CN103827625A - 用于确定钢部件，特别是齿轮的有效表面硬化或渗氮深度的设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定钢部件的有效表面硬化或渗氮深度的设备（1）包括测量头（2）和展开设备（3），该测量头包括激光源（10），产生用于扫描待测量的部件的预定部分的可变频率的辐射；红外探测器（16），构造成以检测由该待测量的部件所产生的红外辐射；以及所接收的红外辐射的光谱的计算设备（17），该展开设备连接到测量头（2）并包括第一计算设备（26，40至56）和第二计算设备（26，58），该第一计算设备适于基于启动分布和所接收的红外辐射的光谱来计算待测量的部件的硬度分布，该第二计算设备适于从所计算的硬度分布来计算有效表面硬化深度。

Description

用于确定钢部件,特别是齿轮的有效表面硬化或渗氮深度的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定钢部件（特别是齿轮）的有效表面硬化或渗氮深度的设备及方法。

背景技术

众所周知，一些应用需要高硬度钢齿轮。为了这个目的，钢经受包括表面的渗氮或表面硬化的阶段以及钢部件的后续热处理的硬化过程。该过程实现了钢从奥氏体向马氏体的局部结构转变，其晶粒使钢更坚硬。从热的观点来看，由于在晶粒的边缘处的高接触热阻，马氏体的晶粒的存在抑制了热的传输。

宏观的结果是，随着马氏体含量的增加，钢的硬度增加，并且传导性和热扩散系数降低。表面硬化和/或渗氮深度是齿轮设计要求，并且因此必须在测试阶段测量。

目前，为了在硬化过程结束时评估样品的硬度，在热处理和另外的钢加工阶段的后续程序（通常是最后的齿轮磨削操作的后续程序）之后来测量有效的表面硬化或渗氮深度。

为了这个目的，在热处理后，在表面硬化或渗氮期间伴随批次的圆柱试件的中央部分上使用硬度计来确定硬度分布（hardness profile）；在最后的磨削后，在以120°布置的三个齿的齿侧上、齿根半径上、齿顶上及端面上，以及齿轮承载轨迹上来确定硬度分布。

在这两种情况下，在通过硬度计确定硬度分布后，初步操作是必要的，该操作需要进行齿轮和圆柱试件的剖切、树脂封装以及抛光。

当前用于确定硬度的方法是不利的，因为它是破坏性类型的且需要对齿轮进行剖切。此外，由于用于准备待测量样品的一系列初步操作的存在，该方法昂贵且冗长。

文章“Reconstruction of depth profiles of thermal conductivity of casehardened steels using a three-dimensional photothermal technique（使用三维光热技术的表面硬化钢的导热性的深度分布的重构）”，洪瞿（音）等，应用物理杂志第104卷，第11期，1-1-2008，第113518页描述了用于确定有效表面硬化深度的方法。特别地，所述方法需要非表面硬化样本以及具有已知和不同的有效表面硬化深度的多个表面硬化样本。此外，激光源以可变频率传输电磁辐射激励到每个表面硬化样本；因此，作为响应，每个表面硬化样本产生电磁辐射。根据该方法，光谱此外确定用于每个表面硬化样本；该光谱等于由所考虑的表面硬化样本产生的电磁响应辐射的相位与由非表面硬化样本产生的电磁响应辐射的相位之间的差，该差为电磁激励辐射的频率的函数。对于每个光谱，对应的最小值和该最小值发生的对应的频率因此被计算；以这种方式，最小频率的数量将对应于表面硬化样本的数量。然后确定校准函数，该函数使最小频率与对应的表面硬化样本的有效表面硬化深度相关。然后电磁辐射激励传输到未知样本，以便未知样本产生相应的电磁响应辐射。随后确定另一个光谱，等于由未知样本所产生的电磁响应辐射相位与由非表面硬化样本产生的电磁响应辐射相位之间的差，该差为电磁辐射激励的频率的函数。最后确定该另一个光谱的最小值，以及该最小值发生的对应的频率。通过未知样本的最小频率与上述校准函数之间的对比，未知样本的有效表面硬化深度被评估。

