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首頁 > 產(chǎn)品應(yīng)用 > 磨削燒傷檢測(cè)儀 > 替代酸洗法巴克豪森噪聲技術(shù)檢測(cè)齒輪磨削后的回火燒傷
MBN是定量的、可重復(fù)的、非破壞性的易于自動(dòng)化的檢測(cè)手段，可以防止人為操作不同而對(duì)結(jié)果造成的影響。
磨削燒傷的檢測(cè)和預(yù)防對(duì)各種類型和尺寸的磨削齒輪的生產(chǎn)至關(guān)重要。磨削過程中的過熱或磨削回火會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生表面和表面以下的不良組織、硬度和應(yīng)力特性。這些特性導(dǎo)致了精密表面的失效模式，而精密表面通常要求在長(zhǎng)壽命的負(fù)載下具有高性能。傳統(tǒng)的磨削回火檢測(cè)方法是酸洗法，比較主觀，而且具有破壞性，并需要環(huán)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(dāng)定制的工藝和訓(xùn)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(fù)的，非破壞的。MBN方法很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，消除了人為操作造成的影響。實(shí)驗(yàn)使用一組滲碳圓柱齒輪樣品，經(jīng)過不同磨削回火條件的研磨，證明MBN方法的檢測(cè)效果與傳統(tǒng)的酸洗法（Nital Etch)相匹配甚至是超過。檢測(cè)各種強(qiáng)度的研磨回火，包括二次硬化燒傷，使用的是全自動(dòng)MBN儀器進(jìn)行的演示。利用x射線衍射和電解拋光可進(jìn)行殘余應(yīng)力深度分布作為定量驗(yàn)證方法。
簡(jiǎn)介
在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)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(chǎn)生的部件可以遵守嚴(yán)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(dǎo)致零件熱損傷，從而產(chǎn)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(yán)重的情況下，可以產(chǎn)生改造的未回火馬氏體，也稱為再硬化。磨脾氣的結(jié)果是減少疲勞壽命與表面硬度的損失和產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力[1]。
磨削回火檢測(cè)是精密鋼構(gòu)件制造商的一項(xiàng)關(guān)鍵能力。傳統(tǒng)的方法包括數(shù)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?yàn)樗鼈兛赡苁侵饔^的、耗時(shí)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(cè)技術(shù)，可以在全自動(dòng)包中對(duì)研磨回火進(jìn)行敏感、客觀的檢測(cè)。
通過將MBN測(cè)量結(jié)果與x射線衍射殘余應(yīng)力深度剖面(XRD RSP)進(jìn)行直接比較，證明了MBN對(duì)滲碳齒輪磨削回火的檢測(cè)效果。此外，對(duì)檢測(cè)極端再硬化的方法進(jìn)行了假設(shè)和驗(yàn)證，這對(duì)MBN用戶來說是一個(gè)傳統(tǒng)的困難應(yīng)用。
齒輪樣本集
樣本集由選擇從一個(gè)齒輪的牙齒。AISI 3310級(jí)齒輪經(jīng)過滲碳和硬化處理至標(biāo)稱硬度60 HRC，然后成形研磨。為了改變樣品集的條件和質(zhì)量，形式磨削過程是使用單個(gè)通道為每個(gè)齒空間執(zhí)行，而不修整車輪，因?yàn)樗邶X輪周圍進(jìn)行。最終的結(jié)果是在齒輪周圍進(jìn)行時(shí)，從磨削操作引入的熱的進(jìn)展。
巴克豪森噪音測(cè)試設(shè)備
MBN測(cè)試使用了strestech Rollscan 350 Barkhausen噪聲分析儀、適合于齒輪齒面測(cè)試的楔形傳感器和用于自動(dòng)齒面掃描的GearScan 500系統(tǒng)(圖1)。使用GearScan 500系統(tǒng)的自動(dòng)化可以沿著每個(gè)齒面寬度進(jìn)行快速和一致的掃描，這是實(shí)現(xiàn)可重復(fù)結(jié)果的必要條件。
圖1:使用Gearscan 500系統(tǒng)對(duì)正齒輪和斜齒輪進(jìn)行自動(dòng)MBN檢測(cè)(不代表本研究中測(cè)試的部件)。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過沿面部寬度進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。最終的結(jié)果是整個(gè)牙齒表面的映射。
x射線衍射設(shè)備和方法
XRD RSPs是通過樣品深度測(cè)量殘余應(yīng)力的破壞性測(cè)量方法。它們通常用于檢測(cè)磨削燒傷，與其他方法相比有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。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(duì)應(yīng)力敏感，通過峰寬測(cè)量，對(duì)顯微組織變化敏感，而截面顯微硬度只對(duì)硬度敏感。
