齒輪的內在質量主要取決于齒輪材料和熱處理。由于熱處理為特殊工藝所賦予產品的質量特性往往不能直觀其內在質量，屬于“內科”范疇。對此，需要通過特殊的設備與儀器（如：各種硬度計或硬度檢測儀、金相顯微鏡、各種力學性能機等）對齒輪熱處理生產全過程（從原材料入廠到熱處理中間及最終檢驗）進行檢測，以確保齒輪獲得優質的熱處理質量。現將常用及先進齒輪熱處理檢測設備與儀器做一較全面的介紹。
常用齒輪熱處理檢測設備與儀器
（1）原材料檢驗設備及儀器
主要用于齒輪等零件的成分光譜分析、鋼中成分偏析與帶狀組織、鋼中非金屬夾雜物檢驗等。成分光譜分析設備用于成分光譜分析。光譜分析設備包括熒光X射線光譜分析設備、原子發射光譜分析設備和原子吸收光譜分析設備等。表1為成分光譜分析設備分類。
表1 成分光譜分析設備分類
分類方式 | 儀器名稱 |
熒光X射線分析常用儀器設備 | 根據能量分辨原理不同，可分為波長色散X射線熒光光譜儀、能量色散X射線熒光光譜儀和非色散光譜儀 |
原子發射光譜分析常用儀器設備 | 火焰發射光譜儀、微波等離子體光譜儀、電感耦合等離子體光譜儀、光電光譜儀、色譜儀等 |
（2）顯微組織檢驗設備
顯微組織檢驗是借助于金相顯微鏡檢驗齒輪等零件用鋼的內部組織及其缺陷，包括奧氏體晶粒的測定，以及鋼中非金屬夾雜物、脫碳層深度和鋼中化學成分偏析的檢驗等。還用于齒輪的普通熱處理、化學熱處理、表面熱處理等的金相檢驗。典型金相顯微鏡如表2所示。日本奧林巴斯GX51型倒置金相系統顯微鏡見圖1。
表2 典型金相顯微鏡
產地 | 顯微鏡名稱 |
國產 | 上海光學儀器廠的4XI、4XB、9XB型金相顯微鏡以及南京江南光電集團的XJL系列、XJG系列等 |
國外 | 德國“卡爾·蔡司”ZEISS系列材料顯微鏡，日本“奧林巴斯”OLYMPUS系列光學顯微鏡（如IX51、IX71、GX51、GX71型倒置顯微鏡）等 |
圖1 日本奧林巴斯GX51型倒置金相系統顯微鏡
大型齒輪進行顯微組織無損檢測時，可直接在被檢測的物品上進行磨拋、浸蝕及金相檢測。表3為國內外大型齒輪的金相檢驗儀器。
表3 國內外大型齒輪的金相檢驗儀器
產地 | 顯微鏡名稱 |
國產 | 國產的XH-500型現場金相檢查裝置附有手提式微型電動拋光器，電解拋光（浸蝕）裝置及小的磨光砂輪等，使用較為方便 |
北京萬泰的XJB型數字圖像現場金相分析儀配置筆記本計算機、數碼照相機、圖像分析軟件，可現場完成金相制樣、觀察、照相、圖像采集、儲存和定量分析等工作 | |
國外 | 美國PTI-5000、2000、1800型現場金相檢測儀，自帶微型電源，無需交流電源，具有最新打磨工藝，無需砂紙，快速制樣，圖像動態采集300萬像素，靜態采集1200萬像素。放大倍率100×~1000× |
（3）力學性能測試設備
力學性能測試設備主要用于齒輪等零件的硬度試驗、靜拉伸試驗、沖擊試驗等。
1）硬度試驗設備
主要有布氏硬度計、洛氏硬度機、維氏硬度計、顯微硬度計、肖氏硬度計及里氏硬度計等。它們的應用范圍有較大的區別。幾種硬度計的適用范圍和特性對比如表4所示。
表4 常見硬度計的適用范圍和特性
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國產齒輪洛氏硬度計（測試齒輪齒面硬度）型號有G6（用于模數2.5~35mm齒輪）、G28（用于模數3~70mm齒輪）等。便攜式齒輪硬度計規格參數如表5所示。
表5 便攜式齒輪硬度計規格參數
型號 | 規格 | 精度 |