尽管所述方法为非破坏型的，但是该方法提供了在很大程度上取决于精度的结果，通过该精度确定已知表面硬化样品的最小频率。然而，不幸地是，最小频率的确定可能不精确，并且因此校准函数可能不准确。此外，校准函数具有很高的斜率；因此，在确定未知样品的最小频率方面不可避免的不准确度在所确定的有效表面硬化深度上引起相当大的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量有效表面硬化或渗氮深度的设备和方法，其解决了已知方法的缺陷。

根据本发明，如权利要求1中所限定的，提供一种用于确定钢部件的有效表面硬化或渗氮深度的设备。此外，根据本发明，如权利要求8中所限定的，提供一种用于确定钢部件的有效表面硬化或渗氮深度的方法。

附图说明

现在将参照对非限制性实施例进行说明的附图来描述本发明，在附图中：

图1示出了属于本设备的测量头的示意图；

图2示出了属于本设备的展开设备（evolventimeter）的实施；

图3示出了进行测量的区域和齿轮的一部分；

图4a和图4b示出了由图1的测量头测量的光谱的实例；

图5示出了待使用本方法分析的齿轮部分的物理结构的模型；

图6示出了由本方法所使用的初始硬度分布；

图7a和图7b示出了本方法确定有效深度的流程图；以及

图8示出了由本方法确定的硬度分布与通过硬度计测量的参考分布之间的比较。

具体实施方式

本发明基于测量技术PTR（激光光热辐射测量），包括使用调频激光源激励待测量的部件的区域。产生的热波穿透入硬化钢中并由材料反射；因此，该材料产生红外辐射。

特别地，激光辐射的穿透深度取决于其频率。此外，发出的红外辐射取决于每次反射的区域的硬度；因此，通过用区分频率（differentiatedfrequency，不同频率）的激光辐射扫描待测量的齿轮的区域，在每个时刻，红外辐射与在该时刻由激光辐射冲击的区域的特定硬度相关。红外探测器（例如碲汞镉（cadmium mercury telluride））以及适当的处理电子器件收集该红外辐射并确定该红外辐射的光谱，并且特别地，确定所发出的红外辐射的振幅和相位；更详细地，除了由该部件发出的红外辐射的振幅与由非表面硬化部件所发出的红外辐射的相位之间的差之外，该处理电子器件确定由该部件发出的红外辐射的相位与由非表面硬化（已知）部件所发出的红外辐射的相位之间的差，如以下更详细地进行描述。分别地，获得初始表面硬化或渗氮参数，如以下所解释；基于初始参数，生成称为启动分布（launch profile）的初始硬度分布，考虑检测的光谱以及齿轮材料的扩散系数与局部硬度之间的关系（已知）在几个步骤中校正该启动分布；该关系以本身已知的方式在实验上确定，例如通过在具有已知硬度分布的样本上的光热偏转。通过迭代过程，获得具有与所测量的光谱类似的热光谱的重构硬度分布。通过定义，所述重构硬度分布具有等于513HV的值的深度构成有效的表面硬化或渗氮深度E，而定义为核心硬度+100HV。

为了实现上述技术，本设备1（图2）包括两个部分：在图1中示意性地示出的测量头2，以及在图2示出的展开设备3。

详细地，测量头2包括激光源10，该激光源连接到激光准直器11、电源12以及控制器13。激光源10还连接到热电式冷却控制系统（未示出）。此外，测量头1包括聚焦器15、IR探测器16以及光谱计算单元17，该光谱计算单元还称为处理单元17。

例如，在本申请人制造的原型中，已优化了测量头2，以便焦点F与激光准直器的透镜L1之间的距离D1为27mm、透镜L1与齿轮20之间的距离为77mm、以及齿轮20与IR探测器16之间的距离等于200mm。IR探测器16为HgCdTe类型。

