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      替代酸洗法巴克豪森噪聲技術檢測齒輪磨削后的回火燒傷
      發布時間:2022-10-21 11:42:55瀏覽:1461次
      • 詳細介紹

      MBN是定量的、可重復的、非破壞性的易于自動化的檢測手段,可以防止人為操作不同而對結果造成的影響。

      磨削燒傷的檢測和預防對各種類型和尺寸的磨削齒輪的生產至關重要。磨削過程中的過熱或磨削回火會導致產生表面和表面以下的不良組織、硬度和應力特性。這些特性導致了精密表面的失效模式,而精密表面通常要求在長壽命的負載下具有高性能。傳統的磨削回火檢測方法是酸洗法,比較主觀,而且具有破壞性,并需要環保處理。此外,為了防止假陽性和/或假陰性,酸洗法工藝需要適當定制的工藝和訓練有素的操作人員。

      另一種方法,磁性巴克豪森噪聲法(MBN),此方法是定量的,可重復的,非破壞的。MBN方法很容易實現自動化,消除了人為操作造成的影響。實驗使用一組滲碳圓柱齒輪樣品,經過不同磨削回火條件的研磨,證明MBN方法的檢測效果與傳統的酸洗法(Nital Etch)相匹配甚至是超過。檢測各種強度的研磨回火,包括二次硬化燒傷,使用的是全自動MBN儀器進行的演示。利用x射線衍射和電解拋光可進行殘余應力深度分布作為定量驗證方法。

      簡介

      在動力傳動系統部件的制造中,淬硬鋼零件的磨削是一種常見且往往是必要的過程。研磨過程產生的部件可以遵守嚴格的幾何約束,并具有良好的表面光潔度。磨削回火是由于磨削過程中的缺陷而導致零件熱損傷,從而產生過多的熱量。多余的熱量耗散到表面硬化有效回火表面,在更嚴重的情況下,可以產生改造的未回火馬氏體,也稱為再硬化。磨脾氣的結果是減少疲勞壽命與表面硬度的損失和產生的拉伸殘余應力[1]。

      磨削回火檢測是精密鋼構件制造商的一項關鍵能力。傳統的方法包括數字蝕刻、x射線衍射深度分布和金相。不過,這些方法也有自己的缺陷,因為它們可能是主觀的、耗時的、不敏感的,而且通常是破壞性的。

      另一方面,磁巴克豪森噪聲(MBN)是一種無損檢測技術,可以在全自動包中對研磨回火進行敏感、客觀的檢測。

      通過將MBN測量結果與x射線衍射殘余應力深度剖面(XRD RSP)進行直接比較,證明了MBN對滲碳齒輪磨削回火的檢測效果。此外,對檢測極端再硬化的方法進行了假設和驗證,這對MBN用戶來說是一個傳統的困難應用。

      齒輪樣本集

      樣本集由選擇從一個齒輪的牙齒。AISI 3310級齒輪經過滲碳和硬化處理至標稱硬度60 HRC,然后成形研磨。為了改變樣品集的條件和質量,形式磨削過程是使用單個通道為每個齒空間執行,而不修整車輪,因為它在齒輪周圍進行。最終的結果是在齒輪周圍進行時,從磨削操作引入的熱的進展。

      巴克豪森噪音測試設備

      MBN測試使用了strestech Rollscan 350 Barkhausen噪聲分析儀、適合于齒輪齒面測試的楔形傳感器和用于自動齒面掃描的GearScan 500系統(1)。使用GearScan 500系統的自動化可以沿著每個齒面寬度進行快速和一致的掃描,這是實現可重復結果的必要條件。

      https://gearsolutions.com/media/uploads/2019/01/GS-0119-Feat-3-Figure-1.jpg

      1:使用Gearscan 500系統對正齒輪和斜齒輪進行自動MBN檢測(不代表本研究中測試的部件)。

      在這個實驗中,通過沿面部寬度進行9次均勻間隔掃描來獲得空間靈敏度,從枝突的形狀直徑(掃描#1)到齒尖(掃描#9)。傳感器的截面接觸面積約為10mm × 2mm。隨著傳感器沿面部寬度掃描,收集了660個數據點。最終的結果是整個牙齒表面的映射。

      x射線衍射設備和方法

      XRD RSPs是通過樣品深度測量殘余應力的破壞性測量方法。它們通常用于檢測磨削燒傷,與其他方法相比有幾個優點。與蝕刻相比,XRD是定量的,是主觀的。與截面顯微硬度相比,XRD對應力敏感,通過峰寬測量,對顯微組織變化敏感,而截面顯微硬度只對硬度敏感。

