一文了解国内外齿轮的热处理检测设备与仪器

2018-08-28 12:16:35 作者：金荣植来源：热处理生态圈分享至：

齿轮的内在质量主要取决于齿轮材料和热处理。由于热处理为特殊工艺所赋予产品的质量特性往往不能直观其内在质量，属于“内科”范畴。对此，需要通过特殊的设备与仪器（如：各种硬度计或硬度检测仪、金相显微镜、各种力学性能机等）对齿轮热处理生产全过程（从原材料入厂到热处理中间及最终检验）进行检测，以确保齿轮获得优质的热处理质量。现将常用及先进齿轮热处理检测设备与仪器做一较全面的介绍。

常用齿轮热处理检测设备与仪器

（1）原材料检验设备及仪器

主要用于齿轮等零件的成分光谱分析、钢中成分偏析与带状组织、钢中非金属夹杂物检验等。成分光谱分析设备用于成分光谱分析。光谱分析设备包括荧光X射线光谱分析设备、原子发射光谱分析设备和原子吸收光谱分析设备等。表1为成分光谱分析设备分类。

表1 成分光谱分析设备分类

分类方式	仪器名称
荧光X射线分析常用仪器设备	根据能量分辨原理不同，可分为波长色散X射线荧光光谱仪、能量色散X射线荧光光谱仪和非色散光谱仪
原子发射光谱分析常用仪器设备	火焰发射光谱仪、微波等离子体光谱仪、电感耦合等离子体光谱仪、光电光谱仪、色谱仪等

（2）显微组织检验设备

显微组织检验是借助于金相显微镜检验齿轮等零件用钢的内部组织及其缺陷，包括奥氏体晶粒的测定，以及钢中非金属夹杂物、脱碳层深度和钢中化学成分偏析的检验等。还用于齿轮的普通热处理、化学热处理、表面热处理等的金相检验。典型金相显微镜如表2所示。日本奥林巴斯GX51型倒置金相系统显微镜见图1。

表2 典型金相显微镜

产地	显微镜名称
国产	上海光学仪器厂的4XI、4XB、9XB型金相显微镜以及南京江南光电集团的XJL系列、XJG系列等
国外	德国“卡尔·蔡司”ZEISS系列材料显微镜，日本“奥林巴斯”OLYMPUS系列光学显微镜（如IX51、IX71、GX51、GX71型倒置显微镜）等

图1 日本奥林巴斯GX51型倒置金相系统显微镜

大型齿轮进行显微组织无损检测时，可直接在被检测的物品上进行磨抛、浸蚀及金相检测。表3为国内外大型齿轮的金相检验仪器。

表3 国内外大型齿轮的金相检验仪器

产地	显微镜名称
国产	国产的XH-500型现场金相检查装置附有手提式微型电动抛光器，电解抛光（浸蚀）装置及小的磨光砂轮等，使用较为方便
国产	北京万泰的XJB型数字图像现场金相分析仪配置笔记本计算机、数码照相机、图像分析软件，可现场完成金相制样、观察、照相、图像采集、储存和定量分析等工作
国外	美国PTI-5000、2000、1800型现场金相检测仪，自带微型电源，无需交流电源，具有最新打磨工艺，无需砂纸，快速制样，图像动态采集300万像素，静态采集1200万像素。放大倍率100×~1000×

（3）力学性能测试设备

力学性能测试设备主要用于齿轮等零件的硬度试验、静拉伸试验、冲击试验等。

1）硬度试验设备主要有布氏硬度计、洛氏硬度机、维氏硬度计、显微硬度计、肖氏硬度计及里氏硬度计等。它们的应用范围有较大的区别。几种硬度计的适用范围和特性对比如表4所示。

表4 常见硬度计的适用范围和特性

国产齿轮洛氏硬度计（测试齿轮齿面硬度）型号有G6（用于模数2.5~35mm齿轮）、G28（用于模数3~70mm齿轮）等。便携式齿轮硬度计规格参数如表5所示。

表5 便携式齿轮硬度计规格参数

型号

规格

精度

NFF

NFN

NFP

NFR

NFS

NFH

模数m＝2~10mm，最大公法线长度140mm，节圆直径30~40mm

m＝3~35mm，最大公法线长度400mm

m＝3~35mm，最大公法线长度700mm

m＝3~35mm，最大公法线长度1000mm

m＝3~35mm，最大公法线长度1500mm

内齿模数m＞3mm，最大公法线长度80~118mm

±2HRC

N9Y

螺旋齿面，模数m＝3~32mm

注：1）N7N、N7P、N7R、N7S型带特殊装置时，模数m可达35~70mm；

2）可选择HRA、HR15、HR30N、HR45N测试方法。

2）静拉伸试验设备

在齿轮等零件材料力学实验中，最常用的设备是万能材料试验机，它可以进行拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验。表6为静拉伸试验设备。

表6 静拉伸试验设备

设备名称	设备型号
液压式万能材料试验机	国产型号有WE100、WE300、WE600、WE1000型等
电子万能材料试验机	国产WDS100型、CMT5000系列；国外有日本“岛津”AG-X系列等

