NDT para engrenagens temperadas: Profundidade de penetração de calor, profundidade da camada de endurecimento da superfície e dureza do núcleo

1. Visão geral

A frequência de danos nas engrenagens endurecidas por indução durante a utilização é elevada, particularmente nas engrenagens endurecidas à superfície, tais como a segunda engrenagem do eixo de um balancim de tosquia e as engrenagens solares com um módulo de 8-10. Estas engrenagens sofrem frequentemente danos sob a forma de corrosão, descamação e quebra de dentes.

Após a análise, verificámos que não existe uma camada endurecida abaixo do círculo de passo dos dentes da engrenagem e que o centro e a raiz do dente não são temperados, o que significa que a profundidade de penetração do calor durante a têmpera superficial não atinge estas áreas.

Embora teoricamente possamos controlar a profundidade da camada endurecida ajustando os parâmetros eléctricos do equipamento de aquecimento por indução, é difícil conseguir um controlo preciso na prática devido a vários factores que podem afetar a profundidade.

O atual controlo de qualidade do processo de endurecimento baseia-se em inspecções aleatórias e testes de danos, que são demorados e dispendiosos. Dado que a nossa empresa se concentra na produção de uma variedade de pequenos lotes de produtos, temos de encontrar métodos de ensaio mais eficientes.

Ensaios não destrutivos tem as vantagens de não ser destrutivo, de ter uma elevada taxa de ensaio, de ser altamente eficiente e de ser económico.

Para testar a profundidade de penetração do calor e a profundidade efectiva da camada endurecida das engrenagens com os módulos 6, 8, 9 e 10, utilizamos o equipamento do tipo QNET, um sistema de medição não destrutivo multicanal de segunda geração para a profundidade da camada endurecida, fabricado pelo IZFP, Instituto de Ensaios Não Destrutivos, e pelo Instituto Fraunhofer na Alemanha. São efectuados testes ortogonais e testes de comparação utilizando anatomia física e química.

2. Base teórica do teste

O processo de tratamento térmico da engrenagem de endurecimento por indução é: cementação → têmpera e revenimento → endurecimento da superfície.

O material da engrenagem O aço utilizado é normalmente o 18Cr2Ni4WA ou o 20Cr2Ni4A, que é um tipo de aço de grão fino. Após o endurecimento por indução, a camada de aquecimento por indução sofre uma recristalização.

O rápido processo de aquecimento por indução resulta numa estrutura mais fina, mais pequena e mais densa na superfície, o que dificulta a penetração das ondas ultra-sónicas normais (1-5 MHz) na camada de indução.

Além disso, a engrenagem sofre carburação durante o endurecimento por indução. Os carbonetos de grão fino na camada infiltrada ajudam a estabilizar a estrutura, fixando os grãos na superfície da camada infiltrada, tornando-os ainda mais finos. No entanto, a densa endurecimento de superfícies e a profundidade de penetração do calor são transparentes às ondas ultra-sónicas de 20 MHz.

Quando a onda ultra-sónica de 20 MHz atinge a interface entre a camada endurecida e a profundidade de penetração do calor, ocorrem ecos retrodifundidos, como se mostra na Fig. 1 e na Fig. 2.

Fig. 1 Método de deteção de retrodifusão ultra-sónica

Fig. 2 eco de retrodifusão ultra-sónica

A profundidade de penetração do calor e a profundidade da camada endurecida da engrenagem endurecida à superfície podem ser obtidas através da seguinte fórmula

R_ht＝（vtcos β）/ dois

Onde,

• R_ht - camada endurecida ou profundidade de penetração do calor (mm);
• V - velocidade do som no material ensaiado (mm / s);
• t - tempo (s) da onda acústica desde a superfície da peça de trabalho até à interface;
• β - Ângulo de refração ultra-sónica da camada endurecida (°).

Atualmente, os materiais dos dentes de engrenagem 18Cr2Ni4WA e 20Cr2Ni4A utilizados na produção são aços martensíticos.

Dados e medições indicam que, para dentes de engrenagens com um módulo de 10 ou menos, desde que os dentes de engrenagens sejam aquecidos até à gama de temperaturas austeníticas e depois arrefecidos ao ar, a dureza do núcleo será de pelo menos 36,0 HRC.

Por conseguinte, a profundidade de penetração do calor das engrenagens endurecidas por indução pode atingir o núcleo dos dentes da engrenagem, garantindo que a dureza do núcleo cumpre os requisitos técnicos.

3. Esquema de deteção

Dada a situação atual da amostra de engrenagem temperada à superfície, desenvolvemos o seguinte plano de inspeção:

(1) Utilizar um detetor de espessura da camada de endurecimento por indução de alta resolução importado da Alemanha.

(2) Selecionar e estabelecer valores-limite inferiores e superiores adequados (LN e UN).

(3) Consultar o quadro 1 para os requisitos técnicos de quatro tipos de engrenagens cementadas e endurecidas à superfície com módulos de corte de 6, 8, 9 e 10.

Quadro 1 Requisitos técnicos de têmpera para amostras de engrenagens de ensaio

(4) Escolher uma sonda angular de alta frequência (20 MHz) e uma sonda reta para detetar a superfície e o topo do dente, respetivamente.

(5) A profundidade da camada endurecida efectiva e a profundidade de penetração do calor nas amostras de engrenagens foram determinadas através de ensaios de microdureza e análise macro metalográfica, respetivamente.

(6) A exatidão e a fiabilidade dos dados do NDT foram avaliadas através da comparação do método NDT com as técnicas convencionais de microanálise e metalografia.

4. Resultados e análise dos ensaios

O sistema de medição não destrutiva multi-canal da empresa Fraunhofer IZFP, P3213QNET, foi utilizado para testar cinco tipos diferentes de engrenagens. Os ensaios não destrutivos e os ensaios físicos e químicos foram realizados no topo do dente, na superfície do dente e na raiz do dente, utilizando blocos de cunha de tela estreita no topo do dente, no plano do dente e na raiz do dente, respetivamente.

Os resultados são apresentados no Quadro 2.

Quadro 2 Comparação dos resultados dos ensaios efectuados por dois métodos

De acordo com os resultados dos testes, podem ser tiradas as seguintes conclusões:

(1) Os valores obtidos através de ensaios não destrutivos e de métodos de análise anatómica para a deteção da profundidade de penetração térmica são concordantes.

(2) Os resultados dos ensaios indirectos não destrutivos da dureza do centro do dente são consistentes com os obtidos através da análise anatómica.

(3) Para uma deteção eficaz da profundidade da camada endurecida:

① Quando a sonda consegue alcançar o círculo de passo dos dentes da engrenagem (m = 8, m = 9), os valores obtidos nos ensaios não destrutivos estão de acordo com os da análise anatómica.

② Quando a sonda não consegue alcançar o círculo de inclinação, o desvio de dados é significativo.

(4) Através de uma comparação entre os ensaios não destrutivos e os ensaios físicos e químicos, o método de ensaio não destrutivo pode ser utilizado para determinar a profundidade de penetração do calor, a profundidade da camada endurecida à superfície e a dureza do núcleo da engrenagem endurecida à superfície.