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Procédé et dispositif pour mesurer sans destruction les couches produites sur des pièces métalliques, notamment des pièces en acier.
Dans le traitement superficiel, notamment la cémenta- tion, la nitruration, la siliciuration, la décarburation ou autres traitements analogues, de pièces métalliques de toute nature, notamment des pièces en acier, se pose souvent la question de mesurer la profondeur des couches produites. Il n'existe toutefois, actuellement, aucun procédé non destructif pour la mesure de cette profondeur. Pour déterminer la profondeur de cémentation, par exemple, on est réduit à arracher des frag-
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ments de la pièce cémentee et à déterminer sur l'échantillon ainsi obtenu la profondeur de la zone de cémentation.
Avec un pareil prelèvement d'échantillons on n'a évidemment aucune assurance que toutes les parties de la pièce aient la même profondeur de cémentation et il n'est guère possible de véri- fier de cette manière à cent pour cent la production. La mesure de la dureté sous charge par le procédé Rockwell ou le procédé Brinell ne permet pas non plus de tirer aucune con- clusion quant à la profondeur de la couche de cémentation.
L'invention obvie à ces inconvénients.
La présente invention concerne un procédé pour mesu- rer des couches produites sur des pièces métalliques, notam- ment des pièces en acier, et plus spécialement la profondeur de cémentation, de nitruration, de siliciuration, de décar- buration, etc, qui se caractérise en ce qu'on utilise pour la mesure non destructive de la profondeur de la couche la dépendance entre la fréquence et la profondeur de pénétration d'un courant alternatif.
Le procédé permet ainsi de surveiller intégralement la production dans le traitement améliorant superficiel, notamment dans la cémentation, la nitruration, la siliciuration, la décarburation ou traitements analogues, sans qu'il se produise un changement des propriétés de la matière de l'échantillon examinée ni que la pièce subisse aucune autre dégradation diminuant son aptitude à l'emploi.
De préférence, on mesure la variation de la résistivité ou du comportement magnétique de la couche, par exemple de la zone de cémentation,, variation déterminée par la fréquence, en la comparant à une matière homogène dans un montage à pont électrique qu'on fait fonctionner à des fréquences variables.
Au lieu du pont on peut aussi employer un montage différentiel.
Avantageusement, on compense le pont ou on opère le réglage différentiel pour une fréquence qu'on choisit.de manière que
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la pièce à examiner et la. pièce servant d'étalon deviennent électriquement et magnétiquement actives dans la même mesure,, tandis que l'indication de la profondeur de cémentation est fournie par la fréquence pour laquelle le déséquilibre commence juste à se manifester sensiblement.
La compensation peut a.van- tageusement aussi être opérée à une fréquence pour laquelle les propriétés électriques et magnétiques du coeur et de la couche de cémentation de l'échantillon à examiner et de l'éta- lon sont actives de manières différentes, et l'indication de la profondeur de cémentation est fournie par la fréquence pour laquelle l'équilibre du pont se rétablit.
L'invention concerne en outre un dispositif pour exécuter le procédé décrit, qui se caractérise par un pont électrique de mesure à quatre branches dont deux., qui servent .recevoir les pièces à examiner, ont la forme de bobines dont une est pontée par une résistance réglable.. ainsi que par un voltmètre à tubes électroniques servant d'instrument indicateur de zéro et par une source de courant à fréquence variable, de préférence un buzzer à battements dans lequel est monté un am- plificateur de puissance.
L'invention concerne aussi un dispositif pour exécu- ter le procédé décrit, qui se caractérise par un montage diffé- rentiel constitué par deux paires de bobines, dont une reçoit la pièce étalon et l'autre la pièce à examiner. Chaque paire de bobines comprend une bobine excitatrice et une bobine indi- catrice. Les bobines excitatrices sont montées en série ou montées en parallèle avec le même sens d'enroulement et elles sont alimentées sous une tension alternative à fréquence va- riable. Les bobines indicetricessont montées en opposition et sont connectées à un voltmètre à tubes électroniques.
L'invention est basée sur l'utilisation de l'effet pelliculaire dit skin-effect. On sait que la profondeur de pénétration d'un courant alternatif dans les pièces en acier
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ou en fer dépend de la fréquence. 1 une basse fréquence le courant alternatif pénètre dans la pièce plus profondément qu'à une haute fréquence. Dans une pièce cémentée, par exem- ple, à partir d'une fréquence déterminée, le courant ne cir- cule donc encore en substance que dans la zone de cémenta- tion. En raison de la teneur plusélevée en carbone cette zone diffère sensiblement du métal de fond aux points de vue de son comportement magnétique et de sa résistivité.
