CN117761049A - 一种检测渗氮深度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测渗氮深度的方法，包括以下步骤：步骤一：将研磨仪安装固定在工作台，根据磨头安装操作规范，将所选择的磨头安装在研磨仪上；步骤二：进行研磨仪工作参数设定，根据具体情况选择合适的下压力与推进速度；步骤三：研磨仪参数设定完成后，进行一次预实验调试研磨仪及刀具工作情况；步骤四：将待检测试样表面清洁干净，放置于研磨仪磨头下方，注意试样中心与磨头保持垂直接触。有益效果：本发明研磨实验法与现有检测方法相比较对试样表面的破坏程度要小；研磨实验法不仅仅可以检测某一点的渗氮层深度，还可以检测渗氮表面上多个点的渗氮深度。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面涂层检测技术领域，尤其涉及一种检测渗氮深度的方法。
背景技术
渗氮是指在一定的处理条件下，将氮元素渗入到金属材料表面，从而达到表面强化的一项技术，常见的渗氮种类有离子渗氮、气体渗氮、盐浴渗氮等。在渗氮的实际生产过程中，渗氮层深度对于渗氮质量的影响非常大，有些产品在进行渗氮处理时需要达到一定的渗氮深度，这就需要更为方便、精确的检测方法。
目前，在金属表面涂层检测技术领域，渗氮深度常用的检测方法有金相法、硬度法、超声波检测法、EPMA电子探针法等。使用金相法来检测渗氮深度的核心思想就是采用线切割的办法，将渗氮件或随炉试样切开，利用渗氮层组织结构不同与基层组织结构的特点，在金相显微镜下观察截面组织，通过渗层和基层分界面的相关数据加以衡量。硬度法是目前检测渗氮深度最为广泛的方法，其核心思想就是利用渗氮层硬度高于基层硬度的特点，在显微硬度计下测量出渗氮深度，这种方法的优点在于检测范围广泛，适用于各种金属并且检测过程方便，检测结果准确，但是其也有一定的弊端，比如需要切割渗氮工件，对试样破坏较大，检测设备价格较高，不能现场检测。超声波检测法是目前在金属表面涂层检测领域的一种新方法，其检测原理便是利用渗氮层和基层组织结构不同，根据超声波回声性质的不同来判断渗氮层深度，这种检测方法的优点在于无需要切割破坏试样，检测过程方便快捷，设备成本较低，但是其缺点在于检测误差较大，结果不精确。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测渗氮深度的方法，解决了现有检测方法对试样破坏大、检测过程繁琐、增加劳动强度、检测结果不准确的渗技术问题，满足实际应用的耐磨、耐久性、机械柔韧性的要求。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种检测渗氮深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将研磨仪安装固定在工作台，根据磨头安装操作规范，将所选择的磨头安装在研磨仪上；
步骤二：进行研磨仪工作参数设定，根据具体情况选择合适的下压力与推进速度；
步骤三：研磨仪参数设定完成后，进行一次预实验调试研磨仪及刀具工作情况；
步骤四：将待检测试样表面清洁干净，放置于研磨仪磨头下方，注意试样中心与磨头保持垂直接触；
步骤五：启动研磨仪，施加下压力到设定值，磨头按照设定速度推进，使研磨机磨头绕轴线在试样表面做圆周运动进行打磨；
步骤六：当观察到打磨界面出现边界分明的界限时，表示渗氮层被磨穿，利用显微测量仪器测量相关数据，计算出结果。
进一步的，所述磨头材质为陶瓷磨头，磨头底端为抛物线设置，在三维坐标系中X-Z平面内磨头轮廓曲线表达式为：
Z＝AX2+BX+C
其中，A、B、C—磨头轮廓线系数。
进一步的，所述预试验中的磨头下磨速度及下磨深度关系如下：
磨速度(进给量)：
k＝(0.5～1)n
其中，
k—进给量系数
Vf—研磨仪进给速度(mm/s)
vz—磨头下磨速度(mm/s)
n—渗氮层维氏硬度
下磨深度：
其中，
h—磨头下磨深度(mm)
vz—磨头下磨速度(mm/s)
t—推进时间(s)。
进一步的，所述实验数据包括试样表面上多个点的渗氮深度以及试样不同高度位置的渗氮深度。
本发明的有益效果是：
