מיקרוסקופ אלקטרונים סורק שימש לצפייה בשבר העייפות ולניתוח מנגנון השבר; במקביל, בוצע מבחן עייפות ספין כיפוף על דגימות שעברו דה-קרבוריזציה בטמפרטורות שונות כדי להשוות את אורך חיי העייפות של פלדת הבדיקה עם ובלי דה-קרבוריזציה, ולנתח את השפעת הדה-קרבוריזציה על ביצועי העייפות של פלדת הבדיקה. התוצאות מראות כי עקב קיום בו-זמני של חמצון ודה-קרבוריזציה בתהליך החימום, האינטראקציה בין השניים, וכתוצאה מכך עובי השכבה שעברה דה-קרבוריזציה מלאה עם עליית הטמפרטורה מראה מגמה של עלייה ואז ירידה, עובי השכבה שעברה דה-קרבוריזציה מלאה מגיע לערך מקסימלי של 120 מיקרון ב-750 מעלות צלזיוס, ועובי השכבה שעברה דה-קרבוריזציה מלאה מגיע לערך מינימלי של 20 מיקרון ב-850 מעלות צלזיוס, וגבול העייפות של פלדת הבדיקה הוא כ-760 מגה פסקל, ומקור סדקי העייפות בפלדת הבדיקה הוא בעיקר תכלילים לא מתכתיים של Al2O3; התנהגות דה-קרבוריזציה מקצרת משמעותית את אורך חיי העייפות של פלדת הבדיקה, דבר המשפיע על ביצועי העייפות של פלדת הבדיקה. ככל ששכבת דה-קרבוריזציה עבה יותר, כך אורך חיי העייפות קצר יותר. על מנת להפחית את השפעת שכבת דה-קרבוריזציה על ביצועי העייפות של פלדת הבדיקה, יש לקבוע את טמפרטורת הטיפול החום האופטימלית של פלדת הבדיקה על 850 מעלות צלזיוס.
גיר הוא מרכיב חשוב ברכבעקב הפעולה במהירות גבוהה, החלק המרושת של משטח גלגל השיניים חייב להיות בעל חוזק גבוה ועמידות בפני שחיקה, ושורש השן חייב להיות בעל ביצועי עייפות כיפוף טובים עקב עומס חוזר ומתמיד, על מנת למנוע סדקים המובילים לשבר בחומר. מחקרים מראים כי הסרת פחמן היא גורם חשוב המשפיע על ביצועי עייפות כיפוף הסיבוב של חומרי מתכת, וביצועי עייפות כיפוף הסיבוב הם מדד חשוב לאיכות המוצר, לכן יש צורך לחקור את התנהגות הסרת הפחמן ואת ביצועי עייפות כיפוף הסיבוב של חומר הבדיקה.
במאמר זה, בדיקת הסרת הפחמן של פני השטח של פלדת גלגל שיניים 20CrMnTi בתנור טיפול בחום, ניתוח טמפרטורות חימום שונות על עומק שכבת הסרת הפחמן של פלדת הבדיקה משתנה; באמצעות מכונת בדיקת עייפות קרן פשוטה QBWP-6000J, בדיקת עייפות כיפוף סיבובי של פלדת הבדיקה, קביעת ביצועי עייפות פלדת הבדיקה, ובמקביל ניתוח השפעת הסרת הפחמן על ביצועי העייפות של פלדת הבדיקה בייצור בפועל כדי לשפר את תהליך הייצור, לשפר את איכות המוצרים ולספק ייחוס סביר. ביצועי עייפות פלדת הבדיקה נקבעים על ידי מכונת בדיקת עייפות כיפוף סיבובי.
