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     當(dāng)前，滲碳和碳氮共滲淬火硬化層深度(CHD)的測(cè)定存在檢測(cè)數(shù)量多、費(fèi)時(shí)長(zhǎng)等弊端，因此如何實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的檢測(cè)成為了當(dāng)下關(guān)注的重點(diǎn)。在檢測(cè)過(guò)程中，在選定檢測(cè)方法的情況下，檢測(cè)環(huán)境、儀器設(shè)備、試樣加工方式以及人員操作等都是影響CHD檢測(cè)效率和測(cè)定精度的重要因素。由于檢測(cè)儀器和檢測(cè)環(huán)境均須經(jīng)過(guò)國(guó)家計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格，因此主要針對(duì)檢測(cè)操作人員和試樣加工方式這兩個(gè)方面對(duì)影響CHD測(cè)定精度的因素進(jìn)行分析。

 

1 測(cè)定方法

 

     目前，CHD測(cè)定方法主要有兩種：一種是測(cè)定并繪制顯微硬度梯度曲線，然后在曲線上求其滲碳和碳氮共滲淬火硬化層深度；另一種是校核法，也稱內(nèi)插法，是在估計(jì)有效硬化層深度處的兩側(cè)測(cè)定平均硬度，再用公式計(jì)算求得CHD。在日常生產(chǎn)檢測(cè)中，一般已知有效硬化層深度的范圍，再采用校核法對(duì)硬化層深度進(jìn)行測(cè)定。

 

2 CHD測(cè)定精度影響因素分析

 

2.1 檢測(cè)人員對(duì)CHD測(cè)定精度的影響

 

     在壓痕測(cè)量過(guò)程中，檢測(cè)人員對(duì)相同材料重復(fù)檢測(cè)結(jié)果的一致性影響很大。一致性檢測(cè)結(jié)果主要取決于檢測(cè)人員的操作技能水平。因從事CHD檢測(cè)的人員都須經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，2018年和2020年，二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室通過(guò)NADCAP顯微硬度法測(cè)定CHD國(guó)際比對(duì)試驗(yàn)，比對(duì)結(jié)果如圖1,2所示，在所有比對(duì)的20家實(shí)驗(yàn)室中，處于中心較好的位置，因此實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的顯微硬度是準(zhǔn)確的。

 

 

     同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室選取8位檢測(cè)人員使用國(guó)際比對(duì)試樣進(jìn)行了CHD校核試驗(yàn)。該比對(duì)試樣CHD標(biāo)準(zhǔn)值為1.139mm，良好值為0.998~1.280mm，警戒值下限為0.856mm，警戒值上限為1.421mm。實(shí)驗(yàn)室8位檢測(cè)人員的檢測(cè)結(jié)果下限為1.034mm，警戒值上限為1.124mm，警戒值平均值為1.080mm，較標(biāo)準(zhǔn)值偏低，但均符合良好值，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CHD校核結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人員對(duì)相同材料重復(fù)檢測(cè)結(jié)果的一致性合格(見(jiàn)圖3)。

 

 

2.2 機(jī)械加工方式對(duì)檢測(cè)試樣硬度的影響

 

     試樣加工是檢測(cè)前的一道工序，是影響生產(chǎn)檢驗(yàn)效率和檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的一個(gè)重要因素。機(jī)床加工(線切割、磨床等)是CHD檢測(cè)試樣加工最常用的方式，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，需將機(jī)床加工的試樣在初次磨制時(shí)需打磨掉2~3mm，并進(jìn)行腐蝕，在確認(rèn)其顯微組織均勻后方可進(jìn)行CHD檢測(cè)，這種加工方式耗時(shí)長(zhǎng)，檢測(cè)過(guò)程重復(fù)性大。為了不增加檢測(cè)難度，嘗試采用砂輪切割加工試樣，并有A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I 9位檢測(cè)人員對(duì)采用這幾種機(jī)械加工方式的試樣進(jìn)行CHD對(duì)比分析研究。

 

      實(shí)驗(yàn)室以3種不同材料為例，分析了不同的機(jī)械加工方法對(duì)滲碳和碳氮共滲材料表面維氏硬度的影響，由于機(jī)械加工過(guò)程中的機(jī)械熱作用和機(jī)械變形，故金屬材料在經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后表面會(huì)形成不同程度的硬化，這一現(xiàn)象隨機(jī)械加工的方法、條件的不同而有不同的變化。

