軸承鋼球球面硬度修正值的驗(yàn)證及分析

朱一偉，李紅濤，王智勇 ，葉健熠 ， 祝道明

(1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國(guó)家國(guó)際科技合作基地，河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；4.空軍裝備部駐洛陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

硬度是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中常用的性能指標(biāo)之一，硬度試驗(yàn)則是力學(xué)性能試驗(yàn)中最為簡(jiǎn)單和迅速的方法。硬度的定義是材料在一定條件下抵抗另一種本身不會(huì)發(fā)生殘余變形的物體壓入的能力，因此就被測(cè)材料而言，硬度代表在一定壓頭和試驗(yàn)力下所反映出的材料的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性以及耐磨性等一系列物理性能的綜合指標(biāo)[1-3]。常用的硬度試驗(yàn)方法有壓入法(洛氏硬度、 布氏硬度、維氏硬度)和回跳法(里氏硬度、肖氏硬度)等，只有根據(jù)被測(cè)零件的材料種類和大致硬度值選擇合適的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正確處理并分析影響硬度試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，才能大大提高硬度測(cè)試的準(zhǔn)確性，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。

目前，企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)淬回火工件的硬度檢驗(yàn)使用最多和最方便的是洛氏硬度試驗(yàn)法，以判斷其硬度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或圖紙要求。

鋼球是軸承的重要零件，其硬度是必檢項(xiàng)目，也是判定鋼球是否合格的重要依據(jù)。GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)[4]附錄F(規(guī)范性附錄)中給出了凸球面上試驗(yàn)C標(biāo)尺洛氏硬度修正值，其中包括2個(gè)重要信息：其一是直徑為4～25 mm的鋼球表面洛氏硬度與表面修正值對(duì)應(yīng)關(guān)系表；其二是給出了“在凸球面上試驗(yàn)C標(biāo)尺洛氏硬度修正值”ΔH的計(jì)算公式，即

ΔH=59×(1-H/160)2/Dw，

(1)

式中：H為球面上的洛氏硬度值；Dw為鋼球直徑，mm。也就是說(shuō)，通過(guò)上述球面修正值計(jì)算公式，可快速計(jì)算出需要的修正值。

目前，軸承行業(yè)常用的高碳鉻軸承鋼、高碳鉻不銹軸承鋼及高溫軸承鋼的熱檢標(biāo)準(zhǔn)[5-7]對(duì)成品鋼球硬度檢測(cè)時(shí)使用的鋼球表面硬度修正值是在標(biāo)準(zhǔn)制定初期試驗(yàn)結(jié)果整理匯總的結(jié)果(鋼球直徑范圍為4.762 5～15.875 0 mm)。隨著標(biāo)準(zhǔn)版本的更新，修正值一直沿用舊標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有改變。由于軸承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給定的鋼球尺寸受直徑范圍及修正值精度的限制，使得在檢測(cè)成品鋼球硬度時(shí)，即使加上修正值也往往造成硬度值偏離“真值”，并會(huì)引發(fā)一些爭(zhēng)議。

本文以非強(qiáng)化全淬透成品鋼球洛氏硬度試驗(yàn)為例，對(duì)鋼球球面硬度(加修正值)與平面硬度(鋼球磨平)進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)驗(yàn)證其修正公式的準(zhǔn)確性；對(duì)目前所使用的軸承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于成品鋼球硬度修正值[5]進(jìn)行了對(duì)比分析，從中發(fā)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中給出的鋼球修正值的不足。

1 洛氏硬度試驗(yàn)原理及表示方法

洛氏硬度試驗(yàn)原理為在初始試驗(yàn)力及總試驗(yàn)力的先后作用下，將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金)壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力，測(cè)量在初始試驗(yàn)力下的殘余壓痕深度并計(jì)算硬度值。GB/T 230.1—2018規(guī)定，洛氏硬度用符號(hào)HR表示，符號(hào)HR前面為硬度值，后面為使用標(biāo)尺，如60 HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)得的洛氏硬度值為60。

材料的硬度都是以平面為基準(zhǔn)測(cè)量的。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同凸球面試樣上測(cè)量的洛氏硬度值均比在相同材料平面試樣上測(cè)得的低，并且對(duì)于相同硬度的凸球面試樣，凸球面直徑越小，對(duì)于相同的壓入深度，凸球面上壓痕周圍所缺少的體積比平面試樣的越多，其變形抗力越小，反映出的硬度值越低；對(duì)于同一直徑的凸球面試樣，在高硬度下與平面零件洛氏硬度的差值要比低硬度下的小。因此，凸球面試樣(鋼球球面硬度)與平面試樣(鋼球磨平面硬度)的洛氏硬度之差只與凸球面直徑、洛氏硬度值高低有關(guān)，而與材料無(wú)關(guān)。在凸球面試樣硬度試驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)凸球面試樣的測(cè)試值進(jìn)行修正。因此，國(guó)標(biāo)給出了鋼球試樣修正值的計(jì)算公式((1)式)。

