大型鍛件硬度檢測(cè)技術(shù)研究與改進(jìn)*

王永協(xié),李治濤

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

1 引言

42CrMo是機(jī)械制造業(yè)使用最廣泛的鋼號(hào)之一,由于良好的機(jī)械力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于航空、艦船等軍用領(lǐng)域中,也被鍛造成不規(guī)則形狀大型零部件[1]。隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展,艦船用機(jī)械工件的幾何尺寸和重量隨之增大,同時(shí)對(duì)熱處理工藝、設(shè)備和質(zhì)量檢測(cè)也提出了新課題[2]。

可移動(dòng)大、重型零部件表面硬度的常用方法主要有龍門(mén)洛氏硬度計(jì)和里氏便攜硬度計(jì)檢測(cè)兩種[3-4]。龍門(mén)洛氏硬度檢測(cè)相對(duì)里氏法檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確性更高,但中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所暫沒(méi)有龍門(mén)硬度儀,不具備龍門(mén)洛氏法檢測(cè)條件,一般將端蓋本體委托外協(xié)廠家進(jìn)行檢測(cè)。由于零部件尺寸大,考慮轉(zhuǎn)運(yùn)、協(xié)調(diào)等因素,嚴(yán)重影響檢驗(yàn)效率和交付節(jié)點(diǎn),同時(shí)成本也比較高。里氏硬度檢測(cè)由于體積小,重量輕,攜帶方便,檢測(cè)無(wú)需工作臺(tái),無(wú)論是大、重型工件,還是幾何尺寸復(fù)雜工件均容易實(shí)現(xiàn)硬度檢測(cè),對(duì)被測(cè)工件表面損傷較小,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。但里氏硬度計(jì)物理意義不夠明確,這種方法試驗(yàn)力的施加是動(dòng)態(tài)的和沖擊的,檢測(cè)時(shí)對(duì)工件表面質(zhì)量要求較高,可重復(fù)性差[5-6]

另外,圖紙技術(shù)要求采用的硬度表達(dá)方式代表了相應(yīng)的設(shè)計(jì)力學(xué)性能需求。在一定載荷、一定檢測(cè)條件下獲取的硬度值,可以準(zhǔn)確反映材質(zhì)經(jīng)一定的熱處理工藝方法后得到的表面硬度、基體硬度。因此,當(dāng)更換與圖紙技術(shù)要求不同的硬度檢測(cè)方法時(shí),必須考慮兩種檢測(cè)方法是否具有互換性[7],檢測(cè)條件是否滿足檢測(cè)要求,檢測(cè)結(jié)果是否能夠準(zhǔn)確反映出工件真實(shí)的硬度值。在實(shí)際檢測(cè)中,也經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)換檢測(cè)方法后檢測(cè)結(jié)果不一致的情況[8-9]。

當(dāng)前,里氏硬度檢測(cè)受工件表面粗糙度、碳化層厚度、硬化層深度等影響,與洛氏法相比,影響里氏法測(cè)量檢測(cè)值的因素比較多,即便是同一因素如碳化層,也會(huì)影響材質(zhì)的化學(xué)成分,降低表面硬度,減小表面硬化層深度,這些因素綜合影響下,導(dǎo)致硬度檢測(cè)的準(zhǔn)確性不高[10-11]。對(duì)于大型鍛件,如何科學(xué)有效地利用里氏法檢測(cè)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,成為當(dāng)下大型鍛件亟待解決的難題。

2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

端蓋本體是本所典型的批產(chǎn)大型鍛件,其中,鍛造為外協(xié)工序,入廠后需要復(fù)驗(yàn)硬度。圖1所示為端蓋本體簡(jiǎn)圖,直徑為d,厚度為H。端蓋本體硬度技術(shù)要求為32～37 HRC,外協(xié)廠家鍛件采用洛氏法檢測(cè)硬度,本所應(yīng)用便攜式里氏法檢測(cè)工件的表面硬度。

圖1 端蓋本體簡(jiǎn)圖

端蓋本體利用洛氏法和里氏法檢測(cè)硬度的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。外協(xié)返廠后的硬度復(fù)驗(yàn)方法與外協(xié)廠家的檢測(cè)方法不一致,并由此引起檢驗(yàn)、生產(chǎn)和外協(xié)廠家的爭(zhēng)議問(wèn)題,外協(xié)廠家檢測(cè)結(jié)果和本所復(fù)驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差,甚至影響工件合格的判定。

