軸承鋼球球面硬度修正值的驗證及分析

朱一偉，李紅濤，王智勇 ，葉健熠 ， 祝道明

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.高性能軸承數字化設計國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039；3.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.空軍裝備部駐洛陽地區第二軍事代表室，河南 洛陽 471009)

0 引言

硬度是材料力學性能試驗中常用的性能指標之一，硬度試驗則是力學性能試驗中最為簡單和迅速的方法。硬度的定義是材料在一定條件下抵抗另一種本身不會發生殘余變形的物體壓入的能力，因此就被測材料而言，硬度代表在一定壓頭和試驗力下所反映出的材料的彈性、塑性、強度、韌性以及耐磨性等一系列物理性能的綜合指標[1-3]。常用的硬度試驗方法有壓入法(洛氏硬度、 布氏硬度、維氏硬度)和回跳法(里氏硬度、肖氏硬度)等，只有根據被測零件的材料種類和大致硬度值選擇合適的試驗方法和試驗條件，對試驗結果進行正確處理并分析影響硬度試驗結果的主要因素，才能大大提高硬度測試的準確性，保證檢測數據的真實性和有效性。

目前，企業在生產實踐中對淬回火工件的硬度檢驗使用最多和最方便的是洛氏硬度試驗法，以判斷其硬度是否滿足標準規定或圖紙要求。

鋼球是軸承的重要零件，其硬度是必檢項目，也是判定鋼球是否合格的重要依據。GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準[4]附錄F(規范性附錄)中給出了凸球面上試驗C標尺洛氏硬度修正值，其中包括2個重要信息：其一是直徑為4～25 mm的鋼球表面洛氏硬度與表面修正值對應關系表；其二是給出了“在凸球面上試驗C標尺洛氏硬度修正值”ΔH的計算公式，即

ΔH=59×(1-H/160)2/Dw，

(1)

式中：H為球面上的洛氏硬度值；Dw為鋼球直徑，mm。也就是說，通過上述球面修正值計算公式，可快速計算出需要的修正值。

目前，軸承行業常用的高碳鉻軸承鋼、高碳鉻不銹軸承鋼及高溫軸承鋼的熱檢標準[5-7]對成品鋼球硬度檢測時使用的鋼球表面硬度修正值是在標準制定初期試驗結果整理匯總的結果(鋼球直徑范圍為4.762 5～15.875 0 mm)。隨著標準版本的更新，修正值一直沿用舊標準，沒有改變。由于軸承行業標準給定的鋼球尺寸受直徑范圍及修正值精度的限制，使得在檢測成品鋼球硬度時，即使加上修正值也往往造成硬度值偏離“真值”，并會引發一些爭議。

本文以非強化全淬透成品鋼球洛氏硬度試驗為例，對鋼球球面硬度(加修正值)與平面硬度(鋼球磨平)進行了對比，試驗驗證其修正公式的準確性；對目前所使用的軸承行業標準中關于成品鋼球硬度修正值[5]進行了對比分析，從中發現行業標準中給出的鋼球修正值的不足。

1 洛氏硬度試驗原理及表示方法

洛氏硬度試驗原理為在初始試驗力及總試驗力的先后作用下，將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或硬質合金)壓入試樣表面，保持規定時間后，卸除主試驗力，測量在初始試驗力下的殘余壓痕深度并計算硬度值。GB/T 230.1—2018規定，洛氏硬度用符號HR表示，符號HR前面為硬度值，后面為使用標尺，如60 HRC表示用C標尺測得的洛氏硬度值為60。

材料的硬度都是以平面為基準測量的。經過大量的試驗發現，在不同凸球面試樣上測量的洛氏硬度值均比在相同材料平面試樣上測得的低，并且對于相同硬度的凸球面試樣，凸球面直徑越小，對于相同的壓入深度，凸球面上壓痕周圍所缺少的體積比平面試樣的越多，其變形抗力越小，反映出的硬度值越低；對于同一直徑的凸球面試樣，在高硬度下與平面零件洛氏硬度的差值要比低硬度下的小。因此，凸球面試樣(鋼球球面硬度)與平面試樣(鋼球磨平面硬度)的洛氏硬度之差只與凸球面直徑、洛氏硬度值高低有關，而與材料無關。在凸球面試樣硬度試驗時，必須對凸球面試樣的測試值進行修正。因此，國標給出了鋼球試樣修正值的計算公式((1)式)。

