馬煒

(全國(guó)試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，北京100085)

0 引言

近幾年，計(jì)量部門越來越多地遇到這樣的送檢需求:按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18 來檢定硬度計(jì)并出具報(bào)告。這是因?yàn)殡S著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程，國(guó)際合作日益加強(qiáng)，越來越多的企業(yè)承擔(dān)著大量來自海外的工程項(xiàng)目訂單，產(chǎn)品的計(jì)量、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)都必須按照其相應(yīng)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。比如我國(guó)許多飛機(jī)制造企業(yè)在國(guó)際合作中承包波音公司飛機(jī)零部件的加工，硬度計(jì)量作為其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，外方要求必須按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18 來檢定硬度計(jì)。

在按照ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)檢定洛氏硬度計(jì)時(shí)，最經(jīng)常遇到且容易存在的問題是以下四項(xiàng):試驗(yàn)力加載過程、測(cè)深裝置檢定、球壓頭檢定、示值誤差檢驗(yàn)。實(shí)踐中，問題常存在于兩個(gè)方面:一是缺乏合格而有效的檢具或檢驗(yàn)手段，二是國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的、用戶正在使用的現(xiàn)役硬度計(jì)，有相當(dāng)多數(shù)量不符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，即不合格，需慎重做出檢定結(jié)論。

1 四項(xiàng)常見問題的分析和解決方案

1.1 試驗(yàn)力加載過程的檢驗(yàn)

該項(xiàng)檢驗(yàn)在美標(biāo)ASTM E 18 原文中表述為Verification of Test Cycle，即對(duì)從加載、保持、卸載、讀數(shù)、到完全卸載整個(gè)測(cè)試循環(huán)的檢驗(yàn)。試驗(yàn)過程分為5 個(gè)步驟，見圖1，并定義了5 個(gè)參數(shù):①接觸速度，VA為在與試樣接觸時(shí)壓頭的速度;②初載荷保持時(shí)間，tPF為初試驗(yàn)力全部加上至讀取第一次壓痕深度基線時(shí)的時(shí)間;③主載荷施加時(shí)間，tTA為施加主載荷至主載荷全部加上的時(shí)間;④總載荷保持時(shí)間，tTF為總載荷全部加上保持的時(shí)間;⑤彈性恢復(fù)時(shí)間，tR為從完全卸除主載荷后開始，保持初載荷，至第二次讀取壓痕最終深度的時(shí)間。

圖1 試驗(yàn)過程載荷－時(shí)間曲線和壓頭深度－時(shí)間曲線

其中“總載荷保持時(shí)間tTF”最主要，屬必檢參數(shù)，是報(bào)告必出的參數(shù)。

本項(xiàng)目的檢驗(yàn)常用三種方法。

方法一，由專用儀器檢定。一些出口到歐盟的機(jī)器由英國(guó)RCS (其UKAS 認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室編號(hào)為No. 0574)檢驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室裝備有專用儀器，連接電腦和力傳感器，只需將儀器放在壓頭下面硬度塊的位置，按正常操作完成一次硬度試驗(yàn)即可。儀器會(huì)自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)、打印試驗(yàn)過程曲線和結(jié)論，給出報(bào)告KH3200 硬度計(jì)在測(cè)量HRC 時(shí)記錄儀所記錄的載荷－時(shí)間曲線如圖2所示。本方法測(cè)試準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單，但設(shè)備昂貴。

圖2 載荷－時(shí)間曲線

方法二，將測(cè)力儀傳感器放置在壓頭主軸下做硬度測(cè)試，觀察測(cè)力儀力值示數(shù)，用秒表計(jì)時(shí)，人工記錄每一次力值變化拐點(diǎn)的時(shí)間。本方法簡(jiǎn)單易行，在國(guó)內(nèi)計(jì)量機(jī)構(gòu)中采用較多，但誤差較大。誤差大的原因是:①測(cè)力儀示數(shù)存在滯后，與硬度計(jì)真實(shí)力值變化并不同步;②人為因素影響很大，操作者需要反復(fù)練習(xí)才可能比較接近真實(shí)的時(shí)間點(diǎn)。這種方法實(shí)際操作時(shí)，必須反復(fù)多次練習(xí)，人需要反應(yīng)敏捷，預(yù)判力值拐點(diǎn);另外應(yīng)盡量多次測(cè)量，剔除異常數(shù)據(jù)，多次平均，以求盡量減少誤差。

