硬度計(jì)在熱處理行業(yè)應(yīng)用

熱處理是提高和保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性、提高制造業(yè)市場競爭力的重要基礎(chǔ)之一，其行業(yè)水平的高低對(duì)制造業(yè)發(fā)展起著舉足輕重的作用。目前，我國的熱處理行業(yè)除了少數(shù)廠家外，總體水平遠(yuǎn)不能適應(yīng)加入WTO后熱處理行業(yè)面臨的更激烈的市場競爭環(huán)境。在這其中，我國的熱處理檢測設(shè)備更為落后。嚴(yán)重的限制和阻礙了工藝技術(shù)的發(fā)展和造成產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定，更重要的是不能有效的防止產(chǎn)品出現(xiàn)不必要的質(zhì)量事故。下面我就機(jī)械零件、工模具熱處理后常用的硬度測試來舉例。

硬度是衡量金屬材料軟硬的一個(gè)指標(biāo)，硬度值實(shí)際上不是一個(gè)單位的物理量，它是表征著材料的彈性、塑性、形變、強(qiáng)化率、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)，一般可以認(rèn)為硬度是指金屬表面上不大體積內(nèi)抵抗變形破裂的能力。采用便攜式里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測的實(shí)用價(jià)值在于不必破壞工件并可成批檢驗(yàn)零件，已成為產(chǎn)品質(zhì)量檢查、制定合理工藝和分析產(chǎn)品質(zhì)量的重要實(shí)驗(yàn)方法之一。

我一直工作在熱處理的生產(chǎn)現(xiàn)場，根據(jù)對(duì)里氏硬度計(jì)的使用狀況與使用方式，我認(rèn)為里氏硬度計(jì)是壓入和回跳硬度值組合的一種測試方式，從結(jié)構(gòu)上有它*而又廣泛的實(shí)用性，尤其是測試大中型尺寸而且形狀復(fù)雜的工件及工模具的硬度值與失效分析，具有其他類型硬度計(jì)不可替代的優(yōu)勢。

結(jié)構(gòu)件及模具檢測實(shí)際使用情況

一、用里氏硬度計(jì)測試硬度來分析、驗(yàn)證大型齒軸、內(nèi)齒圈預(yù)處理工藝及滲碳淬火工藝的方法：
1、預(yù)處理工藝后測試

這道工藝操作后的質(zhì)量直接影響滲碳工藝操作后齒軸、內(nèi)齒圈滲碳層硬度分布的均勻性、齒部的變形量。更重要的是芯部的強(qiáng)度（未滲層）。當(dāng)用里氏硬度計(jì)測試齒軸的齒部及柄部、內(nèi)齒圈的外圓內(nèi)徑及端面，如果發(fā)現(xiàn)測試的同一區(qū)域硬度高和低的相差較大，在審查儀表爐溫、裝爐方式、工藝?yán)鋮s方式都正常的前提條件下，就可根據(jù)硬度值高低差值及分布的狀況，推斷出工件內(nèi)組織存在著偏析或帶狀組織。如金相圖片顯示的帶狀偏析

因?yàn)橛糜捕确y試的實(shí)況是測試點(diǎn)在黑色的珠光體帶硬度偏高，在白色鐵素體帶硬度偏低。這種組織缺陷在隨后的滲碳淬火工藝操作中是不可能消除，而是被保留下來。一旦大型齒軸、內(nèi)齒圈存在這種組織缺陷，在裝機(jī)使用時(shí)不僅會(huì)造成使用壽命短的問題，而且常造成重大設(shè)備事故。當(dāng)我們通過測試硬度法可推斷出鍛件中有這種帶狀偏析后，立即采用固溶處理工藝操作或其他消除帶狀偏析的工藝即可消除缺陷，從而防止設(shè)備事故的發(fā)生、減少損失。

