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替代酸洗法巴克豪森噪声技术检测齿轮磨削后的回火烧伤
发布时间:2022-10-21 11:42:55浏览:1568次
  • 详细介绍

MBN是定量的、可重复的、非破坏性的易于自动化的检测手段,可以防止人为操作不同而对结果造成的影响。

磨削烧伤的检测和预防对各种类型和尺寸的磨削齿轮的生产至关重要。磨削过程中的过热或磨削回火会导致产生表面和表面以下的不良组织、硬度和应力特性。这些特性导致了精密表面的失效模式,而精密表面通常要求在长寿命的负载下具有高性能。传统的磨削回火检测方法是酸洗法,比较主观,而且具有破坏性,并需要环保处理。此外,为了防止假阳性和/或假阴性,酸洗法工艺需要适当定制的工艺和训练有素的操作人员。

另一种方法,磁性巴克豪森噪声法(MBN),此方法是定量的,可重复的,非破坏的。MBN方法很容易实现自动化,消除了人为操作造成的影响。实验使用一组渗碳圆柱齿轮样品,经过不同磨削回火条件的研磨,证明MBN方法的检测效果与传统的酸洗法(Nital Etch)相匹配甚至是超过。检测各种强度的研磨回火,包括二次硬化烧伤,使用的是全自动MBN仪器进行的演示。利用x射线衍射和电解抛光可进行残余应力深度分布作为定量验证方法。

简介

在动力传动系统部件的制造中,淬硬钢零件的磨削是一种常见且往往是必要的过程。研磨过程产生的部件可以遵守严格的几何约束,并具有良好的表面光洁度。磨削回火是由于磨削过程中的缺陷而导致零件热损伤,从而产生过多的热量。多余的热量耗散到表面硬化有效回火表面,在更严重的情况下,可以产生改造的未回火马氏体,也称为再硬化。磨脾气的结果是减少疲劳寿命与表面硬度的损失和产生的拉伸残余应力[1]

磨削回火检测是精密钢构件制造商的一项关键能力。传统的方法包括数字蚀刻、x射线衍射深度分布和金相。不过,这些方法也有自己的缺陷,因为它们可能是主观的、耗时的、不敏感的,而且通常是破坏性的。

另一方面,磁巴克豪森噪声(MBN)是一种无损检测技术,可以在全自动包中对研磨回火进行敏感、客观的检测。

通过将MBN测量结果与x射线衍射残余应力深度剖面(XRD RSP)进行直接比较,证明了MBN对渗碳齿轮磨削回火的检测效果。此外,对检测极端再硬化的方法进行了假设和验证,这对MBN用户来说是一个传统的困难应用。

齿轮样本集

样本集由选择从一个齿轮的牙齿。AISI 3310级齿轮经过渗碳和硬化处理至标称硬度60 HRC,然后成形研磨。为了改变样品集的条件和质量,形式磨削过程是使用单个通道为每个齿空间执行,而不修整车轮,因为它在齿轮周围进行。最终的结果是在齿轮周围进行时,从磨削操作引入的热的进展。

巴克豪森噪音测试设备

MBN测试使用了strestech Rollscan 350 Barkhausen噪声分析仪、适合于齿轮齿面测试的楔形传感器和用于自动齿面扫描的GearScan 500系统(1)。使用GearScan 500系统的自动化可以沿着每个齿面宽度进行快速和一致的扫描,这是实现可重复结果的必要条件。

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1:使用Gearscan 500系统对正齿轮和斜齿轮进行自动MBN检测(不代表本研究中测试的部件)

在这个实验中,通过沿面部宽度进行9次均匀间隔扫描来获得空间灵敏度,从枝突的形状直径(扫描#1)到齿尖(扫描#9)。传感器的截面接触面积约为10mm × 2mm。随着传感器沿面部宽度扫描,收集了660个数据点。最终的结果是整个牙齿表面的映射。

x射线衍射设备和方法

XRD RSPs是通过样品深度测量残余应力的破坏性测量方法。它们通常用于检测磨削烧伤,与其他方法相比有几个优点。与蚀刻相比,XRD是定量的,是主观的。与截面显微硬度相比,XRD对应力敏感,通过峰宽测量,对显微组织变化敏感,而截面显微硬度只对硬度敏感。

