焼入れ歯車の非破壊検査：熱貫入深さ、表面硬化層深さ、コア硬さ

1.概要

高周波焼入れ歯車は、使用中に損傷する頻度が高く、特に剪断ロッカアームの第2軸歯車や弾性率8～10のサンギヤのような表面焼入れ歯車に多い。これらの歯車は、ピッティング、剥離、歯折れなどの損傷を受けることが多い。

解析の結果、歯車の歯のピッチ円より下には硬化層がなく、歯中心部や歯底部は焼入れされていない、つまり表面焼入れ時の熱の侵入深さがこれらの部分に達していないことがわかりました。

理論的には誘導加熱装置の電気的パラメータを調整することで硬化層の深さを制御することができるが、深さに影響を与えるさまざまな要因があるため、実際には正確な制御を行うことは難しい。

現在の焼き入れ工程の品質管理は、抜き取り検査や損傷検査に頼っており、時間もコストもかかっています。少量多品種生産に重点を置く当社では、より効率的な検査方法を見つける必要があります。

非破壊検査 は、非破壊であること、検査比率が高いこと、効率が高いこと、費用対効果が高いことなどの利点がある。

モジュール6,8,9,10を装着した歯車の熱貫入深さと有効硬化層深さを試験するために、ドイツのIZFP非破壊検査研究所とフラウンホーファー研究所が製造した第2世代の硬化層深さマルチチャンネル非破壊測定システムQNET型装置を使用します。物理的・化学的解剖学的手法による直交試験と比較試験が実施される。

2.テストの理論的基礎

高周波焼入れギヤの熱処理工程は、浸炭→浸炭 焼き入れと焼き戻し → 表面硬化。

について 歯車材料 使用されるのは、一般的に18Cr2Ni4WAまたは20Cr2Ni4Aで、細粒鋼の一種である。高周波焼入れ後、誘導加熱層は再結晶を起こす。

高速誘導加熱プロセスにより、表面はより微細で小さく高密度な構造となり、通常の超音波（1～5MHz）は誘導層を透過しにくくなる。

さらに、ギアは高周波焼入れ中に浸炭を受けます。浸潤層中の微細な粒状炭化物は、浸潤層表面の結晶粒を固定し、さらに微細にすることで、組織を安定させるのに役立ちます。しかし、緻密な 表面硬化 層と熱浸透深さは20MHzの超音波に対して透明である。

20MHzの超音波が硬化層と熱浸透深さの界面に到達すると、図1と図2に示すように後方散乱エコーが発生する。

図1 超音波後方散乱検出法

図2 超音波後方散乱エコー

表面硬化ギヤの熱貫入深さと硬化層深さは、次式で求めることができる。

R_ht＝（vtcos β）/ two

どこでだ、

• R_ht - 硬化層または熱浸透深さ（mm）；
• V - 被検査材中の音速（mm / s）；
• t - ワーク表面から界面までの音響波の時間（秒）；
• β-硬化層の超音波屈折角（°）。

現在、生産に使用されている歯車の歯の材料18Cr2Ni4WAと20Cr2Ni4Aは、次のとおりです。 マルテンサイト鋼.

データと測定によると、モジュラスが10以下のギヤ歯では、ギヤ歯がオーステナイト温度域まで加熱され、その後空冷される限り、コア硬度は少なくとも36.0HRCになる。

従って、高周波焼入れ歯車の熱浸透深さは、歯車の歯の芯まで達することができ、芯の硬さが技術要件を満たすことを保証します。

3.検出スキーム

表面焼入れギアサンプルの現状を踏まえ、以下の検査計画を策定した：

(1) ドイツから輸入した高分解能の高周波焼入れ層厚検出器を使用する。

(2) 適切な下限値と上限値（LNとUN）を選択し、設定する。

(3) 切削モジュール 6、8、9、10 の 4 種類の表面硬化浸炭歯車の技術要件は表 1 を参照。

表1 試験歯車サンプルの焼入れ技術要件

(4) 高周波（20MHz）アングルプローブとストレートプローブを選択し、それぞれ歯牙表面と歯牙上面を検出する。

(5) 歯車試料の有効硬化層の深さおよび熱貫入深さは、それぞれ微小硬さ試験および金属組織マクロ分析によって求めた。

(6) NDTデータの精度と信頼性は、NDT法を従来の微量分析法および金属組織検査法と比較することで評価した。

4.試験結果と分析

フラウンホーファーIZFP社のマルチチャンネル非破壊測定システムP3213QNETを使用して、5種類の歯車を試験しました。非破壊検査および物理的・化学的検査は、それぞれ歯頂部、歯面、歯根部でナロースクリーンウェッジブロックを用いて実施しました。

結果を表2に示す。

表2 2つの方法の試験結果の比較

テスト結果によれば、以下の結論が導き出される：

(1)非破壊検査と解剖学的分析法による熱貫入深さ検出の値は一致している。

(2)歯の中心硬度の間接的な非破壊検査の結果は、解剖学的分析によって得られた結果と一致している。

(3) 効果的な硬化層の深さ検出のために：

プローブが歯車の歯のピッチ円（m＝8、m＝9）に届く場合、非破壊検査で得られた値は解剖学的分析で得られた値と一致する。

プローブがピッチサークルに届かない場合、データの偏差が大きくなります。

(4)非破壊検査と物理的・化学的検査の比較により、非破壊検査法を用いて、熱貫入深さ、表面硬化層深さ、表面硬化ギアコア硬度を測定することができる。