Lorsqu'on compare une telle pièce, par exemple dans un montage à pont électrique, à une pièce en métal homogène, l'équilibre du pont sera rompu à partir d'une fréquence déterminée, savoir dès que le trajet du courant ne passera plus, en majeure partie, que dans la zone de cémentation. La fréquence à laquelle ceci a lieu constitue une mesure directe de la pro- fondeur de cémentation, et à une faible zone de cémentation correspond une haute fréquence, tandis qu'à une zone profonde correspond une basse fréquence.
Il est indifférent, en soi, quel type de montage à pont électrique on emploie. C'est ainsi que, par exemple, on peut intercaler comme résistance dans le montage de mesure la pièce à examiner elle-même, ainsi que la pièce en métal homogène, servant d'étalon. On compense alors le pont par adjonction ou suppression d'autres résistances ohmiques, à une basse fréquence qui peut être par exemple d'environ
21 périodes par seconde et qui doit être choisie de manière que le skin-effect ne se manifeste pas encore sensiblement dans le métal en question. uand on augmente alors peu à peu la fréquence, le courant du pont electrique ne circulera plus que dans la zone superficielle extérieure à partir d'un nom- bre de périodes détermine.
En raison de la teneur plus éle- vée en carbone, la résistivité de cette zone de l'élément cémenté diffère sensiblement de celle de l'étalon homogène.
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Ceci a pour effet de rompre l'équilibre du pont, et la fré- quence à laquelle cet effet se manifeste constitue une mesure de la profondeur de cémentation. Ce genre de mesure peut aussi être employé éventuellement pour les métaux non ferro- magnétiques.
Avec les métaux ferromagnétiques., on recourt en outre avantageusement . à la. mesure du comportement magné- tique de la zone de cémentation,, différent vis-à-vis du coeur du métal. C'est ainsi que, par exemple, on peut entourer d'une bobine la pièce à examiner et d'une autre bobine la pièce ser- vant d'étalon. On commence par compenser dans un montage à pont électrique, à une basse fréquence, les inductivités de ces bobines, qui dépendent dans une notable mesure de la per- méabilité des pièces avec lesquelles on les associe. Cette com- pensation peut être opérée très simplement en enfonçant une des pièces plus ou moins dans la bobine associée.
Lorsqu'on augmen- te alors la fréquence, l'équilibre du pont est derechef rompu quand par suite du skin-effect le courant induit par les bobi- nes dans les pièces à mesurer se rassemble dans une zone su- perficielle dont la profondeur correspond en substance à la profondeur de cémentation, car en raison de la teneur plus élevée en carbone la perméabilité de la zone superficielle diffère de celle du métal de fond, et à une autre perméabilité correspond aussi une autre inductivité de la bobine.
Naturellement., on peut aussi employer comme étalon une pièce dont la composition homogène correspond à la compo- sition de la zone extérieure de la couche de cémentation. Dans ce cas les conditions décrites deviennent inverses, c'est-à- dire qu'il faut compenser le pont à de hautes fréquences, tandis que la rupture de l'équilibre du pont se produit à des fréquences plus basses correspondantes.
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Enfin, on peut aussi, avantageusement, comparer entre elles des pièces cémentées. L'écart par rapport à une tolérance de cémentation déterminée correspond alors à un écart de fréquence déterminé.
Il s'est en outre avéré avantageux de rendre l'indi- cation plus marquée en opérant la, compensation du pont à une fréquence moyenne. En introduisant dans le pont des pièces ayant une profondeur de cémentation plus grande ou plus petite, on peut, en faisant varier la fréquence, adapter à chaque pièce une déviation minimum de l'instrument indicateur de zéro.
Il en est ainsi chaque fois que la répartition de courant déterminée par le skin-effect a une action analogue à celle qui s'est manifestée lors de la compensation du pont. On supposera par exemple que la compensation ait eu lieu à une fréquence de 3000 périodes par seconde entre une pièce ho- mogène correspondant au métal de fond et une pièce à profon- deur de cémentation de 0,5 mm. A cette fréquence le refoule- ment du courant est deja notable, de sorte que la zone de cémentation de la pièce à examiner manifeste son action en premier lieu. L'inductivité de la bobine, décisive pour la. compensation du pont, est donc déterminée par la perméabilité de la zone de cémentation et, pour le reste, par la perraéabi- lité du coeur de la pièce.