2 成品鋼球材料、直徑及硬度試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試驗(yàn)證的成品鋼球材料有3種，分別為GCr15，G95Cr18，8Cr4Mo4V。在同種材料制造的同批淬回火態(tài)的鋼球中隨機(jī)選取3個(gè)直徑，用HR-150A型號(hào)的洛氏硬度計(jì)測(cè)鋼球的球面硬度，再加上按公式計(jì)算的修正值，即為鋼球的實(shí)際硬度；把鋼球磨制出2個(gè)相互平行的平面，使其類似腰鼓形狀測(cè)試平面硬度；對(duì)比2個(gè)硬度值，以驗(yàn)證所測(cè)鋼球硬度的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)方法如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 鋼球球面硬度與平面硬度測(cè)試示意圖Fig.1 Diagram of spherical hardness and plane hardness tests of steel balls

由表1可知：1)實(shí)測(cè)球面硬度加上按公式計(jì)算的修正值所得的鋼球硬度與所測(cè)鋼球的平面硬度基本一致，誤差為0.06～0.40 HRC；2)對(duì)于8Cr4Mo4V鋼制造的直徑為22.225 mm的成品鋼球，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[6]要求的硬度為61～66 HRC，實(shí)測(cè)的成品球球面硬度最低為60.4 HRC，若不加修正值就不能滿足要求，很容易判廢，其平面硬度的檢測(cè)結(jié)果是合格的，按GB/T 230.1—2018給出的修正值計(jì)算，其硬度也是合格的。

表1 鋼球球面硬度與平面硬度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of spherical hardness and plane hardness of steel balls

3 鋼球硬度修正值對(duì)比分析及修正公式的使用范圍

目前，國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)熱檢標(biāo)準(zhǔn)中給定的成品鋼球硬度修正值見(jiàn)表2[5]，只有直徑為4.762 5～15.875 0 mm的鋼球才加修正值。按GB/T 230.1—2018中的硬度修正公式計(jì)算出的修正值見(jiàn)表3(暫提供了部分直徑鋼球修正值)。

表2 國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給定的成品鋼球硬度修正值Tab.2 Correcting values of hardness of finished steel balls given by domestic bearing industry standard

表3 按國(guó)標(biāo)修正公式計(jì)算出的鋼球硬度修正值Tab.3 Correcting values of hardness of steel balls calculated by correcting formula in national standard

表2與表3對(duì)比可知：1)二者對(duì)硬度的修正值存在差異，有的甚至是較大差異，比如，鋼球直徑為4.762 5 mm，硬度為50.0 HRC時(shí)，誤差達(dá)1.0 HRC；直徑為10.318 8 mm，硬度為65.0 HRC時(shí)，誤差達(dá)0.8 HRC；直徑為15.875 0 mm，硬度為66.0 HRC時(shí)，誤差達(dá)1.1 HRC，這是軸承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)修正值的不足之處之一；2)表2只給出了直徑為4.762 5～15.875 0 mm鋼球的硬度修正值，理論上，鋼球凸球面硬度必須有硬度修正才合理，但現(xiàn)行軸承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中直徑大于15.875 0 mm的鋼球沒(méi)有硬度修正值，這是其不足之處之二；3)在GB/T 34891—2017《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》的附錄F“曲面硬度修正值”中加注了“由制造廠與用戶協(xié)商亦可采用GB/T 230.1—2009附錄D中的相關(guān)規(guī)定” (相當(dāng)于GB/T 230.1—2018附錄F)，這屬于雙標(biāo)并行，而其他2類常用的軸承材料(G95Cr18和8Cr4Mo4V)的現(xiàn)行熱檢標(biāo)準(zhǔn)則沒(méi)有這項(xiàng)規(guī)定。因此，為了準(zhǔn)確、統(tǒng)一及方便，再次修訂有關(guān)鋼球硬度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，球面硬度修正值建議使用(引用)GB/T 230.1—2018附錄F給定的修正值公式。

從國(guó)標(biāo)給定鋼球的硬度修正公式看出，當(dāng)鋼球直徑Dw趨于無(wú)窮大時(shí)，其修正值ΔH才趨近于0，這正符合了洛氏硬度測(cè)試平面的基本原理。一般鋼鐵材料淬回火后的洛氏硬度在70 HRC以下，洛氏硬度計(jì)測(cè)試范圍要求一般是25～70 HRC[4]，因此，公式中的H值不會(huì)大于160 HRC，即不會(huì)出現(xiàn)修正值為負(fù)數(shù)的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)使用的行業(yè)熱檢標(biāo)準(zhǔn)給定的成品鋼球硬度修正值與按國(guó)標(biāo)GB/T 230.1—2018

2018中公式計(jì)算的修正值存在差異， 鋼球直徑為4.762 5～15.875 0 mm的最大誤差為1.3 HRC。按國(guó)標(biāo)中的公式計(jì)算的修正值所得的鋼球?qū)嶋H硬度值與所測(cè)鋼球的平面硬度基本一致，特別是超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給定的直徑為15.875 mm以上的鋼球，因此，國(guó)標(biāo)鋼球硬度修正公式是準(zhǔn)確、可靠的。為了準(zhǔn)確檢測(cè)不同直徑鋼球的硬度，建議使用國(guó)標(biāo)推薦的鋼球硬度修正公式計(jì)算鋼球球面硬度修正值。