表1 里氏法和洛氏法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

因端蓋本體生產(chǎn)批量大,任務(wù)急,本所僅有里氏硬度計(jì),利用現(xiàn)有設(shè)備,需利用和掌握里氏檢測(cè)硬度機(jī)理,通過(guò)硬度檢測(cè)試驗(yàn)方案,盡快探索出適宜端蓋本體檢測(cè)硬度的最佳方案,確保工件按節(jié)點(diǎn)順利交付。

3 試驗(yàn)方案

端蓋本體硬度檢測(cè)試驗(yàn)方案的目的是驗(yàn)證工藝改進(jìn)是否會(huì)影響硬度的檢測(cè)結(jié)果。針對(duì)工件入廠復(fù)驗(yàn)結(jié)果一致性差、交付及時(shí)性差等問(wèn)題,通過(guò)改進(jìn)工藝提升檢測(cè)效率,但不能影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。對(duì)于端蓋本體的工藝改進(jìn)主要有如下兩種方案,采用兩端面粗車前、后硬度檢測(cè)和本體取樣方案探索里氏硬度試驗(yàn)法檢測(cè)重復(fù)性差等問(wèn)題的根源。

3.1 工件粗車前后對(duì)比方案

3.1.1 端面粗車前后結(jié)果對(duì)比實(shí)施

端蓋本體檢測(cè)硬度時(shí),首先根據(jù)零件形狀特點(diǎn)確定采點(diǎn)位置。

第1種方式是在工件檢測(cè)部位處利用砂輪砂紙手工打磨光滑平整,便攜里氏硬度計(jì)對(duì)工件表面要求比較高,打磨處的粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra1.6 μm,這樣可以減小工件表面質(zhì)量對(duì)硬度結(jié)果的影響。第2種方式是粗車端面后檢測(cè)硬度。圖2所示為端蓋本體機(jī)械加工端面示意圖。在A、B端面粗車后,表面光滑平整無(wú)需打磨,利用便攜里氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度,這時(shí)應(yīng)注意粗車端面見(jiàn)光即可。

圖2 端蓋本體機(jī)械加工端面示意圖

取兩件端蓋本體,在相同條件下手工打磨熱處理碳化層后檢測(cè)硬度并記錄,同時(shí)在采點(diǎn)處做出標(biāo)記;然后,粗車圖2中A、B端面,在相同位置采點(diǎn)打硬度記錄數(shù)據(jù)。表2和表3分別為1#工件、2#工件手工打磨工件表面硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)和粗車面硬度數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。工件檢測(cè)6個(gè)采點(diǎn)位的硬度平均值數(shù)據(jù)及差值。其中,端蓋本體硬度轉(zhuǎn)換成里氏的技術(shù)要求為585～620 HLD。

表2 1#工件里氏法硬度檢測(cè)結(jié)果平均值對(duì)比

表3 2#工件里氏法硬度檢測(cè)結(jié)果平均值對(duì)比

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以看出,里氏硬度差值范圍為8～13 HLD,在采點(diǎn)位置一致、硬度檢驗(yàn)方法相同的情況下,硬度結(jié)果有明顯差值,相差約10 HLD。2#工件的采點(diǎn)位2的粗加工前后硬度差值為12 HLD,粗加工前硬度值合格,粗加工后硬度結(jié)果超差,由此可知,檢驗(yàn)工藝方案在一定程度上影響檢驗(yàn)結(jié)果和合格判定。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確解釋粗車前、后數(shù)據(jù)的偏差問(wèn)題(手工打磨硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)偏小,粗車后硬度檢測(cè)結(jié)果偏大),將工件外委檢測(cè),利用龍門(mén)洛氏硬度試驗(yàn)法檢測(cè)硬度來(lái)對(duì)比驗(yàn)證。工件龍門(mén)洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 工件龍門(mén)洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果(轉(zhuǎn)換成里氏硬度)

通過(guò)與表2、表3中數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),1#工件和2#工件龍門(mén)洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果和粗車前手工打磨硬度檢測(cè)結(jié)果相近,這就從側(cè)面反映了粗車前手工打磨硬度檢測(cè)方案的準(zhǔn)確性更高。

3.2 本體取樣檢測(cè)方案

3.2.1 本體取樣方案實(shí)施

根據(jù)端蓋本體成品的形狀特點(diǎn),在粗加工時(shí)可以銑削下一塊方料做試樣用于硬度檢測(cè)。通過(guò)對(duì)試樣的硬度檢驗(yàn)來(lái)間接表征端蓋本體的硬度值。圖3所示為端蓋本體粗加工試樣位置簡(jiǎn)圖。根據(jù)成品的位置尺寸L1、L2和角度尺寸a,切下相同尺寸大小的試樣1和試樣2,不影響最終成品。