Le rapport des deux perméabilités effectives correspond à la répartition de courant, existant à la fréquence établie par le réglage. Lorsqu'on remplace alors la pièce par une pièce à cémentation plus poussée, le rapport des permeabilites effectives change, savoir de maniè- re que la part de la zone superficielle augmente. De ce fait change aussi à son tour l'inductivité de la bobine et, par- tant, le degré de réglage du pont. Pour rétablir la réparti- tion primitive il faut diminuer la fréquence jusqu'à ce que le métal du coeur de la pièce devienne magnétiquement actif
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par suite du moindre refoulement du courant. Si c'est le cas dans la même proportion, l'instrument du pont indique à nou- veau un minimum.
A chaque profondeur de cémentation correspond donc une certaine fréquence pour laquelle le pont est compensé dans une notable mesure. Le réglage à ce minimum est extrême- ment marqué et il est en outre indépendant de fluctuations de la tension, qui se manifestent éventuellement.
Comme dans le procédé décrit le seul changement dé- cisif de l'indication est celui déterminé par la fréquence, qui demeure indépendant des conditions qui doivent être rem- plies pour la compensation du pont, on peut aussi mesurer des pièces ayant une hérédité thermique ou magnétique diffé- rente. En cela l'invention diffère essentiellement et avanta- geusement des procédés dits magnétiques, qui ont été proposés par exemple pour la détermination de la teneur en carbone et qui ne donnent des résultats utilisables que lorsqu'on compare entre elles des pièces de même hérédité.
L'invention concerne en outre un appareil pour l'examen des matériaux, notamment pour des dispositifs pour la mesure des couches produites sur des pièces métalliques, surtout sur des pièces en acier, et plus spécialement de la profondeur de cémentation, de la profondeur de nitruration, de la profondeur de siliciuration, etc., qui se caractérise par une source de courant alternatif de mesure à fréquence variable de manière continue et à amplitude aussi constante que possible. Cet appareil se caractérise en outre en ce que le changement de fréquence est opéré suivant le principe de battements. Avantageusement, les deux fréquences servant à produire les battements sont engendrées dans un montage à couplage en retour, par exemple un montage à couplage en retour de Meissner.
En outre, la fréquence de battement est produite avantageusement dans une hexode mélangeuse de fré- quences.
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Plus spécialement, les considérations suivantes s'imposent:.
L'emploi de courants alternatifs de fréquences diffé- rentes s'est avéré avantageux pour le procédé d'examen magné- tique des matériaux décrit . C'est ainsi que, par exemple, la mesure non destructive de couches carburées ou nitrurées dans les aciers est particulièrement avantageuse quand on emploie une source de courant alternatif dont on peut varier la fré- quence de manière continue dans la gamme de 20 à 10 périodes par seconde en maintenant une amplitude constante.
Le principe des battements, connu en soi, constitue un moyen commode de créer une telle source de 'courant. Deux générateurs à haute fréquence fournissent chacun une tension alternative dont la fréquence est plus élevée que la fréquence maximum se produisant dans l'eppareil de mesure magnétique.
On applique les deux tensions alternatives à un tube mélangeur de fréquences, à l'anoae duquel on peut prélever ensuite une troisième fréquence-qui est égale à la différence des deux fréquences amenées au tube. Si par exemple un des générateurs fournit une fréquence de 110.000 périodes par seconde et l'autre générateur une fréquence de 100,000 périodes par seconde, la fréquence différentielle disponible comme tension de travail est de 10.000 périodes par seconde. Quand on main- tient constante la fréquence du générateur oscillant à 100.000 périodes par seconde et qu'on fait varier de manière continue celle de l'autre de 100.000 a 110.000 périodes par seconde, la fréquence différentielle fournit la tension de travail voulue à 0....10.000 periodes par seconde.
La variation re- lative de fréquence du genérateur variable n'est alors que de 105. Une telle variation de la fréquence peut être réali- sée par des moyens simples, par exemple en employant comme qapacite de circuit oscillant un condensateur tournant, la
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constance de L'amplitude étant, en outre maintenue dans une notable mesure., tandis que la variation directe de la fréquence d'un générateur de 0 à 10.000 rencontre de notables difficultés et n'est d'ailleurs guère compatible avec la condition de maintenir'une amplitude constante. L'application du principe des battements au procédé d'examen magnétique des matériaux présente donc un notable avantage.
