按照ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)檢定洛氏硬度計常見問題探究

馬煒

(全國試驗機標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，北京100085)

0 引言

近幾年，計量部門越來越多地遇到這樣的送檢需求:按照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18 來檢定硬度計并出具報告。這是因為隨著全球經(jīng)濟一體化進(jìn)程，國際合作日益加強，越來越多的企業(yè)承擔(dān)著大量來自海外的工程項目訂單，產(chǎn)品的計量、驗收標(biāo)準(zhǔn)都必須按照其相應(yīng)國家的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。比如我國許多飛機制造企業(yè)在國際合作中承包波音公司飛機零部件的加工，硬度計量作為其中一個重要的環(huán)節(jié)，外方要求必須按照美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E18 來檢定硬度計。

在按照ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)檢定洛氏硬度計時，最經(jīng)常遇到且容易存在的問題是以下四項:試驗力加載過程、測深裝置檢定、球壓頭檢定、示值誤差檢驗。實踐中，問題常存在于兩個方面:一是缺乏合格而有效的檢具或檢驗手段，二是國內(nèi)現(xiàn)存的、用戶正在使用的現(xiàn)役硬度計，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 四項常見問題的分析和解決方案

1.1 試驗力加載過程的檢驗

該項檢驗在美標(biāo)ASTM E 18 原文中表述為Verification of Test Cycle，即對從加載、保持、卸載、讀數(shù)、到完全卸載整個測試循環(huán)的檢驗。試驗過程分為5 個步驟，見圖1，并定義了5 個參數(shù):①接觸速度，VA為在與試樣接觸時壓頭的速度;②初載荷保持時間，tPF為初試驗力全部加上至讀取第一次壓痕深度基線時的時間;③主載荷施加時間，tTA為施加主載荷至主載荷全部加上的時間;④總載荷保持時間，tTF為總載荷全部加上保持的時間;⑤彈性恢復(fù)時間，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間。

圖1 試驗過程載荷－時間曲線和壓頭深度－時間曲線

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

本項目的檢驗常用三種方法。

方法一，由專用儀器檢定。一些出口到歐盟的機器由英國RCS (其UKAS 認(rèn)可實驗室編號為No. 0574)檢驗。該實驗室裝備有專用儀器，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即可。儀器會自動記錄、存儲、打印試驗過程曲線和結(jié)論，給出報告KH3200 硬度計在測量HRC 時記錄儀所記錄的載荷－時間曲線如圖2所示。本方法測試準(zhǔn)確、操作簡單，但設(shè)備昂貴。

圖2 載荷－時間曲線

方法二，將測力儀傳感器放置在壓頭主軸下做硬度測試，觀察測力儀力值示數(shù)，用秒表計時，人工記錄每一次力值變化拐點的時間。本方法簡單易行，在國內(nèi)計量機構(gòu)中采用較多，但誤差較大。誤差大的原因是:①測力儀示數(shù)存在滯后，與硬度計真實力值變化并不同步;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的時間點。這種方法實際操作時，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;另外應(yīng)盡量多次測量，剔除異常數(shù)據(jù)，多次平均，以求盡量減少誤差。

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

需要說明的是，國內(nèi)很多硬度計設(shè)計年代較早，無時間控制功能;也有些數(shù)顯硬度計雖有時間顯示，但屏幕顯示和實際控制不同步，在檢驗中需要仔細(xì)甄別，這類硬度計基本不可能達(dá)標(biāo)。

1.2 測深裝置檢定

壓痕深度測量裝置要求A ～K 標(biāo)尺準(zhǔn)確到±0.001 mm，對于N，T 標(biāo)尺準(zhǔn)確到±0.0005 mm。對應(yīng)于硬度值的高、中、低范圍段的深度位置是20，60，80，110，160 μm;即要測量硬度計測深裝置在這5 個點的精度。

本項測量需要專用檢具，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)定地給予硬度計壓頭主軸一定的微動進(jìn)給量，即上述5 段位置的進(jìn)給量。

檢具選用了美國QUALITEST 公司的硬度計測深機構(gòu)專用測微儀，對KH3200 全洛氏硬度計進(jìn)行測定。測量時要將硬度計砝碼取出，只保留10 kgf 初試驗力，避免主試驗力過大，以免壓壞測微儀的微動進(jìn)給機構(gòu);又要保持一定壓緊力，保證測頭和主軸接觸良好，無間隙。測量步驟如下:①將測微儀測頭與壓頭主軸下端面頂緊;②硬度計設(shè)置為顯示位移模式;③測微儀讀數(shù)清零;④旋動微動進(jìn)給旋鈕，至測微儀顯示20 μm，讀取此時硬度計位移示數(shù);⑤重復(fù)③，依次測量另外4 個位置示數(shù);⑥比較測微儀示數(shù)和硬度計示數(shù)差值，計算誤差。

以KH3200 全洛氏硬度計為例，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 KH3200 洛氏硬度計測深機構(gòu)檢驗數(shù)據(jù)記錄 μm

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

1.3 球壓頭檢定

球壓頭按美標(biāo)和按國標(biāo)的檢驗在技術(shù)上、檢驗手段上沒有本質(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合格，最經(jīng)常被檢出不合格的有下述幾點:

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需要在不少于三個方向上測量球直徑，直徑允差(1.5875 ±0.0025)mm。國產(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，要求達(dá)到至少25 HRC。國內(nèi)部分用戶和計量部門理解為球壓頭帽的硬度，其實是誤解。在ASTM E18 原文中明確指出是球壓頭中支持試驗力的部分的硬度，這一點在我們和美國同行的學(xué)術(shù)交流中也得到了證實。

第三，壓頭編號。壓頭體上應(yīng)該有永久標(biāo)記的編號。后面兩條其實是對生產(chǎn)廠家的要求，并沒有技術(shù)難度。以前國標(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;同時在壓頭體上用激光打上編號，完全滿足ASTM E18 要求。

1.4 示值誤差檢驗

示值誤差檢驗即間接檢驗，檢驗方法最為簡單，用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊測值比對即可。

此項檢驗特別要注意的是，當(dāng)需要出具ASTM E18檢驗報告時，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器具，應(yīng)使用ASTM E18 的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊。避免使用國標(biāo)塊、國產(chǎn)塊來檢驗美標(biāo)硬度計的示值誤差。

因此，在檢驗示值誤差時，選用了美國原產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，每個硬度塊帶有證書，可以NIST 溯源，A2LA 授權(quán)編號為1310.01，NVLAP 實驗室編號為200127 －0。用該硬度塊進(jìn)行了示值誤差檢驗，并根據(jù)檢驗結(jié)果重新標(biāo)定硬度計，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)行洛氏硬度計的檢定工作。實踐證明:解決好試驗力加載過程、測深裝置檢定、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)來檢驗洛氏硬度計。

按照ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)檢定硬度計時，需要注意國產(chǎn)硬度計技術(shù)水平現(xiàn)狀以及硬度計使用中的實際狀況，與美國等發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)要求存在差距，出具檢定報告需要慎重。通過美標(biāo)檢定實踐活動，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］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T230.2 －2002 金屬洛氏硬度試驗 第2 部分:硬度計(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T 標(biāo)尺)的檢驗與校準(zhǔn)［S］. 北京:中國標(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. 洛式硬度計國標(biāo)GB/T230 與美國ASTM E18 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)比對與檢定［J］. 計測技術(shù)，2009:29 (S0)，44 －46.

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