在研磨回火的情況下，殘余應(yīng)力梯度由誘導(dǎo)的組織梯度[2]產(chǎn)生。因此，XRD RSPs對(duì)于檢測(cè)所謂的“隱藏燃燒”是至關(guān)重要的，即發(fā)生研磨回火，然后被后續(xù)的研磨過程部分清除的情況。結(jié)果是一層更薄(或幾乎無法測(cè)量)的回火材料，很難通過Nital蝕刻或橫截面顯微硬度測(cè)量來檢測(cè)。然而，由磨削回火產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力穿透的深度比微結(jié)構(gòu)梯度要深得多，并在隱藏?zé)齻那闆r下保留下來。MBN對(duì)應(yīng)力敏感，可以檢測(cè)隱藏?zé)齻?，但唯一有效的定量?yàn)證方法是XRD RSPs。(圖2)
圖2:隱藏?zé)齻膽?yīng)力效應(yīng)示例。
采用strestech XStress 3000 G2R衍射儀測(cè)量XRD RSPs，并去除電化學(xué)層進(jìn)行穿透深度測(cè)量。殘余應(yīng)力測(cè)量按照ISO EN15305:2008，使用修正的-χ幾何[3]。XRD RSP計(jì)算的材料性質(zhì)包括211000 MPa的楊氏模量和0.3的泊松比。XRD測(cè)量在3.0 mm的光斑尺寸下進(jìn)行，并對(duì)準(zhǔn)測(cè)量齒的超前方向的應(yīng)力。
BN測(cè)試結(jié)果
使用上述測(cè)量自動(dòng)化，MBN信號(hào)均方根(RMS)數(shù)據(jù)被收集在齒輪側(cè)面表面，允許生成MBN表面圖。MBN RMS在業(yè)內(nèi)被稱為磁彈性參數(shù)(mp)，是一種針對(duì)磨削再回火燃燒敏感性而定制的測(cè)量方法。在回火組織的情況下，MBN RMS測(cè)量值的增加有兩個(gè)機(jī)制在起作用。較軟的微結(jié)構(gòu)，包括馬氏體向鐵氧體的轉(zhuǎn)變，更容易通過較低的磁頑力磁化，從而產(chǎn)生較大的MBN RMS[4]。此外，磨削回火產(chǎn)生的拉應(yīng)力影響磁性能的方式與拉應(yīng)力在鐵基合金[5]中產(chǎn)生易磁化軸的方式相似。最終結(jié)果是，當(dāng)磨削回火存在時(shí)，MBN RMS更高。
圖3:海岸側(cè)翼1號(hào)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(gè)海岸側(cè)翼表面顯示出低且均勻的MBN RMS。然而，9號(hào)齒是用一個(gè)需要修整的砂輪磨平的(圖4)。這個(gè)海岸側(cè)面顯示出較高的MBN RMS值，以及整個(gè)表面的非均勻性——典型的磨平跡象。
圖4:海岸側(cè)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(shí)間和勞動(dòng)密集型測(cè)試方法的樣品數(shù)據(jù)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(cè)量位置，以表征磨削缺陷的光譜。
XRD測(cè)試結(jié)果
采用電化學(xué)層去除深度法測(cè)定XRD RSPs。根據(jù)傳統(tǒng)的研磨回火評(píng)價(jià)(XRD RSPs)，選擇深度值在0.0 mm ~ 0.20 mm之間。除了在非常高強(qiáng)度的磨削回火情況下，有效磨削應(yīng)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(shù)據(jù)點(diǎn)，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(yīng)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)地下應(yīng)力峰值，通常是輕微的拉伸，同時(shí)通過深度收斂到零應(yīng)力。應(yīng)力達(dá)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(qiáng)度。
圖5:齒輪側(cè)面的XRD殘余應(yīng)力深度曲線。MBN RMS表面圖譜可以更有效地用于其他時(shí)間和勞動(dòng)密集型測(cè)試方法的樣品數(shù)據(jù)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(cè)量位置，以表征磨削缺陷的圖譜。
XRD測(cè)試結(jié)果
采用電化學(xué)層去除深度法測(cè)定XRD RSPs。根據(jù)傳統(tǒng)的研磨回火評(píng)價(jià)(XRD RSPs)，選擇深度值在0.0 mm ~ 0.20 mm之間。除了在非常高強(qiáng)度的磨削回火情況下，有效磨削應(yīng)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(shù)據(jù)點(diǎn)，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(yīng)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)地下應(yīng)力峰值，通常是輕微的拉伸，同時(shí)通過深度收斂到零應(yīng)力。應(yīng)力達(dá)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(qiáng)度。
圖5:齒輪側(cè)面的XRD殘余應(yīng)力深度曲線。
從圖5中可以看出，磨削回火損傷隨齒數(shù)的增加而依次增加。除齒1(驅(qū)動(dòng)翼和海岸翼)外，所有樣品都觀察到地下應(yīng)力峰值。在0.20 mm的測(cè)量深度范圍內(nèi)，12號(hào)齒受到了明顯的熱損傷，沒有達(dá)到中性或一定程度的壓應(yīng)力。
MBN與XRD殘余應(yīng)力的相關(guān)性
MBN是一種電磁檢測(cè)方法，與許多無損檢測(cè)方法相似，在性質(zhì)上是相對(duì)的。為了適當(dāng)?shù)乩?/span>MBN作為過程工具，用戶必須使用參考樣本或驗(yàn)證方法來初步設(shè)置測(cè)量參數(shù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。完成這一任務(wù)的典型方法是將MBN RMS測(cè)量值與XRD RSP數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)的最大地下殘余應(yīng)力進(jìn)行比較被認(rèn)為是最佳做法。對(duì)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(gè)位置，比較MBN RMS和前0.050 mm內(nèi)的最大地下殘余應(yīng)力，得到圖6所示的圖表。