2、滲碳工藝后測試

這道工藝氏齒軸與內(nèi)齒圈的終熱處理工藝，通常檢驗(yàn)人員只對(duì)試樣測試HRC硬度，如圖：

然后再切開試樣做金相分析：滲層馬氏體級(jí)別、碳化物級(jí)別、形態(tài)分布、殘余奧氏體量形態(tài)、心部馬氏體級(jí)別，再用顯微硬度計(jì)測試滲層從表層至HV550硬度為深層深度以上操作作為終檢。但從現(xiàn)場發(fā)生齒軸早期失效斷軸，齒部嚴(yán)重磨損的事故分析中發(fā)現(xiàn)，實(shí)物的硬度低于試樣的硬度，尤其常常出現(xiàn)在深層滲碳時(shí)，原因是實(shí)物齒軸、內(nèi)齒圈與試樣不是同塊料上截取下來的，也不是同一爐所做的預(yù)處理。這樣在實(shí)物與試樣滲前原始組織不同，滲后的組織與硬度有一定差異，更主要的是在整個(gè)滲碳工藝操作中，由于工件的擺放及滲碳表面積巨大的差異（化學(xué)熱處理吸收過程的相界面反應(yīng)及主要因素中有一條滲入介質(zhì)各組分的濃度與工件表面狀態(tài)、表面形狀、表面積大小及表面能量對(duì)化學(xué)熱處理過程有極其重要的影響）把里氏硬度計(jì)測試出的硬度與試樣上洛氏硬度計(jì)及顯微硬度計(jì)測試出的硬度相比較、加之對(duì)試樣滲層的金相組織分析結(jié)合起來，就可較快而準(zhǔn)確的找出產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因。加之作必要的工藝調(diào)整，可在工件組裝前就把事故隱患消除。

二、用里氏硬度計(jì)測試硬度來分析、驗(yàn)證中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具工藝

這是一支用馬氏體不銹鋼所制作的飼料模具，主要用于生產(chǎn)飼料。模具上有10000～27000個(gè)孔，每小時(shí)有10噸的混合飼料粉狀物從?？讌^(qū)擠出成為顆粒狀。所以環(huán)模質(zhì)量與使用壽命的關(guān)鍵控制點(diǎn)是環(huán)模上?？讌^(qū)的硬度與滲層。以下是模孔磨損的實(shí)物圖片：

由于模具尺寸大，而且?？追植荚谕鈭A上，測試點(diǎn)是個(gè)曲面，孔與孔之間的間距一般有3～4mm，在這種條件下正好發(fā)揮了里氏硬度計(jì)的多樣適用性與小巧攜帶方便的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確的測試出?？滋帉?shí)際硬度。根據(jù)實(shí)測的硬度以及對(duì)試塊所作的金相分析，可更合理的修正和制定工藝，充分發(fā)揮材料潛力，提高使用壽命。如環(huán)模一小時(shí)出10噸飼料，當(dāng)延長10小時(shí)使用壽命就可出100噸飼料，會(huì)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

三、工模具失效分析中里氏硬度計(jì)的作用

材質(zhì)5CrMnMo大型熱鍛模具在使用中常因?yàn)樾颓辉缙谀p、塌陷而失效。如下圖：

當(dāng)用里氏硬度計(jì)對(duì)磨損區(qū)測試硬度時(shí)發(fā)現(xiàn)磨削的硬度值低于未使用前測試的硬度（38～42HRC）在32～34HRC范圍。這就說明在紅熱的毛坯（>10000C）對(duì)型腔加熱的第二階段（毛坯在型腔加熱大體可分為四個(gè)階段）,受熱量大約在80％～85％時(shí)，因模腔壁厚散熱慢，某些點(diǎn)區(qū)溫度高達(dá)6500C以上。當(dāng)模具型腔因傳導(dǎo)受熱后溫度超過模具回火溫度，模具在工作過程中是處在繼續(xù)回火過程階段，將繼續(xù)發(fā)生組織與性能的變化，就造成了磨損區(qū)硬度值的降低而發(fā)生熱磨損，就表明5CrMnMo這種熱作模具鋼不適宜做大型模具。當(dāng)選用600～6500C溫區(qū)內(nèi)服役的熱作模具如3Cr2W8V，3Cr3Mo3VNb這類熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性、屈服強(qiáng)度的熱作模具鋼比采用5CrMnMo更適宜。

在中國這個(gè)工業(yè)化進(jìn)程還遠(yuǎn)沒有完成的情況下，迫切需要努力縮短與先進(jìn)制造水平的差距，作為企業(yè)必須從戰(zhàn)略高度上來認(rèn)識(shí)到熱處理行業(yè)，不僅從設(shè)備、工藝，尤其是檢測設(shè)備急需要不斷吸取國內(nèi)外新技術(shù)，更要看在熱處理企業(yè)中實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的情況。這才是一個(gè)非常明智的舉措，因?yàn)樵诩尤隬TO后按世貿(mào)規(guī)則有五年過渡期，對(duì)我國制造業(yè)而言，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的時(shí)期，之所以說是關(guān)鍵是因?yàn)檫^渡期后我國制造業(yè)企業(yè)基本上將處于國外大公司同等競爭地位，而且在這過渡期中，我們尚可充分準(zhǔn)備提升競爭力，所以這是對(duì)企業(yè)非常緊迫的要求。

注：金相圖片顯示的帶狀偏析試樣是XX重型鍛造有限公司提供的行星輪上截取

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