A titre d'exemple, un montage de mesure conforme à l'invention est décrit ci-aprèsavec référence à la fig.l des dessins annexés: Les bobines 1 et 2 constituent conjointe- ment avec les résistances 3 et 4 un pont de Wheatstone. A l'intérieur des bobines sont placés l'étalon 5 et la pièce à examiner 6. Pour compenser commodément le. pont, on peut varier la selfinduction de la bobine 1 en insérant l'étalon 5 à des profondeurs différentes. La résistance variable 7, bran- chée en parallèle sur cette bobine., permet d'établir l'équi- libre du pont sans déphasage. La tension alternative requise à fréquence variable de 20 à 5.000 périodes par seconde est fournie par un buzzer à battements 8 dans lequel est monté un amplificateur de puissance et dont l'échelle peut être étalon- née en toutes unités voulues.
Comme instrument indicateur de zéro on emploie un voltmètre à tubes électroniques à deux étages 9. La compensation du pont s'opère à une fréquence pré- déterminée, à l'aide d'une pièce dont la profondeur de cémenta- tion est connue, en la comparant à un étalon en matière homo- gène. L'étalonnage peut être exécuté à l'aide d'autres pièces dont la profondeur de cémentation est connue.
Le procédé décrit pour la détermination de la profon- deur de cémentation et le dispositif pour l'exécution de ce procédé peut aussi servir à la mesure de la profondeur de nitruration et de la profondeur de décarburation, ainsi qu'à la surveillance de tous les procédés dans lesquels s'opère un changement de la surface d'une matière.
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La fig.2 montre un montage différentiel constitué par les bobines excitatrices 10, 11 et les bobines indicatri- ces 12, 13. Les bobines 10 et 12 et les bobines 11 et 13 sont enroulées respectivement sur deux porte-bobine communs. On insère l'étalon 14 dans le groupe de bobines 10, 12 et la pièce à examiner 15 dans le groupe de bobines 11, 13. La compensation et l'étalonnage du montage s'opèrent de 1a même manière que précédemment. Aux conducteurs 16 est raccordé le voltmètreà tubes électroniques.
Lorsque l'échantillon et l'étalon sont équivalents aux points de vue électrique et magnétique, les tensions induites dans les bobines indicatrices s'annulent mutuellement et le voltmètre à tubes électroniques ne montre aucune dévia- tion. Quand les propriétés des deux pièces commencent à dif- férer entre elles pour une fréquence déterminée, la tension dans une bobine devient plus grande que dans l'autre, les tensions induites ne s'annulent plus mutuellement et on lit leur différence sur le voltmètre à tubes électroniques. La fréquence à laquelle ceci se produit constitue une mesure de la profondeur de cémentation.
La fig. 3 montre schématiquement un exemple d'exé- cution d'une source de courant alternatif -employée pour exé- cuter l'invention: Les éléments 1 et 2 sont des triodes, fonctionnant par exemple suivant un montage à couplage en re- tour de Meissner, qui fournissent une tension à haute fré- quence d'environ 100.000 periodes par seconde. La fréquence du générateur à peut être variée de manière continue dans la gamme de 100.000 à 110.000 périodes par seconde à l'aide du condensateur tournant 3 monté en parallèle.
La tension à haute fréquence fournie par les deux générateurs est appliquée par l'intermédiaire des condensateurs de couplage 4 et 5 aux grilles de commande de l'hexode mélangeuse de fréquences 6
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aux anodes de laquelle on prend par 1'entremise du filtre passe-bas 7 la fréquence variable de mesure qui est ensuite .amplifiée dans la pentode amplificatrice 8. La fréquence de mesure amplifiée peut être transmise, par l'intermédiaire d'un transformateur 9 à tension appropriée, à l'instrument de mesure à pont électrique ou à montage différentiel.
REVENDICATIONS @
1.. - Procédé pour mesurer les couches produites sur des pièces métalliques, notamment des pièces en acier, et plus particulièrement la profondeur de cémentation, de nitruration, de siliciuration, de décarburation, etc., caracté- risé en ce qu'on utilise pour la mesure non destructive de la profondeur de la couche la dépendance entre la. fréquence et la profondeur de pénétration d'un courent alternatif.