Prove di durezza – Le 7 maggiori sfide con i sistemi a correnti parassite

Le proprietà meccaniche dei componenti sono specificate in base ai requisiti dell'applicazione finale. Oltre a caratteristiche dimensionali e superficiali, la specifica di un componente contiene anche proprietà del materiale.

Quali effetti hanno i processi di tempra sui componenti meccanici?

Per temprare i componenti si utilizzano vari processi, come la tempra a induzione o la tempra in forno. I metodi più adatti vengono scelti in combinazione con la lega del materiale utilizzato. Nel processo, spesso è fondamentale sapere se nella lega siano presenti molecole di carbonio mobili o se debbano essere aggiunte durante il processo. Questo poiché il trattamento termico modifica la struttura del materiale. Infatti, i componenti sono spesso esposti a temperature molto elevate per mantenere la trasformazione reticolare della struttura.

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Anche i componenti meccanici sono spesso sottoposti a tempra e rinvenimento. Questi comportano l'indurimento del componente e il successivo riscaldamento mirato per mantenere migliori proprietà oltre alla struttura di base. Il rinvenimento serve, ad esempio, a ridurre le tensioni residue nel componente o a ridurre la fragilità nelle aree dei bordi. In questo modo si evitano difetti indesiderati dovuti a carichi superficiali.

Quali proprietà del materiale sono importanti per la prova di durezza? 

Nella produzione in serie, è necessario verificare le diverse proprietà relative al materiale dei componenti meccanici. Queste includono, tra l'altro, la durezza superficiale, la profondità di tempra e l'assemblaggio strutturale del componente.

Per registrare le proprietà del materiale, nell'ambito del controllo qualità sono impiegati diversi metodi. La durezza del componente può essere determinata quantitativamente con un metodo di misurazione o con un metodo di prova. A differenza delle prove, che utilizzano un metodo comparativo, i valori misurati si riferiscono a un'unità di misura ISO e possono quindi essere determinati empiricamente. Al contrario, la procedura di prova comparativa esamina se le proprietà dei componenti definiti sono cambiate o si comportano in modo costante. Per i test a correnti parassite vengono studiati i cosiddetti pezzi buoni, che vengono utilizzati come riferimento per il confronto con i pezzi in prova.

Esiste un legame tra le proprietà magnetiche e di conducibilità e le proprietà di durezza di un materiale. Questa relazione può essere registrata in un test con sistemi di prova a correnti parassite. A tal fine, i sistemi di prova a correnti parassite devono essere configurati adeguatamente alle specifiche del componente. Il sistema di test è composto di un dispositivo di prova, una bobina di prova e la progettazione di una configurazione di alimentazione automatica o manuale.

Per un processo stabile, il sistema deve essere calibrato con il maggior numero possibile di pezzi buoni e i limiti di accettabilità per i pezzi da scartare devono essere definiti sulla base di questi risultati.

