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第 5 卷- 2017 年 3 月刊
使用涡流控制NanoPeening®的非破坏性方法的开发



图1:不锈钢和碳钢的标准穿透深度的演变


表1:本研究中使用的不锈钢316的化学成分(重量百分比)


表2:用于在不锈钢316上检查NanoPeening®的仪器设置


图2:在Weldcheck仪器上显示的轨迹图


图3:在圆柱上进行的NanoPeening®的定性控制 - 具有纳米结构层厚度的相角θ值的演变


图4:距表面30µm和100µm处的硬度演变作为用涡流Weldcheck仪器测量的θ值的函数。虚线绘制用于指导读数。

简介

  NanoPeening®是由Winoa开发的一种用于在金属机械部件上获得纳米尺寸颗粒层的机械冲击处理工艺[1]。

  在NanoPeening®工艺开发的早期阶段,可用于施加在材料处理上的可控方法均有破坏性,并且耗时,即:硬度分布分析和显微观察。两种方法都需要样品制备,并且不能用于全局控制喷砂部件。

  现在终于可以使用不同的非破坏性方法来帮助表征纳米结构层,包括:巴克豪森效应、纳米压痕、超声或电磁检查。但这些方法均未提供即用型方法,并且处于开发阶段。

  考虑到仪器的投资成本(<10000欧元)和方法的植入便利性,涡流技术似乎是一个很好的选择。

涡流检查

  涡流检查通常用于工业中,以检测表面缺陷(裂纹或空洞),测量涂膜厚度或分选金属废物[2],但也用于控制热处理[3]。

  这种非破坏性技术可简要描述如下:包含接近导体的线圈的探针在导体内产生电流。该电流又将产生与线圈中的电流相反的电流(涡流)和相关的磁场。通常,探针作为发射体和受体。磁场变化取决于磁导率μ,导体的电导率和存在的缺陷。

  使用涡流时要注意的一个重要参数是标准穿透深度。该长度定义为使涡流损失其振幅的63%时与导体表面的距离。

  在第一近似值中,材料的穿透深度δ可以表示为:

“公式无法显示” (1)

  其中,f是线圈中磁场的频率。

  在不锈钢化合物的情况下,对于100至500kHz的频率,穿透深度在几百微米的范围内。在碳钢的情况下,在相同频率范围内,穿透深度低一个数量级(图1)。

  在与δ具有相同数量级的厚度的次表面层中修改μ或σ的任何处理可以通过涡流检查来表征。唯一的要求是在仪器读数和材料特性之间建立一些初步的相关性。通常,这些相关性通过破坏性分析完成。

  NanoPeening®处理在材料的次表面层中引入一些典型深度为几十微米的结构修改[4]。因此,基于涡流检测的NanoPeening®表征方法的开发对于大多数金属部件是可能的。

材料和方法

  本文中给出的结果是使用来自Ugitech的奥氏体不锈钢AISI 316(UGIMA 4404HM棒转动抛光溶液退火H10圆周30mm)所获得。所用不锈钢的成分在表1中给出。

  使用Leco微观硬度计,通过Knoop压头获得微观硬度分布。

  在切割、封堵和抛光后的横截面样品上进行显微观察,获得微观硬度分布。

  涡轮电流分析已通过来自Ether NDE的WeldCheck仪器的检验,该仪器配备有45°角的屏蔽探针。等式1表明低频测试增加了标准穿透深度,并且更适合于检查NanoPeening®。频率固定为200kHz,并且仪器设置经过优化,以便在一个屏幕内显示涡流反应(表2)。

  仪器给出的信号是相图中的轨迹。实验表明,探针与材料接触后,所考虑,并且与NanoPeening®处理相关的最有代表性的参数是稳定点的相角θ(图2)。

结果

表面粗糙度影响

  在已知影响涡流分析的参数中,经常被提到的是表面粗糙度。在不锈钢部件的机械喷砂期间会产生Ra为2~5µm的表面粗糙度,因此必须检查其影响。

制备了两个样品:
• 样品1:抛光平坦表面
• 样品2:抛光平坦表面+机械喷砂,以获得100%的覆盖率(Ra~3µm)

  这些样品不呈现任何纳米结构层,并且只有表面粗糙度不同。涡流检查表明其反应相同。

  未发现表面粗糙度是干扰参数,当然,这是因为所选磁场的频率足够低(200kHz),可允许材料内的电流(δ>>Ra)进行良好的穿透。

NanoPeening®定性控制

  涡流检查似乎是检查喷砂处理均匀性的有效技术。

  探针与表面接触后,就可以将其在四周移动,仪器屏幕上显示相应信号的相位和幅度。如果信号改变,一种可能是喷砂处理不均匀。

  图3说明了这种定性控制。NanoPeening®处理已应用于不锈钢圆柱。喷砂参数经调整,以便在喷砂表面上产生渐进的纳米结构层。显微图片上圆柱外表面上的灰色层是通过NanoPeening®获得的纳米结构层。

  在喷砂圆柱的表面上进行了涡流检查(图3报告的θ值),并与通过显微观察测量的纳米结构层厚度进行比较。很难直接将这些分析相关联,因为纳米结构层的估计具有高度主观性。但是,θ值是了解NanoPeening®处理是否已正确完成的良好指标,θ值的变化表明下方纳米结构层的差异。

涡流反应和硬度分布之间的相关性

  目的是将使用涡流仪器测量的θ值与进行NanoPeening®处理后的材料给定深度处的硬度相关联。

  在不锈钢316样品上进行了不同的NanoPeening®处理。已经测量了在30µm和100µm处的硬度,结果作为用涡流仪器测量的θ值的函数绘制在图4上。

对图4的描述如下:
• 图的左边部分,针对大于150°的θ值。NanoPeening®处理时间未优化,纳米结构层正在构建,硬度值增加。
• 图的右边部分,针对小于50°的θ值。喷砂处理开始,使部件的表面退化;NanoPeening®处理过于严苛。
• 图的中央部分,针对范围为[60°;140°]的θ值。这是控制NanoPeening®处理的关注区域。可以观察到该区域的硬度和θ值之间的线性相关性。有趣的是,在该范围内,θ的轨迹是追随NanoPeening®处理的精确参数,比硬度值更为精确。θ的误差为±5°,而硬度是±15Hv。

结语

  涡流检查已被用于表征金属表面上的NanoPeening®处理。可以定性控制,以便检查处理的均匀性,或定量控制,以便与硬度增加相关联。在后一种情况下,必须在仪器读数和材料特性(硬度分布)之间建立一些初步相关性,以便能够使用该非破坏性技术来控制NanoPeening®处理。

  在本文中说明了不锈钢316的情况,但是根据客户的要求,Winoa能够开发针对其他材料的NanoPeening®处理的非破坏性检查。

致谢

  Winoa感谢来自Ugitech,提供材料的Marticou先生,以及来自焊接研究所(TWI)的John Rudlin博士,他在本研究期间为我们提供了建议。

参考文献

[1] Traitement d'une surface d'une pièce métallique EP2721190 A1
[2] 涡流测试初学者指南,J.R.Rudlin博士,《英国无损检测杂志》,第31卷,第6期,1989年6月
[3] 用于评估钢脱碳的涡流和硬度测试,D.Mercier,J.Lesage,X.Decoopman,《国际无损检测和评估》,第39卷,第8期,2006年12月,第652-660页
[4] 通过«NanoPeening®»的机械预处理提高热处理性能:渗氮和低压碳氮共渗的案例研究,T Muller,口头介绍A3TS2012



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