特别是采煤机摇臂二轴齿轮、模数为8-10的太阳轮等表面淬火齿轮。这些齿轮经常会遭受点蚀、剥落和断齿等形式的损坏。
经过分析,我们发现轮齿节圆以下没有硬化层,齿心和齿根没有淬火,也就是说表面淬火时的热渗透深度没有到达这些区域。
虽然理论上我们可以通过调节感应加热设备的电气参数来控制硬化层的深度,但由于影响深度的因素多种多样,在实践中很难实现精确控制。
目前硬化过程的质量控制依赖于随机检查和损伤测试,这既耗时又昂贵。鉴于我们公司专注于生产多种小批量产品,我们需要找到更高效的测试方法。
无损检测具有无损、检测率高、效率高、成本低等优点。
为了测试模数6、8、9、10齿轮的热透深度和有效硬化层深度,我们使用了我公司生产的第二代多通道硬化层深度无损测量系统QNET型设备。 IZFP、无损检测研究所和德国弗劳恩霍夫研究所。使用物理和化学解剖学进行正交试验和比较试验。
2 试验的理论基础
感应淬火齿轮的热处理工艺为:渗碳→调质→表面淬火。
所使用的齿轮材料通常为18Cr2Ni4WA或20Cr2Ni4A,这是一种细晶粒钢。感应淬火后,感应加热层发生再结晶。
快速感应加热过程导致表面结构更细、更小、更致密,这使得普通超声波(1-5 MHz)难以穿透感应层。
此外,齿轮在感应淬火期间会经历渗碳。渗透层中的细粒碳化物通过将晶粒固定在渗透层表面来帮助稳定结构,使它们变得更细。然而,致密的表面硬化层和热穿透深度对于20 MHz超声波是透明的。
当20 MHz超声波到达硬化层与热穿透深度之间的界面时,会出现后向散射回波,如图1和图2所示。
图1 超声波反向散射检测方法
表面淬火齿轮的热透深度和淬硬层深度可通过以下公式求得。
R ht=(vtcos β)/二
在哪里,
- R ht—— 硬化层或热透深度(mm);
- V——被测材料中的声速(mm/s);
- t——声波从工件表面到达界面的时间(s);
- β——硬化层超声波折射角(°)。
目前生产中使用的轮齿材料18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A均为马氏体钢。
数据和测量表明,对于模数为10以下的轮齿,只要将轮齿加热到奥氏体温度范围,然后空冷,其心部硬度至少为36.0HRC。
因此,感应淬火齿轮的热透深度可以到达轮齿心部,保证心部硬度满足技术要求。
3、检测方案
鉴于表面淬火齿轮样品的现状,我们制定了以下检验计划:
(1)采用德国进口高分辨率感应淬火层厚检测仪。
(2) 选择并建立适当的下限值和上限值(LN 和 UN)。
(3)切削模数为6、8、9、10四种表面淬火、渗碳齿轮的技术要求见表1。
表1 试验齿轮试样淬火技术要求
齿轮数: | 模数 | 材质质感 | 齿面侵入深度/mm | 齿芯硬度(HRC) | 基体硬度(HRC) |
1 | 6 | 18Cr2Ni4WA | 1.0-1.4 | 36.0-42.0 | 27.0~32.0 |
2 | 8 | 20Cr2Ni4A | 1.2-1.6 | 36.0-42.0 | 27.0~32.0 |
3 | 9 | 18Cr2Ni4WA | 2.0~2.6 | 38.0~44.0 | 27.0~32.0 |
4 | 10 | 18Cr2Ni4WA | 2.0~2.6 | 38.0~44.0 | 27.0~32.0 |
(4) 选择高频(20 MHz)斜探头和直探头分别检测齿面和齿顶。
(5)分别通过显微硬度测试和金相宏观分析确定齿轮试样的有效硬化层深度和热透深度。
(6)通过将NDT方法与常规显微分析和金相技术进行比较,评估NDT数据的准确性和可靠性。
4 测试结果与分析
Fraunhofer IZFP公司的多通道无损测量系统P3213QNET用于测试五种不同的齿轮类型。在齿顶、齿面、齿根分别采用窄筛楔块对齿顶、齿面、齿根进行无损检测和理化检测。
结果如表2所示。
表2 两种方法测试结果对比
齿轮数: | 1 | 2 | 3 | 4 | |
模数 | 6 | 8 | 9 | 10 | |
齿顶至齿中心距离/mm | 13.5 | 17.8 | 17.1 | 22 | |
无损检测结果 | 齿面有效硬化层节圆/mm | 2.2 | 2.46 | 3.26 | 2.12 |
热透深度/mm | 9.44 | 14.88 | 12.62 | 9.96 | |
齿芯硬度(HRC) | 36.0~44.0 | 27.0~32.0 | 27.0~32.0 | 27.0~32.0 | |
理化测试结果 | 齿面有效硬化层节圆/mm | 1.53 | 2.55 | 3.05 | 1.77 |
热透深度/mm | 92 | 152 | 122 | 92 | |
齿芯硬度(HRC) | 7.0~29.0 | 7.0~28.0 | 7.0~29.0 | 7.0~29.0 |
根据测试结果,可以得出以下结论:
(1)热穿透深度检测的无损检测和解剖分析方法所得的值是一致的。
(2)牙心硬度间接无损检测结果与解剖分析结果一致。
(3)对于有效的硬化层深度检测:
① 当探头到达轮齿节圆时(m=8、m=9),无损检测所得值与解剖分析值一致。
② 当测头无法到达节圆时,数据偏差较大。
(4)通过无损检测与理化检测的比较,可以采用无损检测方法测定热透深度、表面硬化层深度、表面硬化齿轮心部硬度。
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