测量头2通过展开设备3移动（仅以本领域的技术人员可容易理解的方式由移动单元21示意性地示出），以允许由激光准直器11发出的激光束18在不同频率下扫描齿轮20，即每个单个齿的齿侧22、齿根半径23以及齿顶24（图3）。

如上所示，通过定位在距离表面的不同距离处的齿轮20的材料，该扫描频率（例如从1000Hz到0Hz，并具有对数趋势）确定对应红外辐射（还作为热波被熟知）的发射，通过聚焦器1的透镜15a聚焦的该红外辐射由产生对应电信号的IR探测器16检测。然后这些信号由处理单元17处理以获得相位和热波振幅的趋势，以下由测量的光谱表示并例如分别在图4a和图4b中示出。

更详细地，处理单元17确定由展开设备3接收的红外辐射的第一和第二测量光谱，该红外辐射由齿轮20所识别的一部分以本身已知的方式发出。齿轮20的识别部分与激光源10之间的距离在频率扫描操作期间保持恒定。

在描述所测量的第一和第二光谱之前，应当注意的是，在确定由非表面硬化齿轮（未示出）发出的红外辐射的相位和振幅的趋势（随着激光源19的频率改变）之前，进行第一和第二测量光谱的确定，并且特别地，非表面硬化齿轮为由展开设备3所识别的该非表面硬化齿轮的一部分并对应于齿轮20的上述部分。该非表面硬化齿轮由与齿轮20相同的材料形成，但其并非表面硬化的；此外，非表面硬化齿轮具有与齿轮20相同的几何形状。

在频率扫描期间，激光源10与非表面硬化齿轮的识别部分之间的距离不变。以下，为了简便，参照由被理解的展开设备3所识别的对应的部分，提及由齿轮20和非表面硬化齿轮发出的红外辐射。

测量的第一光谱等于由齿轮20所产生的红外辐射的相位与由非表面硬化齿轮所生成的红外辐射的相位之间的差，该差为由激光源10所产生的辐射的频率的函数。测量的第二光谱等于由齿轮20所产生的红外辐射的振幅与由非表面硬化齿轮所生成的红外辐射的振幅之间的差，该差为由激光源10所产生的辐射的频率的函数。

如图5所示，更详细地，待分析的齿轮的部分示出为由N+2层的序列形成，该序列包括具有硬度H_surf的表层S、具有硬度H_bulk的核心层B、以及N个中间层L_i，每个中间层均由各自层内部的统一的结构建模并具有各自的硬度H_i，其中i=1，2，…，N，硬度在每一层内部是恒定的。该N个中间层L_i具有相等的厚度，例如0.1mm；因此，在每个中间层中，热扩散系数视为恒定的。

在该假设中，测量头2执行图7a的流程图中示出的并包括以下阶段的步骤：利用可变频率激光辐射扫描待测量的部件的预定部分，步骤32；响应于激光扫描检测由待测量的部件产生的红外辐射，步骤34；以及确定所接收的红外辐射的光谱（即，上述测量的第一和第二光谱），步骤36。

除了用于测量头2的支撑台25，展开设备3（图2）包括计算器26（该计算器设置用于测量头2的运动并还可包括图1的光谱计算单元17）以及用于与操作者交互的输入/输出界面单元，诸如键盘27、屏幕28、打印机29等。

此外，处理单元17执行算法以根据中间层L_i的均匀性的假设来确定重构的硬度分布，如上面所讨论的，并且起初使用启动分布H_L（根据变量z，与表面相距的距离）设定以代表对于所有检测的钢的期望的分布，属于由以下表达式提供的下降的单调分布的类别：

$H_L\left(z\right)=\frac{H_{\mathrm{surf}}+H_{\mathrm{bulk}}}{2}-\left(\frac{H_{\mathrm{surf}}-H_{\mathrm{bulk}}}{2}\right)\tanh \left(\frac{z-z_{\mathrm{ref}}}{z_{\mathrm{\σ}}}\right)---\left(1\right)$

