冉 玲,孙承才,康玉桃,罗世树,王 妍,李继昌

[二重(德阳)重型装备有限公司 检测中心,德阳 618000]

摘 要:采用试验对比的方法研究了检测人员和机械加工方式对渗碳和碳氮共渗淬火硬化层深 度测定精度的影响。结果表明:检测人员对相同材料重复检测结果的一致性合格,淬火硬化层深度 检测结果良好;而砂轮切割、磨床、线切割等几种机械加工方式对淬火硬化层深度检测结果的影响 较大,其中磨床、线切割加工的影响程度大于砂轮切割加工。

关键词:硬化层深度;影响因素;检测人员;机械加工

中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)07-0005-05

当前,渗碳和碳氮共渗淬火硬化层深度(CHD) 的测定存在检测数量多、费时长等弊端,因此如何实 现高效率、高质量的检测成为了当下关注的重点。 在检测过程中,在选定检测方法的情况下,检测环 境、仪器设备、试样加工方式以及人员操作等都是影 响 CHD检测效率和测定精度的重要因素。由于检 测仪器和检测环境均须经过国家计量检定机构检定 合格,因此主要针对检测操作人员和试样加工方式 这两个 方 面 对 影 响 CHD 测 定 精 度 的 因 素 进 行 分析。

1 测定方法

目前,CHD 测定方法主要有两种[1]:一种是测 定并绘制显微硬度梯度曲线,然后在曲线上求其渗 碳和碳氮共渗淬火硬化层深度;另一种是校核法,也 称内插法,是在估计有效硬化层深度处的两侧测定 平均硬度,再用公式计算求得 CHD。在日常生产检 测中,一般已知有效硬化层深度的范围,再采用校核 法对硬化层深度进行测定。

2 CHD测定精度影响因素分析

2.1 检测人员对 CHD测定精度的影响

在压痕测量过程中,检测人员对相同材料重复 检测结果的一致性影响很大。一致性检测结果主要取决于检测人员的操作技能水平。因从事 CHD 检 测的人员都须经过专业培训,2018年和2020年,笔 者单 位 实 验 室 通 过 NADCAP 显 微 硬 度 法 测 定 CHD国际比对试验,比对结果如图1,2所示,在所 有比对的20家实验室中,处于中心较好的位置,因 此实验室检测的显微硬度是准确的。

同时,实验 室 选 取 8 位 检 测 人 员 使 用 国 际 比 对试样进行了 CHD 校核试验。该比对试样 CHD 标准值为1.139mm,良好值为0.998~1.280mm, 警 戒 值 下 限 为 0.856 mm,警 戒 值 上 限 为 1.421mm。实验室8位检测人员的检测结果下限 为1.034mm,警戒值上限为1.124 mm,警戒值平 均值为 1.080mm,较 标 准 值 偏 低,但 均 符 合 良 好 值,达到合 格 标 准。根 据 CHD 校 核 结 果,实 验 室 检测人员对相同材料重复检测结果的一致性合格 (见图3)。

2.2 机械加工方式对检测试样硬度的影响

试样加工是检测前的一道工序,是影响生产检 验效率和检测结果准确性的一个重要因素。机床加 工[2-3](线切割、磨床等)是 CHD 检测试样加工最常 用的方式,但经过长期的生产检验发现,需将机床加 工的试样在初次磨制时需打磨掉2~3mm,并进行 腐蚀,在确认其显微组织均匀后方可进行 CHD 检 测,这种加工方式耗时长,检测过程重复性大。为了 不增加检测难度,尝试采用砂轮切割加工[4]试样,并 有 A,B,C,D,E,F,G,H,I9位检测人员对采用这几 种机械加工方式的试样进行CHD对比分析研究。 实验室以3种不同材料为例,分析了不同的机 械加工方法对渗碳和碳氮共渗材料表面维氏硬度的 影响,由于机械加工过程中的机械热作用和机械变 形,故金属材料在经过机械加工后表面会形成不同 程度的硬化[4-6],这一现象随机械加工的方法、条件 的不同而有不同的变化。