2 成品鋼球材料、直徑及硬度試驗結果

測試驗證的成品鋼球材料有3種，分別為GCr15，G95Cr18，8Cr4Mo4V。在同種材料制造的同批淬回火態的鋼球中隨機選取3個直徑，用HR-150A型號的洛氏硬度計測鋼球的球面硬度，再加上按公式計算的修正值，即為鋼球的實際硬度；把鋼球磨制出2個相互平行的平面，使其類似腰鼓形狀測試平面硬度；對比2個硬度值，以驗證所測鋼球硬度的準確性。試驗方法如圖1所示，試驗結果見表1。

圖1 鋼球球面硬度與平面硬度測試示意圖Fig.1 Diagram of spherical hardness and plane hardness tests of steel balls

由表1可知：1)實測球面硬度加上按公式計算的修正值所得的鋼球硬度與所測鋼球的平面硬度基本一致，誤差為0.06～0.40 HRC；2)對于8Cr4Mo4V鋼制造的直徑為22.225 mm的成品鋼球，現行標準[6]要求的硬度為61～66 HRC，實測的成品球球面硬度最低為60.4 HRC，若不加修正值就不能滿足要求，很容易判廢，其平面硬度的檢測結果是合格的，按GB/T 230.1—2018給出的修正值計算，其硬度也是合格的。

表1 鋼球球面硬度與平面硬度測試結果Tab.1 Test results of spherical hardness and plane hardness of steel balls

3 鋼球硬度修正值對比分析及修正公式的使用范圍

目前，國內軸承行業熱檢標準中給定的成品鋼球硬度修正值見表2[5]，只有直徑為4.762 5～15.875 0 mm的鋼球才加修正值。按GB/T 230.1—2018中的硬度修正公式計算出的修正值見表3(暫提供了部分直徑鋼球修正值)。

表2 國內軸承行業標準給定的成品鋼球硬度修正值Tab.2 Correcting values of hardness of finished steel balls given by domestic bearing industry standard

表3 按國標修正公式計算出的鋼球硬度修正值Tab.3 Correcting values of hardness of steel balls calculated by correcting formula in national standard

表2與表3對比可知：1)二者對硬度的修正值存在差異，有的甚至是較大差異，比如，鋼球直徑為4.762 5 mm，硬度為50.0 HRC時，誤差達1.0 HRC；直徑為10.318 8 mm，硬度為65.0 HRC時，誤差達0.8 HRC；直徑為15.875 0 mm，硬度為66.0 HRC時，誤差達1.1 HRC，這是軸承行業標準修正值的不足之處之一；2)表2只給出了直徑為4.762 5～15.875 0 mm鋼球的硬度修正值，理論上，鋼球凸球面硬度必須有硬度修正才合理，但現行軸承行業標準中直徑大于15.875 0 mm的鋼球沒有硬度修正值，這是其不足之處之二；3)在GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》的附錄F“曲面硬度修正值”中加注了“由制造廠與用戶協商亦可采用GB/T 230.1—2009附錄D中的相關規定” (相當于GB/T 230.1—2018附錄F)，這屬于雙標并行，而其他2類常用的軸承材料(G95Cr18和8Cr4Mo4V)的現行熱檢標準則沒有這項規定。因此，為了準確、統一及方便，再次修訂有關鋼球硬度標準時，球面硬度修正值建議使用(引用)GB/T 230.1—2018附錄F給定的修正值公式。

從國標給定鋼球的硬度修正公式看出，當鋼球直徑Dw趨于無窮大時，其修正值ΔH才趨近于0，這正符合了洛氏硬度測試平面的基本原理。一般鋼鐵材料淬回火后的洛氏硬度在70 HRC以下，洛氏硬度計測試范圍要求一般是25～70 HRC[4]，因此，公式中的H值不會大于160 HRC，即不會出現修正值為負數的問題。

4 結束語

目前國內軸承行業使用的行業熱檢標準給定的成品鋼球硬度修正值與按國標GB/T 230.1—2018

2018中公式計算的修正值存在差異， 鋼球直徑為4.762 5～15.875 0 mm的最大誤差為1.3 HRC。按國標中的公式計算的修正值所得的鋼球實際硬度值與所測鋼球的平面硬度基本一致，特別是超過行業標準給定的直徑為15.875 mm以上的鋼球，因此，國標鋼球硬度修正公式是準確、可靠的。為了準確檢測不同直徑鋼球的硬度，建議使用國標推薦的鋼球硬度修正公式計算鋼球球面硬度修正值。