3）冲击试验设备

冲击试验时，用冲断试样所消耗的功或试样断口形貌特点，经过整理得到规定定义的冲击性能指标。表7为常用冲击试验设备分类与型号。

表7 常用冲击试验设备分类与型号

试验机分类方式	试验机名称与型号
冲击方式	落锤式、摆锤式和回转圆盘式。其中，摆锤式试验机的型号主要有JB300、JB300A和JB300B等
试样受力状态	弯曲冲击、拉伸冲击和扭转冲击等

（4）无损检测设备及仪器

无损检测设备及仪器主要用于齿轮等零件内部缺陷无损检测、表层缺陷无损检测等。

1）内部缺陷无损检测设备及仪器

内部缺陷无损检测用于齿轮等零件的内部缺陷无损检测，可以对畸变、裂纹、应力变化、材料组织缺陷等检测。其主要检测仪器有射线检测机、超声波检测仪、声发射检测仪等。表8为常用无损检测设备及其用途与分类。

表8 常用无损检测设备及其用途与分类

设备名称	用途	分类
X射线检测设备	应用X射线或γ射线透照或透视的方法来检验成品和半成品中的内部宏观缺陷	按其结构形式大致可分为两大类：移动式X射线机和携带式X射线机。移动式型号有XYY-2515、XYT-3010、XYD-4010X等。携带式型号有国产XXQ-2005、2505、3005，XXH（P）-2005、3005，XXG-2505等。国外有日本产RF-200EG-SP型等
超声波检测设备	超声波检测技术主要用于在不破坏金属材料的情况下，常用物理、化学等手段和方法来探测所检测对象内部和表面的各种潜在缺陷	根据其显示可分为A型、B型、C型、准二维显示超声波检测仪和超声透视检测仪等。几种超声波检测仪的型号为：CTS-22、CTS-26，XCTY-11，JTS-5，JTSZ-1，CST-7，TUD210~360等
声发射检测设备及仪器	声发射技术是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测诊断技术。它是通过对声发射信号的处理和分析来评价缺陷的发生和发展规律，并确定缺陷位置	常见类型有单通道声发射检测仪、多通道声发射源定位和分析仪等

2）表层缺陷无损检测设备

无损检测的目的在于检出和测量位于材料和齿轮等零件表面的缺陷或近表面下的隐匿缺陷。常用检测设备有磁力检测设备、渗透检测设备及涡流检测设备等。表9为常用表层缺陷无损检测设备及其组成。

表9 常用表层缺陷无损检测设备及其组成

设备名称	设备组成与分类
磁力检测设备	由主体装置和附属装置组成。主体装置也称磁化装置，磁化装置有多种形式：如降压变压器式、蓄电器充放电式、可控硅控制单脉冲式、电磁铁式和交叉线圈式。目前在固定式磁粉探伤设备中，用得比较多的是降压变压器式，而在携带式小型磁粉检测设备中用得多的是电磁铁式。磁粉探伤机有固定型系列CEW-100、500、2000、4000、6000、9000、12500等，移动式有CY500、1000、2000、3000、5000等
渗透检测设备	一般分为四类：固定式、便携式、自动化及专业化渗透检测装置
涡流检测设备	主要由涡流检验线圈和涡流检测仪等组成

（5）疲劳试验机失效的机器零件约有80%的为疲劳破坏。采用疲劳试验机研究齿轮等零件在交变载荷作用下断裂的能力非常重要。常用齿轮疲劳试验机如表10所示。

表10 常用齿轮疲劳试验机

分类方式	设备组成、技术参数
齿轮接触疲劳试验机	如国产JG-150型机械功率全封闭型试验机，其中心距为150mm，最大加载扭矩为1960N·m，用50号极压工业齿轮油润滑，油温50~60℃。国外如德国STRAMA公司生产的中心距为160mm的标准疲劳试验机
齿轮接触磨损疲劳疲劳试验机	如德国GIM齿轮接触磨损疲劳疲劳试验机主要技术规格：试验台的转速应实现双向无级可调，转速范围：±（0~4500）r/min；试验台的扭矩加载应实现双向无级可调，扭矩范围：±（0~2000）N·m
齿轮双齿脉冲弯曲疲劳试验机	如PW-10型10t高频疲劳试验机，通过双齿对称脉冲加载进行，频率为130~135Hz ，条件疲劳试验极限为3×10⁶
齿轮拉压疲劳试验机	如PLG-300C拉压疲劳试验机，对齿轮进行弯曲疲劳强度试验，通过对齿轮进行脉动加载，直至出现弯曲疲劳失效（加载频率降低）或越出（加载周期≥3×10⁶）
齿轮FZG胶合试验机	如国产CL-100型试验机，用L-AN68机械油润滑。大小两个齿轮进行试验，判定胶合性能的指标：胶合承载级别；胶合温度
变速器（齿轮）的试验台	如英国CD110型变速器试验台，用于测试齿轮箱、差速器和变速驱动桥等。其循环功率400kW，变频器的输入速度高达3000rpm，有一个标准COMPEND 2000计算机控制和数据采集系统提供自动测试控制
驱动桥（齿轮）的疲劳强度试验机	有专用的闭式或开式齿轮试验机两种。如国产QKT7-1型，不需要陪衬齿轮，可进行输入扭矩20000N·m以下的驱动桥齿轮试验