方法三，打開機(jī)器蓋板，觀察機(jī)器內(nèi)部控制施力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理，當(dāng)砝碼支撐機(jī)構(gòu)(比如凸輪)脫開和接觸杠桿的瞬間計(jì)時(shí)。本方法稍麻煩，需要打開機(jī)器蓋板，但實(shí)踐證明，準(zhǔn)確度明顯高于第二種方法。

需要說明的是，國(guó)內(nèi)很多硬度計(jì)設(shè)計(jì)年代較早，無時(shí)間控制功能;也有些數(shù)顯硬度計(jì)雖有時(shí)間顯示，但屏幕顯示和實(shí)際控制不同步，在檢驗(yàn)中需要仔細(xì)甄別，這類硬度計(jì)基本不可能達(dá)標(biāo)。

1.2 測(cè)深裝置檢定

壓痕深度測(cè)量裝置要求A ～K 標(biāo)尺準(zhǔn)確到±0.001 mm，對(duì)于N，T 標(biāo)尺準(zhǔn)確到±0.0005 mm。對(duì)應(yīng)于硬度值的高、中、低范圍段的深度位置是20，60，80，110，160 μm;即要測(cè)量硬度計(jì)測(cè)深裝置在這5 個(gè)點(diǎn)的精度。

本項(xiàng)測(cè)量需要專用檢具，檢具首先要具備的條件是量程200 μm，精度0.1 μm;其次能夠穩(wěn)定地給予硬度計(jì)壓頭主軸一定的微動(dòng)進(jìn)給量，即上述5 段位置的進(jìn)給量。

檢具選用了美國(guó)QUALITEST 公司的硬度計(jì)測(cè)深機(jī)構(gòu)專用測(cè)微儀，對(duì)KH3200 全洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)量時(shí)要將硬度計(jì)砝碼取出，只保留10 kgf 初試驗(yàn)力，避免主試驗(yàn)力過大，以免壓壞測(cè)微儀的微動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu);又要保持一定壓緊力，保證測(cè)頭和主軸接觸良好，無間隙。測(cè)量步驟如下:①將測(cè)微儀測(cè)頭與壓頭主軸下端面頂緊;②硬度計(jì)設(shè)置為顯示位移模式;③測(cè)微儀讀數(shù)清零;④旋動(dòng)微動(dòng)進(jìn)給旋鈕，至測(cè)微儀顯示20 μm，讀取此時(shí)硬度計(jì)位移示數(shù);⑤重復(fù)③，依次測(cè)量另外4 個(gè)位置示數(shù);⑥比較測(cè)微儀示數(shù)和硬度計(jì)示數(shù)差值，計(jì)算誤差。

以KH3200 全洛氏硬度計(jì)為例，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 KH3200 洛氏硬度計(jì)測(cè)深機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 μm

一般的老式硬度計(jì)，不具備顯示位移模式，需要將硬度計(jì)顯示的硬度示值，換算為相應(yīng)的位移值即可。檢驗(yàn)方法步驟類似。

1.3 球壓頭檢定

球壓頭按美標(biāo)和按國(guó)標(biāo)的檢驗(yàn)在技術(shù)上、檢驗(yàn)手段上沒有本質(zhì)差別，只是在執(zhí)行細(xì)節(jié)上需要注意，球的硬度、成分、平均直徑等都容易檢驗(yàn)合格，最經(jīng)常被檢出不合格的有下述幾點(diǎn):

第一，球的圓度。平均直徑達(dá)標(biāo)很容易，但要注意圓度的檢驗(yàn)需要在不少于三個(gè)方向上測(cè)量球直徑，直徑允差(1.5875 ±0.0025)mm。國(guó)產(chǎn)球能達(dá)標(biāo)的并不多，需要仔細(xì)篩查。