1. חומרי בדיקה ושיטות
חומר בדיקה ליחידה המספקת פלדת הילוכים 20CrMnTi, ההרכב הכימי העיקרי כפי שמוצג בטבלה 1. בדיקת הסרת פחמן: חומר הבדיקה מעובד לדגימה גלילית בגודל Ф8 מ"מ × 12 מ"מ, כאשר פני השטח צריכים להיות מבריקים וללא כתמים. תנור טיפול בחום מחומם ל-675 מעלות צלזיוס, 700 מעלות צלזיוס, 725 מעלות צלזיוס, 750 מעלות צלזיוס, 800 מעלות צלזיוס, 850 מעלות צלזיוס, 900 מעלות צלזיוס, 950 מעלות צלזיוס ו-1,000 מעלות צלזיוס. הדגימה מוחזקת למשך שעה אחת, ולאחר מכן מקוררת באוויר לטמפרטורת החדר. לאחר טיפול בחום, הדגימה עוברת ליישוש, השחזה וליטוש, תוך שימוש בתמיסת אלכוהול של 4% חומצה חנקתית, ולאחר מכן נעשה שימוש במיקרוסקופ מטלורגיה כדי לצפות בשכבת הסרת הפחמן של פלדת הבדיקה, ולמודד את עומק שכבת הסרת הפחמן בטמפרטורות שונות. בדיקת עייפות כיפוף ספין: חומר הבדיקה מבצע בדיקת עייפות כיפוף ספין בהתאם לדרישות העיבוד של שתי קבוצות של דגימות עייפות כיפוף ספין. הקבוצה הראשונה אינה מבצעת בדיקת דה-קרבוריזציה, והקבוצה השנייה מבצעת בדיקת דה-קרבוריזציה בטמפרטורות שונות. באמצעות מכונת בדיקת עייפות כיפוף ספין, שתי קבוצות פלדת הבדיקה בודקות עייפות כיפוף ספין, קביעת גבול העייפות של שתי קבוצות פלדת הבדיקה, השוואה של אורך החיים העייפות של שתי קבוצות פלדת הבדיקה, שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים סורק לתצפית על שברים בעייפות, ניתוח הסיבות לשברים בדגימה, ובחינת השפעת דה-קרבוריזציה על תכונות העייפות של פלדת הבדיקה.
טבלה 1 הרכב כימי (חלק מסה) של פלדת הבדיקה % משקל
השפעת טמפרטורת החימום על דה-קרבוריזציה
המורפולוגיה של ארגון הפחמן תחת טמפרטורות חימום שונות מוצגת באיור 1. כפי שניתן לראות באיור, כאשר הטמפרטורה היא 675 מעלות צלזיוס, שכבת פחמן אינה מופיעה על פני הדגימה; כאשר הטמפרטורה עולה ל-700 מעלות צלזיוס, שכבת פחמן החלה להופיע על פני הדגימה, עבור שכבת פחמן דקה של פריט; עם עליית הטמפרטורה ל-725 מעלות צלזיוס, עובי שכבת פחמן הדגימה גדל משמעותית; עובי שכבת פחמן הדגימה ב-750 מעלות צלזיוס מגיע לערכו המקסימלי, בשלב זה, גרגירי הפריט צלולים וגסים יותר; כאשר הטמפרטורה עולה ל-800 מעלות צלזיוס, עובי שכבת פחמן הדגימה החל לרדת משמעותית, עוביה ירד למחצית מ-750 מעלות צלזיוס; כאשר הטמפרטורה ממשיכה לעלות ל-850 מעלות צלזיוס ועובי פחמן הדגימה מוצג באיור 1. ב-800 מעלות צלזיוס, עובי שכבת פחמן הדגימה המלא החל לרדת משמעותית, עוביה ירד ל-750 מעלות צלזיוס במחצית; כאשר הטמפרטורה ממשיכה לעלות ל-850 מעלות צלזיוס ומעלה, עובי שכבת הפחם המלאה של פלדת הבדיקה ממשיך לרדת, חצי עובי שכבת הפחם החל לעלות בהדרגה עד שהמורפולוגיה של שכבת הפחם המלאה נעלמה לחלוטין, וחצי המורפולוגיה של שכבת הפחם הולכת ומתבהרת בהדרגה. ניתן לראות שעובי השכבה הפחומה המלאה גדל תחילה ולאחר מכן ירד עם עליית הטמפרטורה. הסיבה לתופעה זו נובעת מהתנהגות החמצון והפחתת הפחם של הדגימה בתהליך החימום. רק כאשר קצב הפחם מהיר מקצב החמצון תופיע תופעת הפחם. בתחילת החימום, עובי השכבה הפחומה המלאה עולה בהדרגה עם עליית הטמפרטורה עד שעובי השכבה הפחומה המלאה מגיע לערך המקסימלי. בשלב זה, הטמפרטורה ממשיכה לעלות, וקצב החמצון של הדגימה מהיר מקצב הפחם, מה שמעכב את העלייה בשכבה הפחומה המלאה, וכתוצאה מכך מגמה יורדת. ניתן לראות כי בטווח של 675 ~ 950 ℃, ערך עובי השכבה שעברה דה-קרבורציה מלאה ב-750 ℃ הוא הגדול ביותר, וערך עובי השכבה שעברה דה-קרבורציה מלאה ב-850 ℃ הוא הקטן ביותר, לכן מומלץ שטמפרטורת החימום של פלדת הבדיקה תהיה 850 ℃.