圖6:MBN RMS與前0.05 mm最大地下殘余應(yīng)力的對(duì)比。
從圖6中可以看出，除了一個(gè)例外，MBN RMS與最大地下殘余應(yīng)力是一致的?；?/span>MBN結(jié)果和相應(yīng)的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，MBN用戶可能會(huì)使用約130mv的上限作為拒絕標(biāo)準(zhǔn)。唯一測(cè)試的樣品，沒有亞表面拉應(yīng)力峰值是齒1海岸側(cè)面和齒1驅(qū)動(dòng)側(cè)面。130 mV的上限允許接受可接受的研磨樣品，同時(shí)拒絕剩余的樣品。相關(guān)齒12(驅(qū)動(dòng)側(cè))的異常顯示MBN RMS下降，盡管亞表面殘余應(yīng)力大幅增加。雖然導(dǎo)致12號(hào)牙損壞的研磨條件非常極端，在工業(yè)環(huán)境中并不常見，但仍然需要適當(dāng)?shù)卣磉@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(jié)果就是所謂的研磨再硬化。這通常包括，當(dāng)人們通過深度檢查，表層的未回火馬氏體，隨后的回火區(qū)域與較軟的鐵素體相，最后到達(dá)硬化的情況。研磨再硬化可以用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行檢測(cè)，包括XRD RSPs。如圖7所示，是通過對(duì)驅(qū)動(dòng)側(cè)面27齒的深度測(cè)量得到的XRD RSP和XRD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(chǎn)地面部件相比，損傷的深度夸大了。
除了殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，XRD RSP測(cè)量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與被測(cè)體積的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。衍射峰寬(FWHM)是微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化或缺乏細(xì)化的指標(biāo)，FWHM隨晶格缺陷、位錯(cuò)密度等的增加而增加。這種關(guān)系的最終結(jié)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(gè)有用的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變指標(biāo)。
總的來說，XRD殘余應(yīng)力與FWHM數(shù)據(jù)一致，較高的地下應(yīng)力與較低的FWHM相關(guān)。這種關(guān)系在磨削回火的情況下是典型的，因?yàn)槲⒂^組織的轉(zhuǎn)變降低了FWHM，同時(shí)也產(chǎn)生了亞表面殘余應(yīng)力。
圖7:齒輪側(cè)面的XRD FWHM深度剖面。
通過MBN檢測(cè)磨削再硬化通常與檢測(cè)磨削回火一樣簡(jiǎn)單，但有一點(diǎn)需要注意:更高強(qiáng)度的損傷不一定會(huì)增加MBN的RMS測(cè)量值。事實(shí)上，通常MBN RMS測(cè)量值會(huì)隨著再硬化損傷的增加而降低。這是由于再硬化的微結(jié)構(gòu)具有非常高的矯頑力，這使它更難磁化。為了最好地檢測(cè)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(duì)于外加磁場(chǎng)h的相位置，它通常與磁力矯頑力相關(guān)。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(qū)動(dòng)側(cè)MBN峰的高度增加(更高的MBN RMS)，盡管它的位置移動(dòng)較低，相對(duì)于齒1，驅(qū)動(dòng)側(cè)，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(dòng)到更高的位置，這是未回火馬氏體的預(yù)期，導(dǎo)致更高的矯頑力。
圖8:MBN峰值，用垂直線表示峰值位置。分色:齒1，傳動(dòng)側(cè)為紅色;齒2、傳動(dòng)側(cè)面為綠色;齒27，驅(qū)動(dòng)側(cè)為藍(lán)色。
在傳統(tǒng)MBN測(cè)量不充分的情況下，除了磨削回火外，還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ハ髟儆不瘷z測(cè)。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(cè)磨削熱損傷的任何情況。
結(jié)論
實(shí)驗(yàn)證明，MBN是一種有效的磨削回火檢測(cè)技術(shù)，特別是對(duì)滲碳齒輪。MBN的測(cè)定結(jié)果被XRD RSPs成功證實(shí)。采用自動(dòng)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(cè)量時(shí)總是一個(gè)挑戰(zhàn)。自動(dòng)化的使用導(dǎo)致可重復(fù)測(cè)量，允許細(xì)微的變化，如峰值位置的變化被檢測(cè)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(cè)到，即使在傳統(tǒng)MBN測(cè)量無效的情況下。
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