2.2.1 砂轮切割加工对检测试CHD的影响

选取3个试样,使用砂轮切割机对其进行截取、加 工。1 # 试样经过砂轮切割后的平均厚度为24.90mm; 2 # 试样经过砂轮切割后的平均厚度为24.02mm;3 # 试 样经过砂轮切割后的平均厚度为22.50mm。9位检测 人员分别对这3个试样进行磨抛,在试样圆形端面每 间隔120°进行硬度测试,测试结果如图4所示,由图4 可知:硬度测试结果比较均匀。 1 # 试 样 经 过 再 次 磨 抛 后 的 平 均 厚 度 为 24.73mm,磨掉了0.17mm;2 # 试样经过再次磨抛 后的平均厚度为23.89mm,磨掉了0.13mm;3 # 试 样经过再次磨抛后的平均厚度为22.33mm,磨掉了 0.17mm。9位检测人员分别对再次磨抛后的3个 试样进行硬度测试,结果如图5所示。 由图5可知:3个试样硬度测试结果与第一次 硬度测试结果基本吻合,数据稳定,两次操作只需稍 作打磨就能进行测试,两次 CHD 检测结果如表 1 所示。分析表明:3个试样经两次 CHD 检测,结果 均满足 GB/T9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深 度的测定和校核》中“两组平均数值之差≤0.1mm, 则取它们的平均值作为淬硬层深度”的要求,说明 CHD检测结果是正确的。

2.2.2 线切割加工对检测试样 CHD的影响

采用线切割方法加工试样时,试样必须在横截 面上切取,而且要垂直于纵向。线切割原理是利用 连 续移动的细金属丝(称为电极丝)作为电极,对工 件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型,达到切割 试样的目的[7]。在扫描电镜(SEM)下观察,切割面 附近可以清晰地看到金属熔化后形成的自由表面, 表明线切割会对试样带来热影响,该影响会使试样 切割表面烧伤或退火。 将上述3个试样使用线切割进行制备,1 # 试样 经过线切割0.5mm 后的平均厚度为24.23mm;2 # 试 样 经 过 线 切 割 0.5 mm 后 的 平 均 厚 度 为 23.38mm;3 # 试样经过线切割0.5mm 后的平均厚 度为21.83mm。9位检测人员分别对这3个试样 未打磨直接进行硬度测试,发现硬度分布无规律,无 法进行 CHD检测(见图6)。

检测人员分别对这3个试样进行砂轮磨抛,1 # 试样经砂轮磨抛后的平均厚度为23.95mm,磨掉了 0.28mm;2 # 试 样 经 砂 轮 磨 抛 后 的 平 均 厚 度 为 22.84mm,磨掉了0.54mm;3 # 试样经砂轮磨抛后 的平均厚度为21.61mm,磨掉了0.22mm。然后, 再次对这3个试样进行硬度测试,硬度显示趋于正 常(见图7)。 根据线切割试样两次硬度测试结果对比发现, 经过线切割的试样需增加砂轮磨制过程才能得到比 较正常 的 硬 度 结 果。 试 样 经 线 切 割 并 磨 制 后 的 CHD检测结果如表2所示。

2.2.3 磨床加工对检测试样 CHD的影响

磨削加工[8]是一种重要的加工工艺,被广泛应用 于高精度、低粗糙度工件的生产过程中。将上述3个 试样再使用磨床进行加工,3个试样分别被磨掉约 1mm 后,1 # ,2 # ,3 # 试样的平均厚度分别为22.93, 21.81,20.60mm;经过水砂磨抛后,1 # ,2 # ,3 # 试样分 别被磨掉了0.04,0.03,0.05mm。9位检测人员分别 对这3个试样进行硬度测试,结果如图8所示。

与其他加工工艺相比,磨削加工会切除单位体 积材料,此时需要非常高的能量输入,这些能量几乎 全部转化为热量集中在磨削区内,导致磨削区的温 度升高。磨削时切削层较薄,磨削速率高,磨粒经过 切削区的时间极短,热量来不及向工件深处传递而 聚集在工件表层,形成局部高温导致磨削点的瞬时 高温变化可达1000 ℃左右,导致被磨工件表层发 生不均匀的退火现象。当磨削温度较高时,零件表 层显微组织发生变化,甚至出现磨削烧伤[9]。CHD 检测对这一现象进行了验证,显示磨削加工的试样 CHD检测结果与砂轮切割和线切割试样 CHD 检 测结果 相 比 变 小 且 不 均 匀,不 符 合 GB/T9450— 2005的要求(见表3)。