（6）磨损试验机主要用于检测齿轮等零件材料在摩擦力作用下其表面形状、尺寸发生的磨损情况，可了解金属材料的化学成分、组织状态以及力学性能与磨损的关系，为利用热处理尤其是化学热处理、表面涂覆技术等大幅度提高材料的耐磨性提供依据。齿轮磨损试验机有国产MR-C1型、MRC-1型FZG、CL-100型等。

先进的齿轮热处理检测设备与仪器

1、国外用于生产过程控制的先进硬度计

（1）齿轮热处理检验用硬度计

1）布氏硬度计

①国外台式及大型落地式布氏硬度计：采用载荷—深度比较法作为其测试方法，直接数显，如瑞士ERNST公司产品，其示值误差和示值重复性都远优于GB的要求，并具有圆柱面校正等特点。因此，完全可以取代传统的采用光学压痕直接测试方法的布氏硬度计。

②便携式布氏硬度计：国外如瑞士ERNST公司的STE型便携式布氏硬度计替代捶击硬度计，其测量结果可以同台式机相媲美，完全符合GB标准，直接在样品上测试，稳定性好。

2）洛氏硬度计

①台式硬度计：国外如德国洛氏硬度计，一般多安装有钳位罩和压头保护套。

②便携式洛氏硬度计：国外如瑞士ERNST公司的COMPUTEST型便携式洛氏硬度计，采用5kg载荷（符合ISO标准），稳定性好，其测试原理完全符合洛氏硬度标准。

3）维氏硬度计

①台式维氏硬度计：如瑞士ERNST公司生产一种能够直接数显的静载荷维氏硬度机，具有测试速度快，测试任意方向、适应样品全、载荷最小可达200g，压头小，可测试极小沟槽和模数1.5mm的齿轮等特点。

②便携式维氏硬度计：如国外瑞士公司生产这种产品采用电阻的变化来测量压痕深度的方法，通过与标准硬度曲线对比，能够得到在极小压痕的情况下非常稳定、精确的测试结果。

4）里氏硬度计

如瑞士Proceq SA公司的EQUOTIP3型便携式硬度计，测量精度高：±4HLD/0.5%（HLD＝800时）。

（2）淬硬层硬度和深度的测量硬度计

如瑞士ERNST公司开发一种能够直接数显淬硬层深度和表面硬度的900型硬度计。它能够在不破坏样品的情况下，采用电阻法获得淬硬层硬度随深度变化的曲线，从而得到淬硬层深度和表面硬度。

2、国外热处理无损检测设备与仪器

（1）感应淬火硬化层深度无损检测设备与仪器

1）P3121型无损检测仪德国弗劳恩霍夫协会的无损检测研究所（IZFP）生产的P3121型超声波背散射硬化层深度测定仪（见图2）是利用超声波技术，在不损坏被检材料的情况下，测定感应淬火工件的硬化层厚度。

图2 德国P3121型硬化层深度无损测定仪

2）技术参数

①超声脉冲发生器；②超声接收频率：5~30MHz；③4个检测通道；④信号平均处理；⑤通过特制楔块实现声学耦合；⑥传感器/探测器。

3）产品优势

①测量系统可以集成到生产工艺中去，为连续的高质量生产工艺提供保障；②快速得到测量结果，每次测量只需几秒钟，减少停机时间，提高检测效率；③为质量管理信息系统提供监控和淬硬层深度分析功能。

（2）3MAII型多项目无损检测设备

1）设备。如微磁测量技术—3MAII型测量仪。可用于测量铁磁材料的零部件多项目的无损检测。可以做到无接触、全自动并且可以集成在生产线上。检测速度快，能够做到100%产品检验。

2）用途。可以无损测定的目标数据如下：①硬度，硬化剖面，硬化层厚度（Rht、Eht、Nht）。②拉伸试验的力学性质（Rm、Rp、ReL、ReU、A等）。③表面和内部残留应力。④残留奥氏体含量，晶粒大小。

3、渗碳层深度无损测量仪

以往采用宏观断口法、显微组织法和等温淬火法检测齿轮等零件（试样）表面渗层深度，但这些方法都是破坏性，且检测速度慢，无法实现100%检测。对此，可采用先进的无损测量仪。

德国弗劳恩霍夫协会的无损检测技术研究所生产的3MAⅡA型渗碳层深度无损测量仪（见图3）是最新研发的一种测定表面层性能的无损测量仪。该渗碳层深度无损测量仪可实现测量过程全自动，并将检测设备集成到生产工艺中，具有测量速度快，可以对产品进行100%检验的优点。3MAⅡA型渗碳层深度无损测量仪对边缘层0~8mm厚度的齿轮等零件多个相关质量指标进行快速同步评估。同时可以综合分析不同微结构状态和应力敏感检测值的大小。该方法采用提前校正，根据大量回归分析和渐近函数，确定产品质量指标（目标值）。