NFF NFN NFP NFR NFS NFH | 模數m＝2~10mm，最大公法線長度140mm，節圓直徑30~40mm m＝3~35mm，最大公法線長度400mm m＝3~35mm，最大公法線長度700mm m＝3~35mm，最大公法線長度1000mm m＝3~35mm，最大公法線長度1500mm 內齒模數m＞3mm，最大公法線長度80~118mm | ±2HRC |
N9Y | 螺旋齒面，模數m＝3~32mm |
注：1）N7N、N7P、N7R、N7S型帶特殊裝置時，模數m可達35~70mm；
2）可選擇HRA、HR15、HR30N、HR45N測試方法。
2）靜拉伸試驗設備
在齒輪等零件材料力學實驗中，最常用的設備是萬能材料試驗機，它可以進行拉伸、壓縮、剪切、彎曲等試驗。表6為靜拉伸試驗設備。
表6 靜拉伸試驗設備
設備名稱 | 設備型號 |
液壓式萬能材料試驗機 | 國產型號有WE100、WE300、WE600、WE1000型等 |
電子萬能材料試驗機 | 國產WDS100型、CMT5000系列；國外有日本“島津”AG-X系列等 |
3）沖擊試驗設備
沖擊試驗時，用沖斷試樣所消耗的功或試樣斷口形貌特點，經過整理得到規定定義的沖擊性能指標。表7為常用沖擊試驗設備分類與型號。
表7 常用沖擊試驗設備分類與型號
試驗機分類方式 | 試驗機名稱與型號 |
沖擊方式 | 落錘式、擺錘式和回轉圓盤式。其中，擺錘式試驗機的型號主要有JB300、JB300A和JB300B等 |
試樣受力狀態 | 彎曲沖擊、拉伸沖擊和扭轉沖擊等 |
（4）無損檢測設備及儀器
無損檢測設備及儀器主要用于齒輪等零件內部缺陷無損檢測、表層缺陷無損檢測等。
1）內部缺陷無損檢測設備及儀器
內部缺陷無損檢測用于齒輪等零件的內部缺陷無損檢測，可以對畸變、裂紋、應力變化、材料組織缺陷等檢測。其主要檢測儀器有射線檢測機、超聲波檢測儀、聲發射檢測儀等。表8為常用無損檢測設備及其用途與分類。
表8 常用無損檢測設備及其用途與分類
設備名稱 | 用途 | 分類 |
X射線檢測設備 | 應用X射線或γ射線透照或透視的方法來檢驗成品和半成品中的內部宏觀缺陷 | 按其結構形式大致可分為兩大類：移動式X射線機和攜帶式X射線機。移動式型號有XYY-2515、XYT-3010、XYD-4010X等。攜帶式型號有國產XXQ-2005、2505、3005，XXH（P）-2005、3005，XXG-2505等。國外有日本產RF-200EG-SP型等 |
超聲波檢測設備 | 超聲波檢測技術主要用于在不破壞金屬材料的情況下，常用物理、化學等手段和方法來探測所檢測對象內部和表面的各種潛在缺陷 | 根據其顯示可分為A型、B型、C型、準二維顯示超聲波檢測儀和超聲透視檢測儀等。幾種超聲波檢測儀的型號為：CTS-22、CTS-26，XCTY-11，JTS-5，JTSZ-1，CST-7，TUD210~360等 |
聲發射檢測設備及儀器 | 聲發射技術是一種評價材料或構件損傷的動態無損檢測診斷技術。它是通過對聲發射信號的處理和分析來評價缺陷的發生和發展規律，并確定缺陷位置 | 常見類型有單通道聲發射檢測儀、多通道聲發射源定位和分析儀等 |
2）表層缺陷無損檢測設備
無損檢測的目的在于檢出和測量位于材料和齒輪等零件表面的缺陷或近表面下的隱匿缺陷。常用檢測設備有磁力檢測設備、滲透檢測設備及渦流檢測設備等。表9為常用表層缺陷無損檢測設備及其組成。
表9 常用表層缺陷無損檢測設備及其組成
設備名稱 | 設備組成與分類 |