3 个试样分别用砂轮磨掉约 0.2 mm 后,1 # , 2 # ,3 # 试 样 的 平 均 厚 度 分 别 为 22.72,21.61, 20.39mm;又经过水砂磨抛后,分别对这3个试样 进行硬度测试,结果如图9所示。 磨床加工试样经砂轮打磨及水砂磨抛后,CHD 检测 结 果 均 符 合 GB/T 9450—2005 的 要 求 (见 表4)。

3 综合分析

对检测人员和几种机械加工方式进行分析研究 的结果表明:检测人员对相同材料重复试验结果的 一致性合格,CHD 检测结果均符合良好值,而砂轮 切割、磨床、线切割等几种机械加工方式对 CHD 检 测结果影响较大。经过试验研究及数据分析,发现 不同机械加工方式对检测结果的影响程度各不相 同,其中磨床加工对试样 CHD 检测结果的影响显 著,由于经磨床加工后试样表面会产生软层,从而使 得 显微硬度有加工软化现象,经研究表明磨床加工对试样表层产生的影响深度约为 0.2mm;线切割 加工试样过程中的热量过高,对 CHD 检测结果也 会造成影响,研究表明线切割加工对试样表层产生 的影响深度小于1 mm;而砂轮切割加工对试样表 层影响最小,砂轮切割后试样经磨抛就可直接进行 CHD检测试验。 综上所述,3种加工方式均可用于 CHD检测中 试样的制备,但磨床和线切割这两种加工方式需在 CHD检测前先经过砂轮打磨等方式从试样表层去 除一定影响深度后,才能准确地测试试样的显微硬 度。磨床加工试样的影响深度约为0.2mm,为最大 程度地消除加工方式带来的影响并控制质量,先用 砂轮 打 磨 去 除 0.5mm 后,再 依 次 进 行 水 砂 → 磨 制→抛 光。 线 切 割 加 工 试 样 的 影 响 深 度 小 于 1mm,为控制质量,先用砂轮打磨去除掉1.2 mm 后,再依次进行水砂→磨制→抛光。考虑成本和效 率,可采用以下几种组合方式制备试样:线切割+砂 轮+水砂制备,其中砂轮+水砂去除的影响深度不低 于1.2mm;磨床+砂轮+水砂制备,其中砂轮+水砂 去除影响深度不低于0.5mm;砂轮+水砂制备。

4 结语

通过对几种加工方法的研究,找出了合理、有效 的检验方法,采用组合方式可减小劳动强度,保证生 产进度,节约成本,大幅度降低生产检验的重复性操 作,提高生产检验效率,从而保证实验室检测的效率 和准确性。

参考文献: [1] 施友方.钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定[J].理 化检验(物理分册),1996,32(6):37-39. [2] 刘志东.渗碳硬化层试样加工[J].热加工工艺,1988, 17(4):63. [3] 单岩,夏天.数控线切割加工[M].北京:机械工业出 版社,2004. [4] 王德泉.砂轮特性与磨削加工[M].北京:中国标准出 版社,2001. [5] 杜小平,何伟,张靖,等.机械加工和表面粗糙度对金 属材料硬度的影响[J].中国金属通报,2019(2):84- [ 85. 6] 孙晓峰,张浩,郑晓斐.机械加工对金属板材维氏硬度 的影响[J].四川有色金属,2018(4):44-45. [7] 高建,肖杰,苏伟.线切割加 工 速 度 的 影 响 因 素 分 析 [J].金属加工:冷加工,2021(3):28-32. [8] 王先逵.磨削加工[M].北京:机械工业出版社,2008. [9] 李聪.磨削加工表面烧伤机理及仿真研究[D].沈阳: 东北大学,2011.

<文章来源>材料与测试网>