איור 1. היסטמורפולוגיה של שכבה נטולת פחמן של פלדת בדיקה שהוחזקה בטמפרטורות חימום שונות למשך שעה אחת
בהשוואה לשכבה שעברה הסרת פחמן למחצה, לעובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה יש השפעה שלילית חמורה יותר על תכונות החומר, והוא יפחית משמעותית את התכונות המכניות של החומר, כגון הפחתת החוזק, הקשיות, עמידות הבלאי ומגבלת העייפות וכו', וגם יגביר את הרגישות לסדקים, דבר המשפיע על איכות הריתוך וכן הלאה. לכן, לשליטה על עובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה יש חשיבות רבה לשיפור ביצועי המוצר. איור 2 מציג את עקומת השונות של עובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה עם הטמפרטורה, אשר מראה את השונות של עובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה בצורה ברורה יותר. ניתן לראות מהאיור שעובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה הוא רק כ-34 מיקרומטר ב-700 מעלות צלזיוס; עם עליית הטמפרטורה ל-725 מעלות צלזיוס, עובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה עולה משמעותית ל-86 מיקרומטר, שהוא יותר מפי שניים מעובי השכבה שעברה הסרת פחמן במלואה ב-700 מעלות צלזיוס; כאשר הטמפרטורה עולה ל-750 מעלות צלזיוס, עובי השכבה שעברה דה-קרבורציה מלאה מגיע לערך המקסימלי של 120 מיקרומטר; ככל שהטמפרטורה ממשיכה לעלות, עובי השכבה שעברה דה-קרבורציה מלאה מתחיל לרדת בחדות, ל-70 מיקרומטר ב-800 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן לערך המינימלי של כ-20 מיקרומטר ב-850 מעלות צלזיוס.
איור 2 עובי שכבה שעברה דה-קרבורציה מלאה בטמפרטורות שונות
השפעת דה-קרבוריזציה על ביצועי עייפות בכיפוף ספין
על מנת לחקור את השפעת הפחמן על תכונות העייפות של פלדת קפיץ, בוצעו שתי קבוצות של בדיקות עייפות כיפוף סיבוב, הקבוצה הראשונה עברה בדיקת עייפות ישירות ללא פחמן, והקבוצה השנייה עברה בדיקת עייפות לאחר פחמן באותה רמת מאמץ (810 מגה פסקל), ותהליך פחמן ההדבקה נשמר בטמפרטורה של 700-850 מעלות צלזיוס למשך שעה אחת. קבוצת הדגימות הראשונה מוצגת בטבלה 2, שהיא אורך חיי העייפות של פלדת הקפיץ.
אורך חיי העייפות של קבוצת הדגימות הראשונה מוצג בטבלה 2. כפי שניתן לראות בטבלה 2, ללא הסרת פחמן, פלדת הבדיקה עברה רק 107 מחזורים בלחץ של 810 מגה פסקל, ולא התרחש שבר; כאשר רמת המאמץ עלתה על 830 מגה פסקל, חלק מהדגימות החלו להישבר; כאשר רמת המאמץ עלתה על 850 מגה פסקל, כל דגימות העייפות נסדקו.
טבלה 2 אורך חיים עקב עייפות תחת רמות מאמץ שונות (ללא דה-קרבוריזציה)
על מנת לקבוע את גבול העייפות, נעשה שימוש בשיטת הקבוצות כדי לקבוע את גבול העייפות של פלדת הבדיקה, ולאחר ניתוח סטטיסטי של הנתונים, גבול העייפות של פלדת הבדיקה הוא כ-760 מגה פסקל; על מנת לאפיין את אורך חיי העייפות של פלדת הבדיקה תחת מאמצים שונים, מוצגת עקומת SN, כפי שמוצג באיור 3. כפי שניתן לראות באיור 3, רמות מאמץ שונות מתאימות לאורך חיים שונים של עייפות, כאשר אורך חיי העייפות הוא 7, התואם למספר המחזורים עבור 107, כלומר הדגימה בתנאים אלה נמצאת במצב, ניתן לקרב את ערך המאמץ המתאים כערך חוזק העייפות, כלומר 760 מגה פסקל. ניתן לראות שעקומת S-N חשובה לקביעת אורך חיי העייפות של החומר ויש לה ערך ייחוס חשוב.