      在研磨回火的情況下,殘余應力梯度由誘導的組織梯度[2]產生。因此,XRD RSPs對于檢測所謂的“隱藏燃燒”是至關重要的,即發生研磨回火,然后被后續的研磨過程部分清除的情況。結果是一層更薄(或幾乎無法測量)的回火材料,很難通過Nital蝕刻或橫截面顯微硬度測量來檢測。然而,由磨削回火產生的拉伸殘余應力穿透的深度比微結構梯度要深得多,并在隱藏燒傷的情況下保留下來。MBN對應力敏感,可以檢測隱藏燒傷,但唯一有效的定量驗證方法是XRD RSPs。(2)

      https://gearsolutions.com/media/uploads/2019/01/GS-0119-Feat-3-Figure-2.jpg

      2:隱藏燒傷的應力效應示例。

      采用strestech XStress 3000 G2R衍射儀測量XRD RSPs,并去除電化學層進行穿透深度測量。殘余應力測量按照ISO EN15305:2008,使用修正的-χ幾何[3]。XRD RSP計算的材料性質包括211000 MPa的楊氏模量和0.3的泊松比。XRD測量在3.0 mm的光斑尺寸下進行,并對準測量齒的超前方向的應力。

      BN測試結果

      使用上述測量自動化,MBN信號均方根(RMS)數據被收集在齒輪側面表面,允許生成MBN表面圖。MBN RMS在業內被稱為磁彈性參數(mp),是一種針對磨削再回火燃燒敏感性而定制的測量方法。在回火組織的情況下,MBN RMS測量值的增加有兩個機制在起作用。較軟的微結構,包括馬氏體向鐵氧體的轉變,更容易通過較低的磁頑力磁化,從而產生較大的MBN RMS[4]。此外,磨削回火產生的拉應力影響磁性能的方式與拉應力在鐵基合金[5]中產生易磁化軸的方式相似。最終結果是,當磨削回火存在時,MBN RMS更高。

      https://gearsolutions.com/media/uploads/2019/01/GS-0119-Feat-3-Figure-3.jpg

      3:海岸側翼1號齒的MBN RMS表面圖。

      樣本集中的齒1在理想情況下被研磨,如圖3的表面圖所示,在整個海岸側翼表面顯示出低且均勻的MBN RMS。然而,9號齒是用一個需要修整的砂輪磨平的(4)。這個海岸側面顯示出較高的MBN RMS值,以及整個表面的非均勻性——典型的磨平跡象。

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      4:海岸側面第九齒的MBN RMS表面圖。

      MBN RMS表面圖譜可以更有效地用于其他時間和勞動密集型測試方法的樣品數據集,如XRD或金相。本研究利用MBN RMS表面圖譜更有效地選擇XRD RSPs的測量位置,以表征磨削缺陷的光譜。

      XRD測試結果

      采用電化學層去除深度法測定XRD RSPs。根據傳統的研磨回火評價(XRD RSPs),選擇深度值在0.0 mm ~ 0.20 mm之間。除了在非常高強度的磨削回火情況下,有效磨削應力深度通常小于0.20 mm,并更傾向于表面。因此,在梯度最陡的地表附近收集到更多的數據點,而深度分辨率隨著深度的增加而降低。

      通常情況下,在沒有熱損傷的良好磨削過程中,殘余應力在表面和深度上保持中性或一定程度的壓縮。研磨回火通常會產生一個地下應力峰值,通常是輕微的拉伸,同時通過深度收斂到零應力。應力達到中性或輕微壓縮的深度取決于熱損傷的深度,換句話說,取決于磨削回火的強度。

      5:齒輪側面的XRD殘余應力深度曲線。MBN RMS表面圖譜可以更有效地用于其他時間和勞動密集型測試方法的樣品數據集,如XRD或金相。本研究利用MBN RMS表面圖譜更有效地選擇XRD RSPs的測量位置,以表征磨削缺陷的圖譜。

      XRD測試結果

      采用電化學層去除深度法測定XRD RSPs。根據傳統的研磨回火評價(XRD RSPs),選擇深度值在0.0 mm ~ 0.20 mm之間。除了在非常高強度的磨削回火情況下,有效磨削應力深度通常小于0.20 mm,并更傾向于表面。因此,在梯度最陡的地表附近收集到更多的數據點,而深度分辨率隨著深度的增加而降低。

      通常情況下,在沒有熱損傷的良好磨削過程中,殘余應力在表面和深度上保持中性或一定程度的壓縮。研磨回火通常會產生一個地下應力峰值,通常是輕微的拉伸,同時通過深度收斂到零應力。應力達到中性或輕微壓縮的深度取決于熱損傷的深度,換句話說,取決于磨削回火的強度。

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      5:齒輪側面的XRD殘余應力深度曲線。

      從圖5中可以看出,磨削回火損傷隨齒數的增加而依次增加。除齒1(驅動翼和海岸翼)外,所有樣品都觀察到地下應力峰值。在0.20 mm的測量深度范圍內,12號齒受到了明顯的熱損傷,沒有達到中性或一定程度的壓應力。

