Detection of surface damages in ground spur gears by non-destructive micromagnetic methods

Abstract

The analysis of the Barkhausen noise signal is a non-destructive micromagnetic method to detect grinding damages, such as grinding burn. This method is increasingly used in industrial production for quality control. However, there is still no scientifically validated knowledge about the influences and interactions of different material parameters resulting from the heat treatment on the Barkhausen noise signal. Therefore, no standardized guideline for interpretation of inspection results exists up to now; each company uses own test procedures.

In this study, carburized spur gears made from 18CrNiMo7-6 steel were finished by discontinuous profile grinding and the influences of varying material and heat treatment parameters on the measured Barkhausen noise, such as case hardening depth, surface carbon content and tempering temperature were investigated. Thanks to extensive complementary characterizations, different grinding burn levels were defined and further analyzed to evaluate single effects and interactions on the Barkhausen noise signal. These findings provide a foundation for a more reliable detection of grinding damages for different heat treatment states. Additionally, the application of a Barkhausen multiparameter approach was investigated for a more reliable differentiation between different damage types such as type B (light tempering zone) and type D (strong tempering zone). A variation of the filter settings was furthermore used to get information out of different depths of the subsurface region. During these investigations differences in the signals of the multiparameter analysis were found for different types of damages with varying filter settings. Using this knowledge a clear classification of different damages due to grinding is possible and more reliable compared to current methods.

Zusammenfassung

Die Analyse des Barkhausenrauschens ist ein zerstörungsfreies, mikromagnetisches Verfahren zur Detektion von Randzonenschädigungen geschliffener Bauteile. Seit einiger Zeit wird dieses Verfahren vermehrt zur Qualitätskontrolle im industriellen Umfeld angewandt. Dennoch existiert nach wie vor kein wissenschaftlich fundiertes Wissen über Einflüsse und Wechselwirkungen verschiedener aus der Wärmebehandlung resultierender Werkstoffzustände auf das Barkhausenrauschen. Aus diesem Grund existieren keine einheitlichen Richtlinien zur Interpretation der Messergebnisse und viele Unternehmen nutzen firmeninterne Richtlinien.

In den vorgestellen Untersuchungen wurden einsatzgehärtete Stirnräder aus dem Werkstoff 18CrNiMo7-6 mittels diskontinuierlichem Profilschleifen schleiftechnisch bearbeitet. Durch eine detaillierte Randzonenanalyse wurden zunächst verschiedene Schädigungsstufen identifiziert. Im Anschluss wurden die Einflüsse variierender Material- und Wärmebehandlungsparameter, wie Einhärtetiefe, Randkohlenstoffgehalt und Analsstemperatur, auf das Barkhausenrauschen untersucht und die Einzeleinflüsse durch eine statistische Versuchsauswertung bewertet. Zusätzlich wurde der Einsatz einer Multiparameteranalyse des Barkhausenrauschens für eine zuverlässige Unterscheidung zwischen leichten und starken Anlasszonen entsprechend der Nitalätzklassen B bzw. D geprüft. Eine Variation der Analysierfrequenz wurde durchgeführt, um Informationen aus unterschiedlichen Tiefen der Randzone zu generieren. Dabei wurden unterschiedliche Signalverläufe der Kennwerte bei unterschiedlichen Schädigungsstufen festgestellt. Mithilfe der dargestellten Erkenntnisse ist eine klare Trennung der aus der Schleifbearbeitung resultierenden Randzonenschädigungen möglich und genauer als herkömmliche Methoden wie die Nitalätzung.