圖3 粗加工時(shí)試樣位置簡(jiǎn)圖

利用THRP-150D型洛氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣1、試樣2的硬度,在打洛氏硬度之前,首先應(yīng)區(qū)分所要打硬度的表面,需要和端蓋本體上下表面一致,記錄試樣1、試樣2洛氏硬度值。同時(shí),端蓋本體的尺寸較大,對(duì)本體的硬度檢測(cè)需利用大型龍門(mén)硬度儀進(jìn)行檢驗(yàn)。兩件端蓋本體外包廠家進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)時(shí)的具體采點(diǎn)位置如圖4所示,可以看出,采點(diǎn)位置基本均勻覆蓋零件表面,且對(duì)正、反面均進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)。

圖4 龍門(mén)洛氏硬度檢測(cè)點(diǎn)位簡(jiǎn)圖

對(duì)3#工件和4#工件兩件端蓋本體采用本體取樣方案,利用洛氏硬度計(jì)對(duì)兩工件試樣進(jìn)行檢測(cè)并記錄硬度數(shù)據(jù),間接得到3#工件的洛氏硬度為34.3 HRC,4#工件的洛氏硬度為35.4 HRC。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

選取兩件端蓋本體進(jìn)行龍門(mén)洛氏硬度檢測(cè),其中采點(diǎn)位置如圖4所示。表5是3#工件端蓋本體各點(diǎn)位洛氏硬度值檢測(cè)記錄,表6是4#工件端蓋本體各點(diǎn)位洛氏硬度值檢測(cè)記錄。

表5 3#工件端蓋本體各點(diǎn)位洛氏硬度值(平均值)

表6 4#工件端蓋本體各點(diǎn)位洛氏硬度值(平均值)

從表5和表6中數(shù)據(jù)可以看到3#工件和4#工件端蓋本體a～q點(diǎn)位的洛氏硬度及正、反面洛氏硬度檢測(cè)記錄。3#工件的硬度檢測(cè)結(jié)果為33.1～35.6 HRC,對(duì)比3#工件的試樣硬度34.3 HRC,硬度比較均勻。4#工件d、k點(diǎn)位的硬度與4#工件試樣硬度35.4 HRC基本一致,但g、h、f、i點(diǎn)位的硬度與試樣硬度結(jié)果有明顯偏差,表現(xiàn)為硬度結(jié)果不均勻且有超差現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)對(duì)不合格部位做金相處理發(fā)現(xiàn),4#工件端蓋本體超差部位組織存在疏松、偏析情況,這是造成零件硬度不均勻的根本原因。反過(guò)來(lái),也可以通過(guò)檢測(cè)大型鍛件硬度來(lái)判斷工件內(nèi)部是否存在鍛造缺陷。

4 分析與討論

4.1 端面粗車前后方案討論

首先,里氏硬度檢測(cè)代替洛氏檢測(cè)加大了檢驗(yàn)員的工作難度。零件表面粗糙度對(duì)里氏法的影響最大,所以保證打磨處碳化層的工件表面質(zhì)量是關(guān)鍵。本所根據(jù)里氏硬度檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,當(dāng)表面粗糙度為Ra1.6 μm或≤Ra1.6 μm時(shí),相同采點(diǎn)處的硬度值趨于穩(wěn)定。

其次,工件粗車后在相同點(diǎn)位檢測(cè)硬度,從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在檢測(cè)方法一致的情況下,粗車前、后的硬度值有偏差,且偏差值為10～12 HLD。結(jié)合受力分析,零件表面在車削時(shí),刀具對(duì)零件表面層有擠壓作用,該擠壓力足夠改變表面硬度結(jié)果。

最后,根據(jù)里氏硬度計(jì)的機(jī)理可知,里氏法檢測(cè)可以很好地表征工件表面的硬度,端蓋本體打磨碳化層保證表面粗糙度Ra1.6 μm或≤Ra1.6 μm的檢測(cè)結(jié)果更接近于硬度真實(shí)值。

4.2 本體取樣檢測(cè)方法討論

因端蓋本體尺寸較大,洛氏法需利用龍門(mén)式硬度儀進(jìn)行檢測(cè),但本所暫不具備洛氏硬度檢測(cè)條件,通過(guò)本體取樣方案可以由局部硬度結(jié)果表征端蓋本體的硬度值。本體取樣方案具有一定的局限性,首先,取樣時(shí)必須考慮工件成品形狀尺寸;然后,鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性會(huì)造成結(jié)果偏差,取樣方案只能反映試樣周邊的硬度值;最后,機(jī)械加工時(shí)間也在一定程度上影響生產(chǎn)進(jìn)度,檢驗(yàn)效率低。