该表达式的趋势在图6中示出，其还示出了所使用的参数的含义。

特别地，在方程（1）中，如上所示，H_surf和H_bulk为表层S和核心层B的硬度值，并且由使用者根据经验设定为预期表面硬度、渐近硬度，在齿轮上执行的热处理以及有效表面硬化深度，例如通过使用与正被讨论的钢的类型相关的默认值；z_ref代表马氏体/奥氏体接口的深度，即启动分布达到介于H_surf与H_bulk之间的硬度的深度；并且z_σ为马氏体与奥氏体之间过渡区域的厚度，因此该分布的斜率在该区域中。出于实践的目的，H_surf和H_bulk根据对应的预期值而设定，其取决于齿轮20已经经受的热表面硬化处理。

从该启动分布H_L开始，处理单元17通过以下参考图7b的流程图进行描述的转换过程计算所构建的硬度分布。

详细地，处理单元17运行程序，其最初等待参数H_surf、H_bulk、z_σ、z_ref的值的进入（步骤40），并产生对应的启动分布H（z）（步骤42）。基于在具有已知硬度的试件上执行的测量的基础上先前获得并储存在未示出的表中的硬度值H与热扩散系数β之间的已知关系，该程序计算用于正被讨论的齿轮的每个层L₁至L_N的热扩散系数的趋势（步骤44），并确定热波的热发射光谱（步骤46）。

特别地，确定与启动分布相关的第一和第二热发射光谱，并基于下述热方程来确定。

第一热发射光谱等于由具有与启动分布相等的硬度分布的理论齿轮所产生的红外辐射相位与由非表面硬化齿轮所产生的红外辐射相位之间的差；随着激光源10的频率改变，第一热发射光谱报告所述差。特别地，如下所述，假设红外辐射由对应于齿轮20的上述部分的理论齿轮的一部分所产生，由理论齿轮所产生的该红外辐射相位用数字计算。

第二热发射光谱等于由理论齿轮所产生的红外辐射的振幅与由非表面硬化齿轮所产生的红外辐射的振幅之间的差；同样，第二热发射光谱为激光源10的频率的函数。此外，与先前假设相同，由理论齿轮所产生的红外辐射的振幅用数字计算。

详细地，理论齿轮为真实齿轮的物理-数学模型，其具有与启动分布相等的硬度分布。此外，虽然基于该辐射的测量确定了由非表面硬化齿轮所产生的红外辐射的相位和振幅，但是由理论齿轮所产生的红外辐射的相位和振幅用数字获得，即，不存在等于理论齿轮的真实齿轮。

再更详细地，对于热发射光谱的计算，并且特别地，对于由理论齿轮所产生的红外辐射的相位和振幅的计算，程序使用热波动方程：

${\▿}^2\mathrm{\Φ}(z,\mathrm{\ω})-{\mathrm{\σ}}^2\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Φ}(z,\mathrm{\ω})=Q(z,\mathrm{\ω})---\left(2\right)$

其中Φ为红外辐射，根据扫描频率f和所考虑的层深度z将获得该红外辐射的振幅A和相位

；σ为通过以下关系与热扩散系数β（z）关联的复杂波扩散数：

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1+i}{{(2\mathrm{\β}\left(z\right)/\mathrm{\ω})}^{1/2}}---\left(3\right)$

其中ω=2πf；并且Q为已知的所使用的激光源的功率或者温度。

特别地，通过使用已知的数学逆运算方法解决（2），产生类似于图4a和图4b中所示的那些的光谱。

然后将刚刚计算的热发射光谱与先前获得的测量的光谱进行比较（步骤48）；如果光谱之间的差低于阈值，则从步骤50输出NO，修改启动分布的趋势（步骤52）。通过实例的方式，总体值可计算为等于第一和第二值的总和（加权，如果必要的话），第一值与测量的第一光谱与第一热发射光谱之间的差的积分成比例，第二值与测量的第二光谱与第二热发射光谱之间的差的积分成比例。

