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热处理行业中里氏硬度计的实际应用
 
      热处理是提高和保证机械产品质量及可靠性、提高制造业市场竞争力的重要基础之一,其行业水平的高低对制造业发展起着举足轻重的作用。目前,我国的热处理行业除了少数厂家外,总体水平远不能适应加入WTO后热处理行业面临的更激烈的市场竞争环境。在这其中,我国的热处理检测设备更为落后。严重的限制和阻碍了工艺技术的发展和造成产品质量的不稳定,更重要的是不能有效的防止产品出现不必要的质量事故。下面我就机械零件、工模具热处理后最常用的硬度测试来举例。
    硬度是衡量金属材料软硬的一个指标,硬度值实际上不是一个单位的物理量,它是表征着材料的弹性、塑性、形变、强化率、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标,一般可以认为硬度是指金属表面上不大体积内抵抗变形破裂的能力。采用便携式里氏硬度计进行硬度检测的实用价值在于不必破坏工件并可成批检验零件,已成为产品质量检查、制定合理工艺和分析产品质量的重要实验方法之一。
    我一直工作在热处理的生产现场,根据对里氏硬度计的使用状况与使用方式,我认为里氏硬度计是压入和回跳硬度值组合的一种测试方式,从结构上有它独特而又广泛的实用性,尤其是测试大中型尺寸而且形状复杂的工件及工模具的硬度值与失效分析,具有其他类型硬度计不可替代的优势。
    结构件及模具检测实际使用情况:
    一、用里氏硬度计测试硬度来分析、验证大型齿轴、内齿圈预处理工艺及渗碳淬火工艺的方法:  
    1、预处理工艺后测试
    这道工艺操作后的质量直接影响渗碳工艺操作后齿轴、内齿圈渗碳层硬度分布的均匀性、齿部的变形量。更重要的是芯部的强度(未渗层)。当用里氏硬度计测试齿轴的齿部及柄部、内齿圈的外圆内径及端面,如果发现测试的同一区域硬度最高和最低的相差较大,在审查仪表炉温、装炉方式、工艺冷却方式都正常的前提条件下,就可根据硬度值高低差值及分布的状况,推断出工件内组织存在着偏析或带状组织。如金相图片显示的带状偏析。
    因为用硬度法测试的实况是测试点在黑色的珠光体带硬度偏高,在白色铁素体带硬度偏低。这种组织缺陷在随后的渗碳淬火工艺操作中是不可能消除,而是被保留下来。一旦大型齿轴、内齿圈存在这种组织缺陷,在装机使用时不仅会造成使用寿命短的问题,而且常造成重大设备事故。当我们通过测试硬度法可推断出锻件中有这种带状偏析后,立即采用固溶处理工艺操作或其他消除带状偏析的工艺即可消除缺陷,从而防止设备事故的发生、减少损失。
    2、渗碳工艺后测试
    这道工艺氏齿轴与内齿圈的最终热处理工艺,通常检验人员只对试样测试HRC硬度。
    然后再切开试样做金相分析:渗层马氏体级别、碳化物级别、形态分布、残余奥氏体量形态、心部马氏体级别,再用显微硬度计测试渗层从表层至HV550硬度为深层深度以上操作作为终检。但从现场发生齿轴早期失效断轴,齿部严重磨损的事故分析中发现,实物的硬度低于试样的硬度,尤其常常出现在深层渗碳时,原因是实物齿轴、内齿圈与试样不是同块料上截取下来的,也不是同一炉所做的预处理。这样在实物与试样渗前原始组织不同,渗后的组织与硬度有一定差异,更主要的是在整个渗碳工艺操作中,由于工件的摆放及渗碳表面积巨大的差异(化学热处理吸收过程的相界面反应及主要因素中有一条渗入介质各组分的浓度与工件表面状态、表面形状、表面积大小及表面能量对化学热处理过程有极其重要的影响)把里氏硬度计测试出的硬度与试样上洛氏硬度计及显微硬度计测试出的硬度相比较、加之对试样渗层的金相组织分析结合起来,就可较快而准确的找出产生质量问题的原因。加之作必要的工艺调整,可在工件组装前就把事故隐患消除。
    二、用里氏硬度计测试硬度来分析、验证中大型复杂结构模具工艺  
    这是一支用马氏体不锈钢所制作的饲料模具,主要用于生产饲料。模具上有10000~27000个孔,每小时有10吨的混合饲料粉状物从模孔区挤出成为颗粒状。所以环模质量与使用寿命的关键控制点是环模上模孔区的硬度与渗层。以下是模孔磨损的实物图片:
    由于模具尺寸大,而且模孔分布在外圆上,测试点是个曲面,孔与孔之间的间距一般有3~4mm,在这种条件下正好发挥了里氏硬度计的多样适用性与小巧携带方便的特点,能够准确的测试出模孔处实际硬度。根据实测的硬度以及对试块所作的金相分析,可更合理的修正和制定工艺,充分发挥材料潜力,提高使用寿命。如环模一小时出10吨饲料,当延长10小时使用寿命就可出100吨饲料,会给企业带来巨大的经济效益。
    三、工模具失效分析中里氏硬度计的作用  
    材质5CrMnMo大型热锻模具在使用中常因为型腔早期磨损、塌陷而失效。
    当用里氏硬度计对磨损区测试硬度时发现磨削的硬度值低于未使用前测试的硬度(38~42HRC)在32~34HRC范围。这就说明在红热的毛坯(>10000C)对型腔加热的第二阶段(毛坯在型腔加热大体可分为四个阶段),受热量大约在80%~85%时,因模腔壁厚散热慢,某些点区温度高达6500C以上。当模具型腔因传导受热后温度超过模具回火温度,模具在工作过程中是处在继续回火过程阶段,将继续发生组织与性能的变化,就造成了磨损区硬度值的降低而发生热磨损,就表明5CrMnMo这种热作模具钢不适宜做大型模具。当选用600~6500C温区内服役的热作模具如3Cr2W8V,3Cr3Mo3VNb这类热稳定性、热强性、屈服强度的热作模具钢比采用5CrMnMo更适宜。
    在中国这个工业化进程还远没有完成的情况下,迫切需要努力缩短与国际先进制造水平的差距,作为企业必须从战略高度上来认识到热处理行业,不仅从设备、工艺,尤其是检测设备急需要不断吸取国内外新技术,更要看在热处理企业中实际生产应用的情况。这才是一个非常明智的举措,因为在加入WTO后按世贸规则有五年过渡期,对我国制造业而言,这是一个非常关键的时期,之所以说是关键是因为过渡期后我国制造业企业基本上将处于国外大公司同等竞争地位,而且在这过渡期中,我们尚可充分准备提升竞争力,所以这是对企业非常紧迫的要求。
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