另外,在零件鍛造過(guò)程中,因工藝、設(shè)備等因素會(huì)出現(xiàn)鍛造缺陷,常見(jiàn)的鍛件缺陷分為低倍缺陷和顯微缺陷兩類,主要如疏松、偏析、粗晶、異金屬夾雜等[12]。反映在性能方面的缺陷就是檢測(cè)硬度不均勻,導(dǎo)致硬度不合格現(xiàn)象。

4.3 檢測(cè)設(shè)備和方法選擇

大型鍛件因尺寸及重量均很大,無(wú)法利用臺(tái)式硬度計(jì)直接檢驗(yàn)。不同的硬度檢測(cè)方法應(yīng)用的檢測(cè)原理不同,檢測(cè)值的力學(xué)適用條件也不同。技術(shù)要求洛氏硬度,利用里氏法測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí),也應(yīng)考慮硬度檢測(cè)的原理,充分考慮其合理性和適宜性,只有這樣,才能保證檢測(cè)的精度、準(zhǔn)確性和可靠性。

另外,端蓋本體的硬度檢測(cè)也可利用龍門(mén)式硬度儀進(jìn)行檢驗(yàn),本所通過(guò)補(bǔ)充龍門(mén)式硬度儀檢測(cè)設(shè)備開(kāi)展洛氏法檢測(cè),有效提高了可移動(dòng)式大型工件硬度檢測(cè)能力和水平。

5 小批量驗(yàn)證

結(jié)合上述檢測(cè)試驗(yàn)方案的結(jié)果,最終確定端蓋本體最佳檢測(cè)方法是采用手工打磨檢測(cè)點(diǎn)位,保證表面粗糙度≤Ra1.6 μm,利用便攜里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)。

為了驗(yàn)證該檢測(cè)方案的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,選取202202批次5件端蓋本體的生產(chǎn)驗(yàn)收情況開(kāi)展有效性評(píng)價(jià),零件編號(hào)為H202202001～H202202005,外廠鍛件入廠復(fù)驗(yàn)硬度。首先,確認(rèn)特殊過(guò)程鍛造工序質(zhì)量符合要求,復(fù)核廠家合格證明文件;然后,按檢測(cè)試驗(yàn)確定的點(diǎn)位畫(huà)出工件檢測(cè)點(diǎn)位,依次手工打磨拋光各點(diǎn)位的碳化層,達(dá)到表面粗糙度Ra1.6 μm,利用里氏法檢測(cè)硬度。記錄5件端蓋本體硬度檢測(cè)結(jié)果;最后,將5件端蓋本體外委,采用龍門(mén)洛氏硬度計(jì)相同點(diǎn)位檢測(cè)驗(yàn)證。

驗(yàn)證批硬度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)表7。通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),端蓋本體利用手工打磨里氏檢測(cè)點(diǎn)位法與龍門(mén)硬度儀檢測(cè)結(jié)果范圍區(qū)間相近,考慮到采點(diǎn)或其他偶然人為因素影響,硬度檢測(cè)結(jié)果差值基本可以忽略不計(jì)。

表7 驗(yàn)證批硬度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比情況

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用便攜硬度儀對(duì)端蓋本體硬度進(jìn)行檢測(cè),在工程應(yīng)用中開(kāi)展檢測(cè)試驗(yàn),驗(yàn)證了里氏硬度檢測(cè)的影響因素,得到了端蓋本體硬度檢測(cè)的最佳方案,解決了端蓋本體的里氏法檢測(cè)難題,同時(shí),保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于可移動(dòng)大型鍛件的硬度檢測(cè)應(yīng)用具有指導(dǎo)意義,可以得出如下結(jié)論。

1)便攜里氏硬度計(jì)對(duì)機(jī)械加工工件表面直接進(jìn)行硬度檢測(cè),硬度結(jié)果會(huì)稍偏大。

2)大型鍛件最佳檢驗(yàn)方案是表面手工打磨檢測(cè)點(diǎn)位,保證表面粗糙度≤Ra1.6 μm,采用里氏法檢測(cè),在一定條件下能夠保證硬度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3)大型鍛件硬度結(jié)果受鍛件質(zhì)量影響較大,利用本體取樣方案間接檢測(cè)其硬度具有一定的局限性。

4)對(duì)可移動(dòng)、有規(guī)則形狀的大型鍛件的硬度檢測(cè),在檢測(cè)條件允許時(shí),利用龍門(mén)洛氏硬度儀直接進(jìn)行檢驗(yàn),可以有效提升檢驗(yàn)準(zhǔn)確性和及時(shí)性。