第二，球壓頭的球窩頂桿硬度檢測(cè)，要求達(dá)到至少25 HRC。國(guó)內(nèi)部分用戶和計(jì)量部門理解為球壓頭帽的硬度，其實(shí)是誤解。在ASTM E18 原文中明確指出是球壓頭中支持試驗(yàn)力的部分的硬度，這一點(diǎn)在我們和美國(guó)同行的學(xué)術(shù)交流中也得到了證實(shí)。

第三，壓頭編號(hào)。壓頭體上應(yīng)該有永久標(biāo)記的編號(hào)。后面兩條其實(shí)是對(duì)生產(chǎn)廠家的要求，并沒有技術(shù)難度。以前國(guó)標(biāo)不要求，生產(chǎn)廠家大多采用Q235 或不銹鋼制造壓頭體，硬度一般小于22 HRC，這樣加工球窩就很容易。

為了達(dá)標(biāo)，現(xiàn)在采用40Cr 調(diào)質(zhì)工藝制造壓頭體，硬度控制在26 －32 HRC;同時(shí)在壓頭體上用激光打上編號(hào)，完全滿足ASTM E18 要求。

1.4 示值誤差檢驗(yàn)

示值誤差檢驗(yàn)即間接檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法最為簡(jiǎn)單，用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊測(cè)值比對(duì)即可。

此項(xiàng)檢驗(yàn)特別要注意的是，當(dāng)需要出具ASTM E18檢驗(yàn)報(bào)告時(shí)，硬度塊必須能溯源到ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)。眾所周知硬度不是基本物理量，各國(guó)都有自己的基準(zhǔn)和量值傳遞體系，標(biāo)準(zhǔn)硬度塊在此作為檢驗(yàn)器具，應(yīng)使用ASTM E18 的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊。避免使用國(guó)標(biāo)塊、國(guó)產(chǎn)塊來檢驗(yàn)美標(biāo)硬度計(jì)的示值誤差。

因此，在檢驗(yàn)示值誤差時(shí)，選用了美國(guó)原產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，每個(gè)硬度塊帶有證書，可以NIST 溯源，A2LA 授權(quán)編號(hào)為1310.01，NVLAP 實(shí)驗(yàn)室編號(hào)為200127 －0。用該硬度塊進(jìn)行了示值誤差檢驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果重新標(biāo)定硬度計(jì)，以滿足ASTM E18 要求。

2 結(jié)論

選用合適的檢定器具與方法，按ASTM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定步驟方法進(jìn)行操作，完全可以按ASTM 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洛氏硬度計(jì)的檢定工作。實(shí)踐證明:解決好試驗(yàn)力加載過程、測(cè)深裝置檢定、球壓頭檢定、示值誤差四方面常見問題，基本就能夠按照美標(biāo)來檢驗(yàn)洛氏硬度計(jì)。

按照ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)檢定硬度計(jì)時(shí)，需要注意國(guó)產(chǎn)硬度計(jì)技術(shù)水平現(xiàn)狀以及硬度計(jì)使用中的實(shí)際狀況，與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求存在差距，出具檢定報(bào)告需要慎重。通過美標(biāo)檢定實(shí)踐活動(dòng)，可以促使生產(chǎn)廠家改進(jìn)工藝，提升技術(shù)水平，達(dá)到ASTM E18 要求。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T230.2 －2002 金屬洛氏硬度試驗(yàn) 第2 部分:硬度計(jì)(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 標(biāo)尺)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)［S］. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2］American Association State Highway and Transportation Officials Standard. ASTM E 18 －12 Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials ［S］. American.

［3］馬煒. 洛式硬度計(jì)國(guó)標(biāo)GB/T230 與美國(guó)ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)比對(duì)與檢定［J］. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2009:29 (S0)，44 －46.

［4］ RCS CALIBRATION SERVICES，UKAS ACCREDITATION CALIBRATION LABORATORY No. 0574，CERTIFICATE OF CALIBRATION FOR KH3200 ［Z］.