(1)研磨实验法与现有检测方法相比较对试样表面的破坏程度要小；
(2)研磨实验法不仅仅可以检测某一点的渗氮层深度，还可以检测渗氮表面上多个点的渗氮深度；
(3)研磨实验法误差来源少，检测结果精确度较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中磨头和试样的示意图；
图2为实施例1中试样打磨后的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
根据本发明的实施例，提供了一种检测渗氮深度的方法，包括以下步骤：
步骤一：将研磨仪安装固定在工作台，根据磨头安装操作规范，将所选择的磨头安装在研磨仪上；
步骤二：进行研磨仪工作参数设定，根据具体情况选择合适的下压力与推进速度；
步骤三：研磨仪参数设定完成后，进行一次预实验调试研磨仪及刀具工作情况；
步骤四：将待检测试样表面清洁干净，放置于研磨仪磨头下方，注意试样中心与磨头保持垂直接触；
步骤五：启动研磨仪，施加下压力到设定值，磨头按照设定速度推进，使研磨机磨头绕轴线在试样表面做圆周运动进行打磨；
步骤六：当观察到打磨界面出现边界分明的界限时，表示渗氮层被磨穿，利用显微测量仪器测量相关数据，计算出结果。
本方案的具体实施例为，现有对金属涂层实现渗氮深度常用的检测方法主要有金相法、硬度法、超声波检测法、EPMA电子探针法，现将其优缺点通过表格形式进行如下表示：
对于上述数据，其都存在相应的技术问题，因此现在需要一种对试样破坏小、检测过程方便、检测结果可靠的渗氮深度检测方法。
本方案的具体实施例为，
设置专门轮廓尺寸的磨头，磨头形状如下图1所示，其下端为抛物线形，对该磨头施加一定的压力打磨渗氮表层，直至渗氮层被完全穿透后停止工作。
选择抛物线形磨头的首要因素是该磨头与白亮层接触时打磨点压强大，打磨效果更好，不易出现圆形磨头导致打磨效率低，打磨深度浅并且易晃动而导致结果不准确的问题。
磨头材质优先选择陶瓷磨头，要求高品质、洁净、耐磨、无杂质，必要条件下可额外镀磨层，增加磨头耐用度。
磨头规格：A：整体宽度：5/10/15/20/30/40mm
B：整体厚度：5/10/20/30/50mm
C：磨头宽度：2/5/8/10/15/20mm
D：磨头厚度：1/2.5/4/5/10mm
性能指标：1、厚度公差：±0.005mm
宽度公差：±0.100mm
磨头硬度：600～800HV
磨头硬度采用维式硬度的原因：维氏硬度测量范围大，可测量硬度为10～1000HV范围的材料，压痕小，一般用来测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。
本方案的具体实施例为，实验所使用的器材包括固定尺寸的研磨机、数件针对不同渗氮深度、渗氮硬度而具有不同轮廓尺寸以及硬度的磨轮。
在检测渗氮深度的试验中，由于试样与研磨仪的垂直度是试验误差的主要来源，因此，对试样及研磨仪的要求要完全垂直。同一被检测试样在不同部位、不同组次的试验存在着直接联系就要求各次试验的参数如磨头参数、外力变化梯度、试样表面状态、打磨速度等都尽量保持一致。在试验过程中待检测的试样被固定于水平工作台面，选择合适的磨头并安装在研磨机上，对研磨机施加逐渐增大的外力，使研磨机磨头绕轴线在试样表面做圆周运动进行打磨，在待检测试样表面被打磨出一道固定尺寸的凹槽，随着外力的增大，渗氮层逐渐被磨穿，当观察到打磨界面出现边界分明的界限，说明渗氮层已经被磨穿。此时，借助显微测量仪器可以测量渗氮层的相关数据，结合所选磨头的相关参数，以此来衡量渗氮层深度。
实施例为：设计用于检测渗氮层深度的一套专用仪器，整套检测设备由研磨仪器和专用磨头构成，各组件的安装使用需符合安装要求，使用渗氮件随炉试样作为待检测试样。
试样参数：①材质：碳素工具钢
②尺寸规格：200mm×200mm×100mm；
③硬度：使用维式硬度计测量基体硬度为205～2.0HV，渗氮试样表层到内部硬度420.5HV、412.6HV，402.8HV，397.6HV，389.5HV；取平均硬度值进行计算。