Il principio di funzionamento di un test a correnti parassite     Un campo elettrico alternato viene generato in un avvolgimento primario della bobina di prova, che viene accoppiato al provino. Questo campo magnetico alternato crea correnti parassite nel materiale in esame, che contrastano il campo primario generando un campo magnetico secondario. I campi primario e secondario agiscono l'uno contro l'altro e il campo risultante genera una tensione di induzione nella sonda di prova, che viene registrata ed elaborata dall'elettronica. La formazione di correnti parassite e il campo magnetico secondario associato dipendono dalla conduttività del materiale del componente, dalla sua struttura e dalla sua permeabilità magnetica. A differenza della permeabilità magnetica (o suscettibilità magnetica), la conduttività elettrica dipende fortemente dalla temperatura. Quando la temperatura cambia, cambiano sia la conduttività che il campo magnetico secondario, influenzando fortemente il risultato del test. Per questo motivo è necessario che la temperatura della parte in esame sia stabile durante il test. Inoltre, una variazione della temperatura può avere un'influenza diretta sulla bobina di prova, poiché le induttanze della bobina di prova sono solitamente costituite da spire di rame e, come il provino, cambiano la loro conduttività con la temperatura. Le variazioni di conduttività hanno un effetto sulle caratteristiche di impedenza della bobina e quindi sul campo primario generato. Test su fessure e strutture Il metodo a correnti parassite può essere suddiviso in due aree di applicazione fondamentali: il test delle cricche a correnti parassite e il test magneto-induttivo dei materiali e delle strutture. Il test delle cricche ad alta frequenza rileva i difetti del materiale aperti in superficie, come cricche, sovrapposizioni o pori. Non sono necessari mezzi di contatto o di accoppiamento tra il componente e la sonda, quindi anche le superfici più delicate possono essere facilmente testate. Per garantire un'elevata stabilità, la compensazione della distanza può essere utilizzata con variazioni della distanza della sonda. I test magneto-induttivi utilizzano basse frequenze. I componenti vengono così testati per le loro proprietà materiali, al fine di evitare commistioni di materiali o di determinare diverse condizioni di trattamento termico. Alcuni dei criteri di selezione tipici sono le proporzioni della lega, la durezza superficiale, la profondità di tempra, la resistenza e le caratteristiche della microstruttura.   Per verificare le proprietà del materiale, i pezzi in prova passano attraverso una bobina avvolgente o vengono testati localmente in aree critiche da sonde adattate. La tensione di prova rilevata dal sensore deriva dalle proprietà magnetiche ed elettriche del pezzo da testare, per cui il valore della tensione come punto di misura viene visualizzato graficamente nel piano complesso. La registrazione di più valori di misura consente di impostare i limiti di selezione come parte della calibrazione. I punti di misura del test in serie vengono automaticamente confrontati e valutati con questi campi di tolleranza.

Quali sono le sfide della prova di durezza con i dispositivi a correnti parassite?

Ogni metodo di prova o di misurazione presenta vantaggi e svantaggi da soppesare. Ad esempio, il metodo Vickers può causare danni indesiderati alla superficie. Inoltre, è difficile da implementare in un processo di prova o misurazione automatizzato. Nel caso delle prove di durezza basate sulle correnti parassite, invece, occorre tenere conto dei seguenti fattori:

1. Il posizionamento del componente nella bobina di prova è fondamentale per la riproducibilità del test.
2. Le fluttuazioni di temperatura durante la misurazione devono essere evitate per evitare effetti di deriva nei risultati del test.
3. La frequenza di prova deve essere chiaramente definita. Tra l'altro, influisce sulla profondità di penetrazione delle correnti parassite nel componente e quindi sui profili di durezza da controllare.
4. La magnetizzazione dei componenti deve essere evitata perché i loro campi magnetici residui impediscono un'elevata ripetibilità.
5. Le variazioni nella composizione del materiale, come le differenze tra le leghe, influenzano il risultato del test.
6. I diversi livelli di durezza dei componenti possono produrre segnali di prova quasi identici se le proprietà magnetiche sono molto simili nonostante i diversi livelli di durezza.
7. Le influenze ambientali nel processo di produzione derivanti da materiali magnetici o campi magnetici possono disturbare il test.

Le sfide e i loro effetti sono i seguenti:

Riproducibilità dei risultati della prova di durezza

Per la riproducibilità dei risultati è fondamentale che le condizioni di analisi dei componente siano sempre uguali durante il processo. È importante assicurarsi che la velocità di avanzamento del componente di prova rimanga costante. Ad esempio, i pezzi di prova con la stessa superficie del componente devono sempre trovarsi su un nastro trasportatore o un sistema di movimentazione. Nel caso di pezzi di prova asimmetrici, è importante anche il loro allineamento.

Solitamente il sistema inizia automaticamente ad esaminare il pezzo quando esso passa attraverso la bobina, senza che ciò interrompa il processo. Se il test viene attivato da un sistema di controllo esterno, la temporizzazione controllata dallo stato è essenziale. In caso contrario, la posizione del test varierà e i risultati dei valori misurati saranno più dispersi.