磁力檢測設備 | 由主體裝置和附屬裝置組成。主體裝置也稱磁化裝置，磁化裝置有多種形式：如降壓變壓器式、蓄電器充放電式、可控硅控制單脈沖式、電磁鐵式和交叉線圈式。目前在固定式磁粉探傷設備中，用得比較多的是降壓變壓器式，而在攜帶式小型磁粉檢測設備中用得多的是電磁鐵式。磁粉探傷機有固定型系列CEW-100、500、2000、4000、6000、9000、12500等，移動式有CY500、1000、2000、3000、5000等 |
滲透檢測設備 | 一般分為四類：固定式、便攜式、自動化及專業化滲透檢測裝置 |
渦流檢測設備 | 主要由渦流檢驗線圈和渦流檢測儀等組成 |
（5）疲勞試驗機
失效的機器零件約有80%的為疲勞破壞。采用疲勞試驗機研究齒輪等零件在交變載荷作用下斷裂的能力非常重要。常用齒輪疲勞試驗機如表10所示。
表10 常用齒輪疲勞試驗機
分類方式 | 設備組成、技術參數 |
齒輪接觸疲勞試驗機 | 如國產JG-150型機械功率全封閉型試驗機，其中心距為150mm，最大加載扭矩為1960N·m，用50號極壓工業齒輪油潤滑，油溫50~60℃。國外如德國STRAMA公司生產的中心距為160mm的標準疲勞試驗機 |
齒輪接觸磨損疲勞疲勞試驗機 | 如德國GIM齒輪接觸磨損疲勞疲勞試驗機主要技術規格：試驗臺的轉速應實現雙向無級可調，轉速范圍：±（0~4500）r/min；試驗臺的扭矩加載應實現雙向無級可調，扭矩范圍：±（0~2000）N·m |
齒輪雙齒脈沖彎曲疲勞試驗機 | 如PW-10型10t高頻疲勞試驗機，通過雙齒對稱脈沖加載進行，頻率為130~135Hz ，條件疲勞試驗極限為3×106 |
齒輪拉壓疲勞試驗機 | 如PLG-300C拉壓疲勞試驗機，對齒輪進行彎曲疲勞強度試驗，通過對齒輪進行脈動加載，直至出現彎曲疲勞失效（加載頻率降低）或越出（加載周期≥3×106） |
齒輪FZG膠合試驗機 | 如國產CL-100型試驗機，用L-AN68機械油潤滑。大小兩個齒輪進行試驗，判定膠合性能的指標：膠合承載級別；膠合溫度 |
變速器（齒輪）的試驗臺 | 如英國CD110型變速器試驗臺，用于測試齒輪箱、差速器和變速驅動橋等。其循環功率400kW，變頻器的輸入速度高達3000rpm，有一個標準COMPEND 2000計算機控制和數據采集系統提供自動測試控制 |
驅動橋（齒輪）的疲勞強度試驗機 | 有專用的閉式或開式齒輪試驗機兩種。如國產QKT7-1型，不需要陪襯齒輪，可進行輸入扭矩20000N·m以下的驅動橋齒輪試驗 |
（6）磨損試驗機
主要用于檢測齒輪等零件材料在摩擦力作用下其表面形狀、尺寸發生的磨損情況，可了解金屬材料的化學成分、組織狀態以及力學性能與磨損的關系，為利用熱處理尤其是化學熱處理、表面涂覆技術等大幅度提高材料的耐磨性提供依據。齒輪磨損試驗機有國產MR-C1型、MRC-1型FZG、CL-100型等。
先進的齒輪熱處理檢測設備與儀器
1、國外用于生產過程控制的先進硬度計
（1）齒輪熱處理檢驗用硬度計
1）布氏硬度計
①國外臺式及大型落地式布氏硬度計：采用載荷—深度比較法作為其測試方法，直接數顯，如瑞士ERNST公司產品，其示值誤差和示值重復性都遠優于GB的要求，并具有圓柱面校正等特點。因此，完全可以取代傳統的采用光學壓痕直接測試方法的布氏硬度計。
②便攜式布氏硬度計：國外如瑞士ERNST公司的STE型便攜式布氏硬度計替代捶擊硬度計，其測量結果可以同臺式機相媲美，完全符合GB標準，直接在樣品上測試，穩定性好。
2）洛氏硬度計
