การตรวจสอบโลหะวิทยาของเฟือง: หลักการ วิธีการ และความรู้ที่สำคัญ

วัตถุประสงค์หลักและรายการที่ต้องตรวจสอบ

• ความลึกของการทำให้ผิวแข็ง (Case hardening depth): ตัวชี้วัดสำคัญสำหรับความสามารถในการต้านทานการสึกหรอของเกียร์ที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์และชุบแข็ง (ตามที่กำหนดในมาตรฐาน ISO 6336)
• ขนาดของเกรน (Grain size): มีผลต่อความแข็งแรงและความเหนียวของเกียร์ (จัดระดับตาม ASTM E112)
• โครงสร้างจุลภาค (Microstructure): รูปร่างของมาร์เทนไซต์ เฟสออสเทนไนต์ที่คงเหลือ และคาร์ไบด์ เป็นตัวกำหนดสมรรถนะการทนต่อการล้าจากการใช้งาน
• ข้อบกพร่องบนผิว: ตรวจพบการไหม้จากกระบวนการเจียร์ (grinding burns) และรอยแตก (เป็นไปตามมาตรฐาน AIAG CQI-9)

องค์ประกอบโครงสร้างจุลภาคพื้นฐาน

• เฟอร์ไรต์ (α): มีโครงสร้างแบบลูกบาศก์กลางตัว (BCC) นุ่มและเหนียว โดยมีความแข็งต่ำ (~80HV) พบได้ทั่วไปในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและเหล็กบริสุทธิ์
• ออกส์เทไนต์ (γ): มีโครงสร้างแบบลูกบาศก์หน้าเต็ม (FCC) มีความเหนียวยืดหยุ่นสูงและไม่เป็นแม่เหล็ก เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงหรือในเหล็กกล้าที่มีโลหะผสมสูง เช่น เหล็กสเตนเลส 304 และเหล็กกล้าแมงกานีสสูง
• ซีเมนไตต์ (Fe₃C): มีระบบผลึกออร์โธรมบิก แข็งและเปราะ (~800HV) และช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ พบได้ในเหล็กหล่อขาวและเหล็กกล้าคาร์บอนสูง
• มาร์เทนไซต์: มีโครงสร้างแบบลูกบาศก์กลางแกนเบี้ยว (BCT) มีความแข็งสูง (500~1000HV) ได้มาจากการทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว (quenching) ใช้ในเหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งและเหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือ

รูปร่างจุลภาคทั่วไป

กระบวนการทดสอบและวิธีมาตรฐาน

การสุ่มตัวอย่างและการเตรียมตัวอย่าง

• ตำแหน่งการสุ่มตัวอย่าง: ยอดฟัน (ประเมินผลการแข็งผิว), รากฟัน (วิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคในบริเวณที่มีความเครียดสูง), หน้าตัดขวาง (วัดความชันของการแข็งผิว)
• ขั้นตอนการเตรียมหลัก: การตัด → การฝังตัวอย่าง → การขัดหยาบ → การขัดเงา → การกัดด้วยสารเคมี → การสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์
• การฝังตัวอย่าง: ใช้เรซินอีพอกซีเพื่อป้องกันขอบ (แนะนำการฝังเย็นเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากความร้อน)
• การขัดเงา: ขัดจนได้ผิวเรียบเหมือนกระจกที่ขนาด 0.05 ไมครอน โดยใช้ผงขัดเพชร เพื่อป้องกันการรบกวนจากรอยขีดข่วน

การเลือกสารกัด

อุปกรณ์ทดสอบหลัก

กล้องจุลทรรศน์แสง (OM)

• การประยุกต์ใช้: การสังเกตโครงสร้างจุลภาคเบื้องต้น (เช่น การจัดระดับขนาดเกรน)
• ข้อกำหนดของระบบ: กำลังขยาย 500×~1000× พร้อมซอฟต์แวร์วิเคราะห์ภาพ (เช่น Olympus Stream)

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)

• ข้อดี: การสังเกตการณ์ความละเอียดสูงของสารปนเปื้อนที่ไม่ใช่โลหะ (เช่น MnS) และการวิเคราะห์องค์ประกอบผ่าน EDS
• ตัวอย่างกรณี: รอยแตกตามแนวเกรนที่เกิดจากกำมะถันรวมตัวกัน ตรวจพบในการวิเคราะห์เศษชิ้นส่วนกล่องเกียร์พลังงานลม

การทดสอบไมโครฮาร์ดเนส

• วิธีการ: การทดสอบความแข็งแบบวิกเกอร์ส (HV0.3~HV1) เพื่อสร้างกราฟเส้นโค้งการอบแข็งผิว
• มาตรฐาน: ISO 2639 กำหนดความลึกของการอบแข็งผิวเป็นระยะทางจากผิวถึงชั้นใต้ผิวที่ระดับ 550HV1

การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค

โครงสร้างจุลภาควิสัยปกติ

ข้อบกพร่องทั่วไปและสาเหตุ

• การคาร์บูไรเซชันมากเกินไป: เครือข่ายคาร์ไบด์บนพื้นผิว ทำให้เปราะขึ้นและเพิ่มความเสี่ยงต่อการหลุดลอกของผิวฟันเฟือง
• การเผาไหม้จากการเจียร: สีที่ปรากฏจากการกัดกร่อนด้วยกรด (ASTM E1257) สามารถป้องกันได้โดยควบคุมอัตราการป้อนและความเร็ว และใช้ล้อเจียร CBN
• รอยแตกร้าวจากการชุบแข็ง: การขยายตัวระหว่างเกรนที่มีปลายแหลม (ยืนยันโดย SEM)