Quando si utilizzano le sonde di prova, è necessario assicurarsi che ispezionino la stessa posizione per ogni oggetto di prova e che l'angolo e la distanza della sonda di prova siano guidati in modo riproducibile verso l'oggetto di prova. Variazioni di pochi decimi di millimetro possono rendere inutilizzabile il risultato. Per le applicazioni con un pulsante di prova, si raccomanda anche di toccare il sensore di contatto per la misurazione, in quanto ciò contribuisce alla stabilità della misura.

Effetti della temperatura sulle prove di durezza basate sulle correnti parassite

I risultati del metodo a correnti parassite si basano sulle proprietà elettriche e magnetiche del materiale in esame. Gli effetti della temperatura sul test possono essere contrastati con diverse soluzioni. Ad esempio, per ridurre al minimo lìincertezza termica, i dispositivi di misura della conducibilità offrono la possibilità di bilanciare la temperatura tramite un sensore di temperatura integrato nella bobina di prova. In questo modo, la curva di temperatura viene registrata una volta e viene stabilita una correlazione con la variazione del campo primario. Questa correlazione può essere utilizzata nell'applicazione per eseguire la correzione del segnale.

Mentre la conduttività elettrica è l'unico meccanismo d'azione per i materiali non ferromagnetici, i componenti ferromagnetici offrono ulteriori opzioni per estrarre informazioni dal segnale secondario. Quando si testa un materiale ferromagnetico, le curve di segnale vengono utilizzate per mappare la permeabilità magnetica. Come già detto, la permeabilità e la durezza meccanica sono causalmente correlate, per cui una valutazione della permeabilità consente di ricavare informazioni strutturali. Le proprietà dei materiali magnetici hanno un vantaggio: sono molto più stabili alla temperatura rispetto alla conduttività descritta in precedenza. Anche le deviazioni di temperatura di oltre 50 °C hanno un'influenza minima sul segnale di misura, purché il test venga eseguito al di sotto della temperatura di Curie. Per garantire che solo le proprietà magnetiche siano utilizzate per la valutazione di un test stabile alla temperatura, è adatta la cosiddetta analisi armonica.

Il segnale di valutazione o di misura è generalmente costituito da componenti di frequenza del segnale di eccitazione e da segnali armonici, detti anche segnali armonici. Mentre le componenti di frequenza dell'onda di terra contengono informazioni sulla conduttività elettrica e sulla permeabilità magnetica, le armoniche contengono solo informazioni sulla permeabilità magnetica. La valutazione dei segnali armonici, quindi, fornisce un segnale di prova più stabile, poiché le influenze della temperatura non influiscono sul risultato del test. Tuttavia, la valutazione dei segnali armonici è molto complessa e richiede un buon rapporto segnale/rumore, nonché un buon algoritmo per la valutazione del segnale.

Influenza della frequenza di prova sul risultato della prova di durezza

La frequenza di prova utilizzata per il sistema a correnti parassite influenza notevolmente la profondità di penetrazione delle correnti parassite. Una frequenza elevata permette di studiare le proprietà superficiali del provino. Una frequenza più bassa viene utilizzata per verificare determinate profondità di tempra o profili di durezza. Se le proprietà da testare sono note, i parametri vengono ottimizzati in modo coerente, cioè si seleziona una frequenza specifica per testare questo particolare criterio. L'impostazione di una frequenza specifica consente un processo di prova più preciso. Di conseguenza, i risultati dei test contengono meno errori e varianze.