①臺式硬度計：國外如德國洛氏硬度計，一般多安裝有鉗位罩和壓頭保護套。
②便攜式洛氏硬度計：國外如瑞士ERNST公司的COMPUTEST型便攜式洛氏硬度計，采用5kg載荷（符合ISO標準），穩定性好，其測試原理完全符合洛氏硬度標準。
3）維氏硬度計
①臺式維氏硬度計：如瑞士ERNST公司生產一種能夠直接數顯的靜載荷維氏硬度機，具有測試速度快，測試任意方向、適應樣品全、載荷最小可達200g，壓頭小，可測試極小溝槽和模數1.5mm的齒輪等特點。
②便攜式維氏硬度計：如國外瑞士公司生產這種產品采用電阻的變化來測量壓痕深度的方法，通過與標準硬度曲線對比，能夠得到在極小壓痕的情況下非常穩定、精確的測試結果。
4）里氏硬度計
如瑞士Proceq SA公司的EQUOTIP3型便攜式硬度計，測量精度高：±4HLD/0.5%（HLD＝800時）。
（2）淬硬層硬度和深度的測量硬度計
如瑞士ERNST公司開發一種能夠直接數顯淬硬層深度和表面硬度的900型硬度計。它能夠在不破壞樣品的情況下，采用電阻法獲得淬硬層硬度隨深度變化的曲線，從而得到淬硬層深度和表面硬度。
2、國外熱處理無損檢測設備與儀器
（1）感應淬火硬化層深度無損檢測設備與儀器
1）P3121型無損檢測儀
德國弗勞恩霍夫協會的無損檢測研究所（IZFP）生產的P3121型超聲波背散射硬化層深度測定儀（見圖2）是利用超聲波技術，在不損壞被檢材料的情況下，測定感應淬火工件的硬化層厚度。
圖2 德國P3121型硬化層深度無損測定儀
2）技術參數
①超聲脈沖發生器；②超聲接收頻率：5~30MHz；③4個檢測通道；④信號平均處理；⑤通過特制楔塊實現聲學耦合；⑥傳感器/探測器。
3）產品優勢
①測量系統可以集成到生產工藝中去，為連續的高質量生產工藝提供保障；②快速得到測量結果，每次測量只需幾秒鐘，減少停機時間，提高檢測效率；③為質量管理信息系統提供監控和淬硬層深度分析功能。
（2）3MAII型多項目無損檢測設備
1）設備
如微磁測量技術—3MAII型測量儀。可用于測量鐵磁材料的零部件多項目的無損檢測。可以做到無接觸、全自動并且可以集成在生產線上。檢測速度快，能夠做到100%產品檢驗。
2）用途
可以無損測定的目標數據如下：①硬度，硬化剖面，硬化層厚度（Rht、Eht、Nht）。②拉伸試驗的力學性質（Rm、Rp、ReL、ReU、A等）。③表面和內部殘留應力。④殘留奧氏體含量，晶粒大小。
3、滲碳層深度無損測量儀
以往采用宏觀斷口法、顯微組織法和等溫淬火法檢測齒輪等零件（試樣）表面滲層深度，但這些方法都是破壞性，且檢測速度慢，無法實現100%檢測。對此，可采用先進的無損測量儀。
德國弗勞恩霍夫協會的無損檢測技術研究所生產的3MAⅡA型滲碳層深度無損測量儀（見圖3）是最新研發的一種測定表面層性能的無損測量儀。該滲碳層深度無損測量儀可實現測量過程全自動，并將檢測設備集成到生產工藝中，具有測量速度快，可以對產品進行100%檢驗的優點。3MAⅡA型滲碳層深度無損測量儀對邊緣層0~8mm厚度的齒輪等零件多個相關質量指標進行快速同步評估。同時可以綜合分析不同微結構狀態和應力敏感檢測值的大小。該方法采用提前校正，根據大量回歸分析和漸近函數，確定產品質量指標（目標值）。
圖3 德國3MAⅡA型滲碳層深度無損測量儀
作者：金榮植
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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