在研磨回火的情况下,残余应力梯度由诱导的组织梯度[2]产生。因此,XRD RSPs对于检测所谓的“隐藏燃烧”是至关重要的,即发生研磨回火,然后被后续的研磨过程部分清除的情况。结果是一层更薄(或几乎无法测量)的回火材料,很难通过Nital蚀刻或横截面显微硬度测量来检测。然而,由磨削回火产生的拉伸残余应力穿透的深度比微结构梯度要深得多,并在隐藏烧伤的情况下保留下来。MBN对应力敏感,可以检测隐藏烧伤,但唯一有效的定量验证方法是XRD RSPs(2)

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2:隐藏烧伤的应力效应示例。

采用strestech XStress 3000 G2R衍射仪测量XRD RSPs,并去除电化学层进行穿透深度测量。残余应力测量按照ISO EN15305:2008,使用修正的-χ几何[3]XRD RSP计算的材料性质包括211000 MPa的杨氏模量和0.3的泊松比。XRD测量在3.0 mm的光斑尺寸下进行,并对准测量齿的超前方向的应力。

BN测试结果

使用上述测量自动化,MBN信号均方根(RMS)数据被收集在齿轮侧面表面,允许生成MBN表面图。MBN RMS在业内被称为磁弹性参数(mp),是一种针对磨削再回火燃烧敏感性而定制的测量方法。在回火组织的情况下,MBN RMS测量值的增加有两个机制在起作用。较软的微结构,包括马氏体向铁氧体的转变,更容易通过较低的磁顽力磁化,从而产生较大的MBN RMS[4]。此外,磨削回火产生的拉应力影响磁性能的方式与拉应力在铁基合金[5]中产生易磁化轴的方式相似。最终结果是,当磨削回火存在时,MBN RMS更高。

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3:海岸侧翼1号齿的MBN RMS表面图。

样本集中的齿1在理想情况下被研磨,如图3的表面图所示,在整个海岸侧翼表面显示出低且均匀的MBN RMS。然而,9号齿是用一个需要修整的砂轮磨平的(4)。这个海岸侧面显示出较高的MBN RMS值,以及整个表面的非均匀性——典型的磨平迹象。

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4:海岸侧面第九齿的MBN RMS表面图。

MBN RMS表面图谱可以更有效地用于其他时间和劳动密集型测试方法的样品数据集,如XRD或金相。本研究利用MBN RMS表面图谱更有效地选择XRD RSPs的测量位置,以表征磨削缺陷的光谱。

XRD测试结果

采用电化学层去除深度法测定XRD RSPs。根据传统的研磨回火评价(XRD RSPs),选择深度值在0.0 mm ~ 0.20 mm之间。除了在非常高强度的磨削回火情况下,有效磨削应力深度通常小于0.20 mm,并更倾向于表面。因此,在梯度最陡的地表附近收集到更多的数据点,而深度分辨率随着深度的增加而降低。

通常情况下,在没有热损伤的良好磨削过程中,残余应力在表面和深度上保持中性或一定程度的压缩。研磨回火通常会产生一个地下应力峰值,通常是轻微的拉伸,同时通过深度收敛到零应力。应力达到中性或轻微压缩的深度取决于热损伤的深度,换句话说,取决于磨削回火的强度。

5:齿轮侧面的XRD残余应力深度曲线。MBN RMS表面图谱可以更有效地用于其他时间和劳动密集型测试方法的样品数据集,如XRD或金相。本研究利用MBN RMS表面图谱更有效地选择XRD RSPs的测量位置,以表征磨削缺陷的图谱。

XRD测试结果

采用电化学层去除深度法测定XRD RSPs。根据传统的研磨回火评价(XRD RSPs),选择深度值在0.0 mm ~ 0.20 mm之间。除了在非常高强度的磨削回火情况下,有效磨削应力深度通常小于0.20 mm,并更倾向于表面。因此,在梯度最陡的地表附近收集到更多的数据点,而深度分辨率随着深度的增加而降低。

通常情况下,在没有热损伤的良好磨削过程中,残余应力在表面和深度上保持中性或一定程度的压缩。研磨回火通常会产生一个地下应力峰值,通常是轻微的拉伸,同时通过深度收敛到零应力。应力达到中性或轻微压缩的深度取决于热损伤的深度,换句话说,取决于磨削回火的强度。

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5:齿轮侧面的XRD残余应力深度曲线。

从图5中可以看出,磨削回火损伤随齿数的增加而依次增加。除齿1(驱动翼和海岸翼)外,所有样品都观察到地下应力峰值。在0.20 mm的测量深度范围内,12号齿受到了明显的热损伤,没有达到中性或一定程度的压应力。