 

2.2.1 砂輪切割加工對(duì)檢測(cè)試樣CHD的影響  

 

 

     選取3個(gè)試樣，使用砂輪切割機(jī)對(duì)其進(jìn)行截取、加工。1#試樣經(jīng)過(guò)砂輪切割后的平均厚度為24.90mm；2#試樣經(jīng)過(guò)砂輪切割后的平均厚度為24.02mm；3#試樣經(jīng)過(guò)砂輪切割后的平均厚度為22.50 mm。9位檢測(cè)人員分別對(duì)這3個(gè)試樣進(jìn)行磨拋，在試樣圓形端面每間隔120°進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，由圖4可知：硬度測(cè)試結(jié)果比較均勻。

 

 

      1#試樣經(jīng)過(guò)再次磨拋后的平均厚度為24.73mm，磨掉了0.17mm；2#試樣經(jīng)過(guò)再次磨拋后的平均厚度為23.89mm，磨掉了0.13mm；3#試樣經(jīng)過(guò)再次磨拋后的平均厚度為22.33mm，磨掉了0.17mm。9位檢測(cè)人員分別對(duì)再次磨拋后的3個(gè)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

 

     由圖5可知：3個(gè)試樣硬度測(cè)試結(jié)果與第一次硬度測(cè)試結(jié)果基本吻合，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，兩次操作只需稍作打磨就能進(jìn)行測(cè)試，兩次CHD檢測(cè)結(jié)果如表1所示。分析表明：3個(gè)試樣經(jīng)兩次CHD檢測(cè)，結(jié)果均滿足GB/T 9450—2005 《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》中“兩組平均數(shù)值之差≤0.1mm，則取它們的平均值作為淬硬層深度”的要求，說(shuō)明CHD檢測(cè)結(jié)果是正確的。

 

 

2.2.2 線切割加工對(duì)檢測(cè)試樣CHD的影響

 

     采用線切割方法加工試樣時(shí)，試樣必須在橫截面上切取，而且要垂直于縱向。線切割原理是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲(稱為電極絲)作為電極，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型，達(dá)到切割試樣的目的。在掃描電鏡(SEM)下觀察，切割面附近可以清晰地看到金屬熔化后形成的自由表面，表明線切割會(huì)對(duì)試樣帶來(lái)熱影響，該影響會(huì)使試樣切割表面燒傷或退火。

 

     將上述3個(gè)試樣使用線切割進(jìn)行制備，1#試樣經(jīng)過(guò)線切割0.5mm后的平均厚度為24.23mm；2#試樣經(jīng)過(guò)線切割0.5mm后的平均厚度為23.38mm；3#試樣經(jīng)過(guò)線切割0.5mm后的平均厚度為21.83mm。9位檢測(cè)人員分別對(duì)這3個(gè)試樣未打磨直接進(jìn)行硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)硬度分布無(wú)規(guī)律，無(wú)法進(jìn)行CHD檢測(cè)(見(jiàn)圖6)。

 

 

     檢測(cè)人員分別對(duì)這3個(gè)試樣進(jìn)行砂輪磨拋，1#試樣經(jīng)砂輪磨拋后的平均厚度為23.95mm，磨掉了0.28mm；2#試樣經(jīng)砂輪磨拋后的平均厚度為22.84mm，磨掉了0.54mm；3#試樣經(jīng)砂輪磨拋后的平均厚度為21.61mm，磨掉了0.22mm。然后，再次對(duì)這3個(gè)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，硬度顯示趨于正常(見(jiàn)圖7)。

 

 

      根據(jù)線切割試樣兩次硬度測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)線切割的試樣需增加砂輪磨制過(guò)程才能得到比較正常的硬度結(jié)果。試樣經(jīng)線切割并磨制后的CHD檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

 

 

2.2.3 磨床加工對(duì)檢測(cè)試樣CHD的影響

 

     磨削加工是一種重要的加工工藝，被廣泛應(yīng)用于高精度、低粗糙度工件的生產(chǎn)過(guò)程中。將上述3個(gè)試樣再使用磨床進(jìn)行加工，3個(gè)試樣分別被磨掉約1mm后，1#，2#，3#試樣的平均厚度分別為22.93，21.81，20.60mm；經(jīng)過(guò)水砂磨拋后，1#，2#，3#試樣分別被磨掉了0.04，0.03，0.05mm。9位檢測(cè)人員分別對(duì)這3個(gè)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。