现分别采用金相法与硬度法对渗氮随炉试样的渗氮深度进行检测，在检测之前需要将随炉试样沿法线方向进行切割。金相法测渗氮深度的原理便是利用渗氮层的组织结构与基体组织结构的不同来进行观察以判断渗氮的深度，通过金相法测得该随炉试样渗氮深度在30-40μm范围内；硬度法测深度的原理是利用渗氮层硬度值高于基体硬度值的特点来进行判断。
(一)硬度法检测操作方法：
在使用硬度法检测渗氮深度的过程中，从试样最表层每隔10μm往内打硬度进行检测，待硬度接近基体硬度值时需要每隔1μm测量一次硬度值，以此获得最为精确的渗氮深度检测数据。
硬度法检测渗氮深度的实验数据如下表1μm所示：
通过对表中数据分析可以看出随着深度的增加，在深度值达到36μm之前测得的试样硬度值均高于基体硬度，当深度值超过之后36μm测得的试样硬度值在基体硬度值范围内，以此推测出该试样渗氮深度约为36μm左右。
(二)研磨实验法操作方法：
将研磨仪安装固定在工作台，根据磨头安装操作规范，将所选择的磨头安装在研磨仪上。进行研磨仪工作参数设定，考虑到试样尺寸及硬度，选择施加的下压力FN为70N；为方便计算，研磨仪推进速度设定为1mm/s。在设置好研磨仪参数后，可先进行一次预实验，来调试研磨仪及刀具工作情况。
磨头尺寸规格选择：
①整体宽度：20mm
②整体厚度：30mm
③磨头宽度：10mm
④磨头厚度：5mm
⑤陶瓷磨头硬度：700HV
⑥磨头轮廓线系数：A＝0.005、B＝0、C＝0.2
调试好各项参数后，将待检测试样表面清洁干净，放置于研磨仪磨头下方，要注意的是试样中心与磨头需垂直接触，慢慢施加下压力到设定值，启动研磨仪，磨头按照设定速度推进，直到试样渗氮层被磨穿，完成一次磨伤试验，如此再重复两次，试样标号分别为A组、B组、C组。当磨头磨穿渗氮层时，会在渗层与基体的分界面观察到边界分明的界限，为使检测结果更为准确，可适当延长研磨时间。
试验记录的三组XA、XB值为：
A组XA＝2.860mm、XB＝1.240mm；
B组XA＝3.507mm、XB＝2.375mm；
C组XA＝4.062mm、XB＝3.137mm。
计算出A、B、C三组的渗氮深度：
HA＝0.0355mm
HB＝0.0370mm
HC＝0.0353mm
通过研磨实验法测得的渗氮深度数据在金相法观察的30-40μm深度范围内，并且与硬度法测得的渗氮深度值36μm非常接近，所以通过研磨实验法测得的渗氮深度是较为可靠的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种检测渗氮深度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将研磨仪安装固定在工作台，根据磨头安装操作规范，将所选择的磨头安装在研磨仪上；
步骤二：进行研磨仪工作参数设定，根据具体情况选择合适的下压力与推进速度；
步骤三：研磨仪参数设定完成后，进行一次预实验调试研磨仪及刀具工作情况；
步骤四：将待检测试样表面清洁干净，放置于研磨仪磨头下方，注意试样中心与磨头保持垂直接触；
步骤五：启动研磨仪，施加下压力到设定值，磨头按照设定速度推进，使研磨机磨头绕轴线在试样表面做圆周运动进行打磨；
步骤六：当观察到打磨界面出现边界分明的界限时，表示渗氮层被磨穿，利用显微测量仪器测量相关数据，计算出结果。
2.根据权利要求1所述的一种检测渗氮深度的方法，其特征在于，所述磨头材质为陶瓷磨头，磨头底端为抛物线设置，在三维坐标系中X-Z平面内磨头轮廓曲线表达式为：
Z＝AX2+BX+C
其中，A、B、C-磨头轮廓线系数。
3.根据权利要求1所述的一种检测渗氮深度的方法，其特征在于，所述预试验中的磨头下磨速度及下磨深度关系如下：
磨速度(进给量)：
k＝(0.5～1)n
其中，
k-进给量系数
Vf-研磨仪进给速度(mm/s)
vz-磨头下磨速度(mm/s)
n-渗氮层维氏硬度
下磨深度：
其中，
h-磨头下磨深度(mm)
vz-磨头下磨速度(mm/s)
t-推进时间(s)。
4.根据权利要求1所述的一种检测渗氮深度的方法，其特征在于，所述实验数据包括试样表面上多个点的渗氮深度以及试样不同高度位置的渗氮深度。
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