Se, oltre a un criterio primario, ad esempio la profondità di durezza, devono essere controllati altri parametri, come la durezza superficiale, è possibile ottimizzare una frequenza di test per la profondità di durezza e un'altra frequenza di test per le proprietà di durezza superficiale. Di conseguenza, l'esame può essere ampliato con un test mirato a più frequenze. Con queste diverse frequenze, si può anche distinguere se si analizza la frequenza di base o se si utilizza un'analisi armonica. Se non si conoscono esattamente i difetti da ricercare, non è possibile aggiungere parametri ottimizzati per un compito di prova. Il vantaggio di questo tipo di test multifrequenza è l'identificazione e il rifiuto di deviazioni precedentemente sconosciute. Uno dei principali svantaggi, tuttavia, è l'aumento dello pseudo-rifiuto, poiché qualsiasi deviazione, indipendentemente dalla sua effettiva influenza sulla qualità del componente, viene eliminata.

Campi magnetici residui dovuti alla magnetizzazione nel componente in esame

L'ispezione risultante dal test a correnti parassite si basa sulle proprietà elettriche e magnetiche del provino. I campi magnetici residui nel provino, i cosiddetti campi di rimanenza, influenzano direttamente il segnale magnetico del provino. Questa influenza influisce sul risultato della prova e sulla decisione se i dati di prova relativi alla durezza siano corretti o meno. Inoltre, questo effetto può portare a una maggiore dispersione se i campi magnetici esistenti sono casuali nella loro forza e orientamento e cambiano nel tempo o in un lotto di materiale. Nelle linee di produzione esistono molte combinazioni che portano alla magnetizzazione di un componente. Una possibile causa sono i dispositivi di trasporto magnetici o i dispositivi di presa magnetizzati. Per risolvere questo problema, le unità di smagnetizzazione sono utilizzate soprattutto nelle linee di produzione con test a correnti parassite. Il processo di smagnetizzazione rimuove i campi magnetici residui dai componenti quasi completamente (di solito meno di A / cm) e viene effettuato principalmente davanti all'impianto di prova.

Le variazioni nella composizione del materiale influenzano il risultato del test

I diversi componenti della lega possono determinare una differente permeabilità o una variazione della conduttività del provino. Come la durezza, anche queste possono influenzare il segnale di correnti parassite del provino e porre un problema legato alla capacità del processo. È quindi consigliabile eseguire un test di miscelazione del materiale prima di indurire i componenti per garantire l'uso corretto del materiale richiesto. Gli stessi dispositivi di prova a correnti parassite possono essere utilizzati sia per la prova di miscelazione dei materiali che per la prova di durezza.

Influenze ambientali magnetiche nel processo di produzione

Gli aspetti cruciali da considerare nelle prove di durezza basate sulle correnti parassite sono i fattori di influenza dovuti alle condizioni della linea produttiva. Ad esempio, motori elettrici molto potenti possono generare campi magnetici, che a loro volta influenzano i segnali di prova e portano a risultati errati. Inoltre, le modifiche apportate a una linea di produzione già messa in funzione, ad esempio la sostituzione di una pinza in materiale non magnetico con una in materiale magnetico, possono influenzare la distribuzione del campo della bobina di prova.

Altri fattori di disturbo possono derivare dalla sostituzione di un nastro trasportatore con una conduttività diversa. La variazione della conduttività del nastro trasportatore ha un effetto diretto sui campi magnetici generati e quindi sui segnali di prova. L'influenza dei cambiamenti nella linea di produzione sull'affidabilità del test non deve essere trascurata. I materiali devono essere selezionati con cura in una fase iniziale dello sviluppo di un ambiente di prova. Dopo questi cambiamenti, i risultati e la stabilità del test devono essere rivalutati con un'approvazione del processo.

Quali sono i sistemi di prova a correnti parassite che rispondono alle sfide della prova di durezza?

Con MAGNATEST D e MAGNATEST TCL, FOERSTER ha sviluppato un potente sistema che da diversi anni viene utilizzato con successo per la verifica della durezza. Con diverse opzioni di configurazione, esso può essere impiegato in modo flessibile come dispositivo di linea o di laboratorio per un'ampia varietà di requisiti di prova.