Metalografické zkoumání ozubených kol: Zásady, metody a klíčové znalosti

Time : 2025-11-13

Ozubená kola jsou základními komponenty mechanického převodu a jejich materiálové vlastnosti a kvalita tepelného zpracování přímo ovlivňují životnost a spolehlivost. Metalografické zkoušení, které využívá mikroskopickou analýzu materiálu ozubených kol, hodnotí klíčové ukazatele, jako jsou proces tepelného zpracování, hloubka povrchové kalení a velikost zrna, a slouží jako důležitá metoda kontroly kvality.

Hlavní cíle a zkoušené parametry

Primárním cílem metalografického zkoušení ozubených kol je zajištění výkonu výrobku posouzením kritických parametrů:

Hloubka povrchového kalení: Klíčový ukazatel odolnosti proti opotřebení u cementovaných/kalených ozubených kol (v souladu se standardem ISO 6336).
Velikost zrna: Ovlivňuje pevnost a houževnatost ozubeného kola (hodnoceno podle ASTM E112).
Mikrostruktura: Morfologie martenzitu, zachovaného austenitu a karbidů určuje únavové vlastnosti.
Povrchové vady: Detekce přehřátí při broušení a trhlin (v souladu se standardem AIAG CQI-9).

Základní mikrostrukturní složky

Ferit (α): Prostorově centrovaná kubická struktura (BCC), měkký a houževnatý s nízkou tvrdostí (~80 HV), běžný v nízkouhlíkové oceli a čistém železu.
Austenit (γ): Plošně centrovaná kubická struktura (FCC), vysoká plastita a nemagnetický, přítomen při vysoké teplotě nebo v oceli s vysokým obsahem slitin, jako je nerezová ocel 304 a ocel s vysokým obsahem manganu.
Cementit (Fe₃C): Ortorombický krystalový systém, tvrdý a křehký (~800 HV), zvyšuje odolnost proti opotřebení, nachází se v bílé litině a vysokouhlíkové oceli.
Martenzit: Prostorově centrovaná tetragonální struktura (BCT), vysoká tvrdost (500–1000 HV), získaná kalením, používá se v kalené oceli a nástrojové oceli.

Běžné morfologie mikrostruktury

Typ mikrostruktury	Podmínky vzniku	Výkonnostní vlastnosti	Typické aplikace
Perlit	Pomalé chlazení (eutektoidní transformace)	Vyvážená pevnost a houževnatost	Ocel pro kolejnice, kalení a popouštění ozubených kol
Bainit	Izotermické kalení střední teploty	Vyšší pevnost a houževnatost než u perlitu	Pruty, vysokopevnostní šrouby
Sorbit	Popuštěný martenzit (500–650 °C)	Vynikající komplexní vlastnosti	Hřídele, ojnice

Zkušební postup a standardní metody

Vzorkování a příprava vzorků

Polohy pro odběr vzorků: Vrchol zubu (vyhodnocení povrchové kalení), patní část zubu (analýza mikrostruktury v oblastech koncentrace napětí), příčný řez (měření gradientu povrchového kalení).
Klíčové kroky přípravy: Řezání → Fixace → Broušení → Leštění → Vyleptání → Mikroskopické pozorování.
Fixace: Pro ochranu okrajů použijte epoxidovou pryskyřici (doporučuje se studená fixace, aby se předešlo tepelnému namáhání).
Leštění: Proveďte leštění na zrcadlový povrch s drsností 0,05 μm pomocí diamantové leštící pasty, aby nedošlo k rušivým vrypům.

Výběr leptadla

Typ materiálu	Doporučené leptadlo	Účinky
Cementovaná ocel	4% Nital (kyselina dusičná v lihu)	Jasně zobrazuje martenzit/austenit
Nitridovaná ocel	Kyselina pikrová + detergent	Zviditelní nitridovou vrstvu (např. γ'-Fe₄N)
Ozubená kola z nerezové oceli	Elektrochemické leptání kyselinou šťavelovou (10 V, 20 s)	Odlišuje σ fázi a karbidy

Klíčové zkušební zařízení

Optický mikroskop (OM)

Použití: Základní pozorování mikrostruktury (např. třídění velikosti zrn).
Požadavky na konfiguraci: Zvětšení 500× až 1000×, vybaveno softwarem pro analýzu obrazu (např. Olympus Stream).

Skenovací elektronový mikroskop (SEM)

Výhody: Pozorování nekovových vměstků (např. MnS) s vysokým rozlišením a analýza složení pomocí EDS.
Příklad případu: Mezizrnné trhliny způsobené segregací síry detekované při analýze lomu převodovky pro větrné elektrárny.

Zkouška mikrotvrdosti

Metoda: Gradientní zkouška Vickersovy tvrdosti (HV0,3 až HV1) pro sestrojení křivek povrchové kalení.
Norma: ISO 2639 definuje hloubku povrchového kalení jako vzdálenost od povrchu k podkladu při 550HV1.

Analýza mikrostruktury

Normální mikrostruktury

Proces tepelného zpracování	Ideální mikrostruktura
Cementace a kalení	Jemná jehlicovitá martenzitická struktura + méně než 10 % zachovalého austenitu
Indukční kalení	Kryptokrystalický martenzit + rovnoměrná přechodová zóna
Tavení a zinkerování	Popuštěný sorbit (rovnoměrné rozložení karbidů)

Běžné vady a jejich příčiny

Nadměrné cementování: Síťovité karbidy na povrchu, zvyšující křehkost a riziko odlupování povrchu zubu.
Přehřátí během broušení: Barvy popuštění odhalené leptáním (ASTM E1257), lze předcházet kontrolou posuvu a použitím CBN brousicích kotoučů.
Zrací trhliny: Mezizrnná propagace s ostrými konci (potvrzeno SEM).

Název vady	Mikroskopické charakteristiky	Příčiny a dopady
Widmanstättenova struktura	Jehlovitý ferit pronikající zrna	Přehřátí vede ke snížení houževnatosti
Pruhová struktura	Střídavé vrstvy feritu a perlitu	Segregace při lití a válcování způsobuje anizotropii
Přehřátí	Oxidace nebo tavení na hranicích zrn	Nadměrně vysoká teplota ohřevu má za následek úplné vyřazení

Předchozí : Krátký úvod do modifikace profilu ozubení

Další: Obrábění ozubených kol s vysokou přesností: technologie broušení hran

Všechny kategorie

Novinky