然后程序返回到步骤44以确定与新启动分布相关的扩散系数，并重复步骤46至50，直到硬度分布被确定为与类似于测量的这些的热发射光谱相关（从步骤50输出YES）或在一定数量的迭代之后。

在逆算法结束时，评估总体误差指数（步骤54）。例如，该误差指数考虑所计算的硬度分布H（Z）的趋势中的任何振荡的存在（不符合真正的物理行为），所计算的硬度分布与存储的硬度分布之间存在的误差由先前利用其他装置（例如硬度计）和类似物执行的测量来统计地确定。

如果误差指数过多（从步骤56输出NO），则程序返回到步骤40并等待不同的参数。在该阶段，操作者基于经验和/或渐进的默认修改来修改前面所讨论的初始设定参数，激活新的逆相位。

反之亦然，如果误差指数是可接受的（从步骤56输出YES），则该程序提供在其处所计算的硬度分布H（z）等于513HV的距离Z作为有效表面硬化值（步骤58）。

例如，根据已知的技术，图8示出了通过在（1）中设定初始参数而获得的启动分布A、利用图7的算法获得的所计算的硬度分布B、以及利用硬度计测量的硬度分布C之间的比较。如可注意的是，从曲线A开始，通过本设备和方法，实现了非常类似于可通过硬度计获得的重构，但却相当大地节省了时间和成本。

一方面，这里所描述的设备和方法是非破坏性的，并且因此其可直接地在所生产的工件上操作，而不存在被破坏的并且因此不能投放到市场上的有目的地提供的样品的成本；另一方面，测量操作（如果我们假设齿轮20的两个齿在上述三个位置的测量）需要比已知的解决方案更短的时间（约2个小时，而不是超过18小时）。

此外，应当注意的是，展开设备的使用允许非表面硬化齿轮和齿轮20相继定位在与测量头相距相同的距离处。此外，与待测量的齿轮20的区域无关，可将该区域准确地定位在与测量头相距预定距离处。

这意味着平均研制时间（即两个或多个工件加工阶段之间消逝的总时间）从利用已知方法的八天减少到利用本方法和设备的一天，假设平均研制时间现在仅取决于执行上述硬度测量所需的时间。

最后明显的是，而不背离由所附权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下，可对这里所描述和说明的设备和方法作出修改和变型。

Claims (12)

1.用于确定待测量的钢部件的有效表面硬化或渗氮深度的设备（1），包括：

-展开设备（3），适于识别所述待测量的部件和非表面硬化非渗氮类型的参考部件的部分；以及

-测量头（2），连接到所述展开设备并且包括激光源（10），所述激光源构造成产生用于扫描由所述展开设备识别的所述待测量的部件和所述参考部件的部分的可变频率的辐射；

并且，其中所述测量头还包括：

-红外探测器（16），构造成响应于通过所述激光源进行的扫描检测由所述待测量的部件并由所述参考部件所产生的红外辐射；

-第一处理设备（17），构造成基于所检测的红外辐射确定第一测量光谱与第二测量光谱之间的至少一个，所述第一测量光谱表示由所述待测量的部件产生的所述红外辐射的相位与由所述参考部件产生的所述红外辐射的相位之间的差，所述第二测量光谱表示由所述待测量的部件产生的所述红外辐射的振幅与由所述参考部件产生的所述红外辐射的振幅之间的差；

-第一计算设备（26，40至56），构造成基于与第一硬度分布相等的启动分布以及所述第一测量光谱与所述第二测量光谱之间的所述至少一个来计算所述待测量的部件的所计算的硬度分布；以及

-第二计算设备（26，58），构造成基于所述所计算的硬度分布来计算所述有效表面硬化深度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一计算设备（26，40至56）包括：