MBNXRD残余应力的相关性

MBN是一种电磁检测方法,与许多无损检测方法相似,在性质上是相对的。为了适当地利用MBN作为过程工具,用户必须使用参考样本或验证方法来初步设置测量参数和评价标准。完成这一任务的典型方法是将MBN RMS测量值与XRD RSP数据进行比较。具体来说,将特定位置的MBN RMS值与受磨削影响深度内的最大地下残余应力进行比较被认为是最佳做法。对于本研究的样品集,使用MBN RMS表面图来选择XRD RSPs的位置。在每个位置,比较MBN RMS和前0.050 mm内的最大地下残余应力,得到图6所示的图表。

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6:MBN RMS与前0.05 mm最大地下残余应力的对比。

从图6中可以看出,除了一个例外,MBN RMS与最大地下残余应力是一致的。基于MBN结果和相应的残余应力数据,MBN用户可能会使用约130mv的上限作为拒绝标准。唯一测试的样品,没有亚表面拉应力峰值是齿1海岸侧面和齿1驱动侧面。130 mV的上限允许接受可接受的研磨样品,同时拒绝剩余的样品。相关齿12(驱动侧)的异常显示MBN RMS下降,尽管亚表面残余应力大幅增加。虽然导致12号牙损坏的研磨条件非常极端,在工业环境中并不常见,但仍然需要适当地整理这些缺陷。

极端再硬化烧伤病例

在某些情况下,磨削引起的热损伤是如此之大,以至于材料表面被加热超过奥氏体化温度,然后才被磨削冷却剂淬火冷却。最终的结果就是所谓的研磨再硬化。这通常包括,当人们通过深度检查,表层的未回火马氏体,随后的回火区域与较软的铁素体相,最后到达硬化的情况。研磨再硬化可以用传统的方法进行检测,包括XRD RSPs。如图7所示,是通过对驱动侧面27齿的深度测量得到的XRD RSPXRD衍射峰宽度。齿27代表了样品集中磨削损伤的最高水平,因此与典型的生产地面部件相比,损伤的深度夸大了。

除了残余应力数据,XRD RSP测量产生的数据与被测体积的微观结构有关。衍射峰宽(FWHM)是微观结构细化或缺乏细化的指标,FWHM随晶格缺陷、位错密度等的增加而增加。这种关系的最终结果是,在未回火马氏体的情况下观察到非常高的FWHM,而在软铁素体的情况下观察到非常低的FWHM。因此,FWHM是一个有用的微观结构转变指标。

总的来说,XRD残余应力与FWHM数据一致,较高的地下应力与较低的FWHM相关。这种关系在磨削回火的情况下是典型的,因为微观组织的转变降低了FWHM,同时也产生了亚表面残余应力。

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7:齿轮侧面的XRD FWHM深度剖面。

通过MBN检测磨削再硬化通常与检测磨削回火一样简单,但有一点需要注意:更高强度的损伤不一定会增加MBNRMS测量值。事实上,通常MBN RMS测量值会随着再硬化损伤的增加而降低。这是由于再硬化的微结构具有非常高的矫顽力,这使它更难磁化。为了最好地检测极端再硬化烧伤的情况,可以使用MBN峰值位置。MBN峰位置是MBN峰相对于外加磁场h的相位置,它通常与磁力矫顽力相关。因此,它能够敏感的变化,磁矫顽力伴随研磨再回火,燃烧和研磨再硬化。如图8所示,齿2,驱动侧MBN峰的高度增加(更高的MBN RMS),尽管它的位置移动较低,相对于齿1,驱动侧,在再回火的情况下。在齿27再硬化的情况下,峰值高度降低,但也移动到更高的位置,这是未回火马氏体的预期,导致更高的矫顽力。

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8:MBN峰值,用垂直线表示峰值位置。分色:齿1,传动侧为红色;齿2、传动侧面为绿色;齿27,驱动侧为蓝色。

在传统MBN测量不充分的情况下,除了磨削回火外,还可以进行适当的磨削再硬化检测。在这些情况下,除了MBN RMS之外,还可以使用MBN峰值位置来检测磨削热损伤的任何情况。

结论

实验证明,MBN是一种有效的磨削回火检测技术,特别是对渗碳齿轮。MBN的测定结果被XRD RSPs成功证实。采用自动化精确控制传感器的定位、接触角度和扫描速度。这些问题在手工测量时总是一个挑战。自动化的使用导致可重复测量,允许细微的变化,如峰值位置的变化被检测到。此外,使用MBN峰值位置分析分析了极端再硬化的情况,并成功地检测到,即使在传统MBN测量无效的情况下。

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