 

 

     與其他加工工藝相比，磨削加工會(huì)切除單位體積材料，此時(shí)需要非常高的能量輸入，這些能量幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量集中在磨削區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致磨削區(qū)的溫度升高。磨削時(shí)切削層較薄，磨削速率高，磨粒經(jīng)過(guò)切削區(qū)的時(shí)間極短，熱量來(lái)不及向工件深處傳遞而聚集在工件表層，形成局部高溫導(dǎo)致磨削點(diǎn)的瞬時(shí)高溫變化可達(dá)1000℃左右，導(dǎo)致被磨工件表層發(fā)生不均勻的退火現(xiàn)象。當(dāng)磨削溫度較高時(shí)，零件表層顯微組織發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)磨削燒傷。CHD檢測(cè)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證，顯示磨削加工的試樣CHD檢測(cè)結(jié)果與砂輪切割和線切割試樣CHD檢測(cè)結(jié)果相比變小且不均勻，不符合GB/T 9450—2005的要求(見(jiàn)表3)。

 

 

     3個(gè)試樣分別用砂輪磨掉約0.2mm 后，1#，2#，3#試樣的平均厚度分別為22.72，21.61，20.39mm；又經(jīng)過(guò)水砂磨拋后，分別對(duì)這3個(gè)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

 

 

     磨床加工試樣經(jīng)砂輪打磨及水砂磨拋后，CHD檢測(cè)結(jié)果均符合GB/T 9450—2005 的要求(見(jiàn)表4)。

 

 

3 綜合分析

 

     對(duì)檢測(cè)人員和幾種機(jī)械加工方式進(jìn)行分析研究的結(jié)果表明：檢測(cè)人員對(duì)相同材料重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的一致性合格，CHD檢測(cè)結(jié)果均符合良好值，而砂輪切割、磨床、線切割等幾種機(jī)械加工方式對(duì)CHD檢測(cè)結(jié)果影響較大。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)不同機(jī)械加工方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度各不相同，其中磨床加工對(duì)試樣CHD檢測(cè)結(jié)果的影響顯著，由于經(jīng)磨床加工后試樣表面會(huì)產(chǎn)生軟層，從而使得顯微硬度有加工軟化現(xiàn)象，經(jīng)研究表明磨床加工對(duì)試樣表層產(chǎn)生的影響深度約為0.2mm；線切割加工試樣過(guò)程中的熱量過(guò)高，對(duì)CHD檢測(cè)結(jié)果也會(huì)造成影響，研究表明線切割加工對(duì)試樣表層產(chǎn)生的影響深度小于1mm；而砂輪切割加工對(duì)試樣表層影響最小，砂輪切割后試樣經(jīng)磨拋就可直接進(jìn)行CHD檢測(cè)試驗(yàn)。

 

     綜上所述，3種加工方式均可用于CHD檢測(cè)中試樣的制備，但磨床和線切割這兩種加工方式需在CHD檢測(cè)前先經(jīng)過(guò)砂輪打磨等方式從試樣表層去除一定影響深度后，才能準(zhǔn)確地測(cè)試試樣的顯微硬度。磨床加工試樣的影響深度約為0.2mm，為最大程度地消除加工方式帶來(lái)的影響并控制質(zhì)量，先用砂輪打磨去除0.5mm后，再依次進(jìn)行水砂→磨制→拋光。線切割加工試樣的影響深度小于

 

1mm，為控制質(zhì)量，先用砂輪打磨去除掉1.2mm后，再依次進(jìn)行水砂→磨制→拋光?？紤]成本和效率，可采用以下幾種組合方式制備試樣：線切割+砂輪+水砂制備，其中砂輪+水砂去除的影響深度不低于1.2mm；磨床+砂輪+水砂制備，其中砂輪+水砂去除影響深度不低于0.5mm；砂輪+水砂制備。

 

4 結(jié)語(yǔ)

 

     通過(guò)對(duì)幾種加工方法的研究，找出了合理、有效的檢驗(yàn)方法，采用組合方式可減小勞動(dòng)強(qiáng)度，保證生產(chǎn)進(jìn)度，節(jié)約成本，大幅度降低生產(chǎn)檢驗(yàn)的重復(fù)性操作，提高生產(chǎn)檢驗(yàn)效率，從而保證實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。