איור 3 עקומת SN של מבחן עייפות כיפוף סיבובי ניסיוני של פלדה
אורך חיי העייפות של קבוצת הדגימות השנייה מוצג בטבלה 3. כפי שניתן לראות בטבלה 3, לאחר הסרת פחמן מפלדת הבדיקה בטמפרטורות שונות, מספר המחזורים מצטמצם באופן ניכר, והוא עולה על 107, וכל דגימות העייפות נשברות, וחיי העייפות מצטמצמים באופן משמעותי. בשילוב עם עובי השכבה שעברה הסרת פחמן הנ"ל ועקומת שינוי הטמפרטורה, ניתן לראות שעובי השכבה שעברה הסרת פחמן של 750 ℃ הוא הגדול ביותר, התואם לערך הנמוך ביותר של חיי עייפות. עובי השכבה שעברה הסרת פחמן של 850 ℃ הוא הקטן ביותר, התואם לערך חיי העייפות הגבוה יחסית. ניתן לראות שהתנהגות הסרת הפחמן מפחיתה באופן משמעותי את ביצועי העייפות של החומר, וככל שהשכבה שעברה הסרת פחמן עבה יותר, כך אורך חיי העייפות נמוך יותר.
טבלה 3 אורך חיים עייף בטמפרטורות דה-קרבוריזציה שונות (560 מגה פסקל)
מורפולוגיית שבר העייפות של הדגימה נצפתה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, כפי שמוצג באיור 4. איור 4(א) מציג את אזור מקור הסדק, באיור ניתן לראות קשת עייפות ברורה, בהתאם לקשת העייפות כדי למצוא את מקור העייפות, ניתן לראות את מקור הסדק לתכלילים לא מתכתיים "עין הדג", תכלילים בריכוז מאמץ קל לגרום לו, וכתוצאה מכך סדקי עייפות; איור 4(ב) מציג את מורפולוגיית אזור התפשטות הסדק, ניתן לראות פסים עייפים ברורים, בצורת התפלגות דמוית נהר, השייכת לשבר קוואזי-דיסוציאטיבי, כאשר הסדקים מתרחבים ובסופו של דבר מובילים לשבר. איור 4(ב) מציג את המורפולוגיה של אזור התפשטות הסדק, ניתן לראות פסים עייפים ברורים, בצורת התפלגות דמוית נהר, השייכת לשבר קוואזי-דיסוציאטיבי, ועם התפשטות מתמשכת של הסדקים, שבסופו של דבר מובילים לשבר.
ניתוח שברי עייפות
איור 4 מורפולוגיה של SEM של משטח שבר עייפות של פלדה ניסיונית
על מנת לקבוע את סוג התכלילים באיור 4, בוצע ניתוח הרכב ספקטרום האנרגיה, והתוצאות מוצגות באיור 5. ניתן לראות שהתכלילים הלא מתכתיים הם בעיקר תכלילים Al2O3, דבר המצביע על כך שהתכלילים הם המקור העיקרי לסדקים הנגרמים כתוצאה מסדיקת תכלילים.
איור 5 ספקטרוסקופיית אנרגיה של תכלילים לא מתכתיים
לְהַסִיק
(1) מיקום טמפרטורת החימום ב-850 מעלות צלזיוס ימזער את עובי השכבה שעברה דה-קרבורציה כדי להפחית את ההשפעה על ביצועי העייפות.
(2) גבול העייפות של כיפוף סיבוב פלדת הבדיקה הוא 760 מגה פסקל.
(3) סדקים בפלדת הבדיקה בתכלילים לא מתכתיים, בעיקר תערובת Al2O3.
(4) הסרת פחמן מפחיתה באופן משמעותי את חיי העייפות של פלדת הבדיקה, ככל ששכבת ההסרת פחמן עבה יותר, כך חיי העייפות קצרים יותר.
זמן פרסום: 21 ביוני 2024