      MBNXRD殘余應力的相關性

      MBN是一種電磁檢測方法,與許多無損檢測方法相似,在性質上是相對的。為了適當地利用MBN作為過程工具,用戶必須使用參考樣本或驗證方法來初步設置測量參數和評價標準。完成這一任務的典型方法是將MBN RMS測量值與XRD RSP數據進行比較。具體來說,將特定位置的MBN RMS值與受磨削影響深度內的最大地下殘余應力進行比較被認為是最佳做法。對于本研究的樣品集,使用MBN RMS表面圖來選擇XRD RSPs的位置。在每個位置,比較MBN RMS和前0.050 mm內的最大地下殘余應力,得到圖6所示的圖表。

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      6:MBN RMS與前0.05 mm最大地下殘余應力的對比。

      從圖6中可以看出,除了一個例外,MBN RMS與最大地下殘余應力是一致的?;?/span>MBN結果和相應的殘余應力數據,MBN用戶可能會使用約130mv的上限作為拒絕標準。唯一測試的樣品,沒有亞表面拉應力峰值是齒1海岸側面和齒1驅動側面。130 mV的上限允許接受可接受的研磨樣品,同時拒絕剩余的樣品。相關齒12(驅動側)的異常顯示MBN RMS下降,盡管亞表面殘余應力大幅增加。雖然導致12號牙損壞的研磨條件非常極端,在工業環境中并不常見,但仍然需要適當地整理這些缺陷。

      極端再硬化燒傷病例

      在某些情況下,磨削引起的熱損傷是如此之大,以至于材料表面被加熱超過奧氏體化溫度,然后才被磨削冷卻劑淬火冷卻。最終的結果就是所謂的研磨再硬化。這通常包括,當人們通過深度檢查,表層的未回火馬氏體,隨后的回火區域與較軟的鐵素體相,最后到達硬化的情況。研磨再硬化可以用傳統的方法進行檢測,包括XRD RSPs。如圖7所示,是通過對驅動側面27齒的深度測量得到的XRD RSPXRD衍射峰寬度。齒27代表了樣品集中磨削損傷的最高水平,因此與典型的生產地面部件相比,損傷的深度夸大了。

      除了殘余應力數據,XRD RSP測量產生的數據與被測體積的微觀結構有關。衍射峰寬(FWHM)是微觀結構細化或缺乏細化的指標,FWHM隨晶格缺陷、位錯密度等的增加而增加。這種關系的最終結果是,在未回火馬氏體的情況下觀察到非常高的FWHM,而在軟鐵素體的情況下觀察到非常低的FWHM。因此,FWHM是一個有用的微觀結構轉變指標。

      總的來說,XRD殘余應力與FWHM數據一致,較高的地下應力與較低的FWHM相關。這種關系在磨削回火的情況下是典型的,因為微觀組織的轉變降低了FWHM,同時也產生了亞表面殘余應力。

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      7:齒輪側面的XRD FWHM深度剖面。

      通過MBN檢測磨削再硬化通常與檢測磨削回火一樣簡單,但有一點需要注意:更高強度的損傷不一定會增加MBNRMS測量值。事實上,通常MBN RMS測量值會隨著再硬化損傷的增加而降低。這是由于再硬化的微結構具有非常高的矯頑力,這使它更難磁化。為了最好地檢測極端再硬化燒傷的情況,可以使用MBN峰值位置。MBN峰位置是MBN峰相對于外加磁場h的相位置,它通常與磁力矯頑力相關。因此,它能夠敏感的變化,磁矯頑力伴隨研磨再回火,燃燒和研磨再硬化。如圖8所示,齒2,驅動側MBN峰的高度增加(更高的MBN RMS),盡管它的位置移動較低,相對于齒1,驅動側,在再回火的情況下。在齒27再硬化的情況下,峰值高度降低,但也移動到更高的位置,這是未回火馬氏體的預期,導致更高的矯頑力。

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      8:MBN峰值,用垂直線表示峰值位置。分色:1,傳動側為紅色;2、傳動側面為綠色;27,驅動側為藍色。

      在傳統MBN測量不充分的情況下,除了磨削回火外,還可以進行適當的磨削再硬化檢測。在這些情況下,除了MBN RMS之外,還可以使用MBN峰值位置來檢測磨削熱損傷的任何情況。

      結論

      實驗證明,MBN是一種有效的磨削回火檢測技術,特別是對滲碳齒輪。MBN的測定結果被XRD RSPs成功證實。采用自動化精確控制傳感器的定位、接觸角度和掃描速度。這些問題在手工測量時總是一個挑戰。自動化的使用導致可重復測量,允許細微的變化,如峰值位置的變化被檢測到。此外,使用MBN峰值位置分析分析了極端再硬化的情況,并成功地檢測到,即使在傳統MBN測量無效的情況下。

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