-设备（44），用于确定对应于所述启动分布的扩散系数分布；

-第三计算设备（46），构造成基于热方程来执行逆算法以计算由具有与所述启动分布相等的硬度分布的理论部件所产生的红外辐射的相位和振幅；

-第二处理设备（46），构造成确定与所述启动分布相关的第一热发射光谱与第二热发射光谱之间的至少一个输出，所述第一热发射光谱表示由所述理论部件产生的所述红外辐射的所计算的相位与由所述参考部件产生的所述红外辐射的相位之间的差，所述第二热发射光谱表示由所述理论部件产生的所述红外辐射的所计算的振幅与由所述参考部件产生的所述红外辐射的振幅之间的差；

-比较设备（48，50），构造成将所述第一热发射光谱与所述第二热发射光谱之间的所述至少一个与所述第一测量光谱与所述第二测量光谱之间的所述至少一个进行比较；以及

-基于由所述比较设备进行比较的所述启动分布的校正设备（52）。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一处理设备（17）构造成确定所述第一测量光谱和所述第二测量光谱两者，并且所述第二处理设备（46）构造成确定所述第一热发射光谱和所述第二热发射光谱两者；并且其中，所述比较设备（48，50）构造成将所述第一热发射光谱和所述第二热发射光谱分别与所述第一测量光谱和所述第二测量光谱进行比较。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述展开设备包括用于所述测量头（2）的运动的设备（21）。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述启动分布为与所述待测量的部件（20）的表面的距离的双曲正切类型的下降的单调函数。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述第一计算设备（26，40至56）构造成执行迭代过程。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述测量头（2）安装在所述展开设备（3）上。

8.一种用于确定钢部件的有效表面硬化或渗氮深度的方法，包括以下步骤：

-识别所述待测量的部件和非表面硬化非渗氮类型的参考部件的部分；

-利用可变频率激光辐射扫描所述待测量的部件（20）和所述参考部件的识别部分；

-响应于所述激光扫描检测由所述待测量的部件和由所述参考部件产生的红外辐射；

-基于所检测的所述红外辐射确定第一测量光谱与第二测量光谱之间的至少一个，所述第一测量光谱表示由所述待测量的部件产生的所述红外辐射相位与由所述参考部件产生的所述红外辐射的相位之间的差，所述第二测量光谱表示由所述待测量的部件产生的所述红外辐射的振幅与由所述参考部件产生的所述红外辐射的振幅之间的差；

-获得第一硬度分布；

-基于所述第一硬度分布产生启动分布；

-确定所述待测量的部件的所计算的硬度分布，基于所述第一测量光谱与所述第二测量光谱之间的所述至少一个来修改所述启动分布；以及

-基于所述所计算的硬度分布来确定所述有效表面硬化深度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述确定所计算的硬度分布的步骤包括以下步骤：

-确定与所述启动分布相关的扩散系数分布；

-基于热方程来执行逆算法以计算由具有与所述启动分布相等的硬度分布的理论部件所产生的红外辐射的相位和振幅；

-确定与所述启动分布相关的第一热发射光谱与第二热发射光谱之间的至少一个，所述第一热发射光谱表示由所述理论部件产生的所述红外辐射的所计算的相位与由所述参考部件产生的所述红外辐射的相位之间的差，所述第二热发射光谱表示由所述理论部件产生的所述红外辐射的所计算的振幅与由所述参考部件产生的所述红外辐射的振幅之间的差；

-将所述第一热发射光谱与所述第二热发射光谱之间的所述至少一个与所述第一测量光谱与所述第二测量光谱之间的所述至少一个进行比较；以及

-基于所做的所述比较来校正所述启动分布。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括确定所述第一测量光谱和所述第二测量光谱两者，并且确定所述第一热发射光谱和所述第二热发射光谱两者；并且其中，所述比较步骤包括分别将所述第一热发射光谱和所述第二热发射光谱与所述第一测量光谱和所述第二测量光谱作比较。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述确定扩散系数分布的步骤包括，基于在具有已知硬度的试件上执行的测试，将所述启动分布的每个点与扩散系数值相关联。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的方法，其中，所述启动分布为与所述待测量的部件的表面的距离的双曲正切类型的下降的单调函数。

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