CN101120240B - 具有硬质金属或化合物压头和摆动冠的用于在高载荷下测试的硬度测试仪和硬度/深度分布比较评估的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测硬度测试仪压头顶端的压入深度的装置，具有可关于基准套的圆柱形主体旋转并倾斜的末端冠，该冠以从末端冠圆端表面径向相对位置延伸的两个跟状突出终止，其顶端支承在测试件表面上。所述末端冠的一端保持在所述套的圆柱形主体内；所述末端冠的内圆表面限定了沿着垂直于所述两个突出对齐直径的直径的尖端，其在所述套的保持主体的平圆端面上对接，以确定沿着所述尖端径向对齐顶点的线性或支点式对接。测试仪采用硬质金属或化合物的压头，根据在已知和均一硬度的基准样上原始建立的所述压入深度来定期重新校准硬度测试仪。还描述了一种导出对于一定深度的维氏点硬度分布的方法。

Description

具有硬质金属或化合物压头和摆动冠的用于在高载荷下测试的硬度测试仪和硬度/深度分布比较评估的方法 

技术领域

本发明涉及硬度测试仪，即用于测定实体材料和机械部件制成品硬度的仪器，以及相关测试技术。 

背景技术

在制造机器、发动机、涡轮机、轮船、阀座、活塞、缸和机械设备的许多组成部分的特殊受力部件时，质量控制几乎都离不开硬度测试。 

硬度测试仪是用在许多场合的仪器，以控制表面处理、覆层材料、机器的机械部件、金属和非金属叠层、铸件等的质量。 

硬度测试仪的结构是公知的，基本上由具有坚固应力结构的框架构成，该应力结构机械地把支撑要测试物体的砧连接到安装在应力结构的枢转臂上的压头。可对载有压头的枢转臂加以一定的载荷，该载荷足以通过压头顶端而在测试物体表面上产生压痕。 

显然，应力结构的尺寸必须被定为可防止弯曲，以确保对于发生的力和位移而言有正确和可靠的基准系统。 

硬度测量除了可以是一种用于以一定的近似度来检测基本均一材料的机械特性的重要工具以外，对于测试表面硬化的某些特定处理的有效性来说也是必要的，例如感应硬化、渗碳处理、渗氮处理等，同时对于测试机加工件表面的硬质材料(例如铬)覆层有效性来说也是必要的，其中硬质材料通常以数层沉积以构成硬质覆层的最终厚度。 

硬度测试，特别是对已经过特定表面硬化处理的金属或合金表面的硬度测试或是对硬质金属材料覆层表面的硬度测试，通常是采用金刚石压头顶端来进行的，该金刚石压头顶端能够保证压头在如上所述的那些特别硬的材料上长期使用的过程中基本上没有磨损。 

压头顶端在试件表面上所产生的压痕尺寸提供了根据所遵循相关标准(布氏、维氏等)的硬度指标。 

传统上，通过放大镜或显微镜直接视觉检查压痕来获得基础信息。最近，为了“现场”硬度测量的方便，也为了对不易于用光学仪器检查的实体件上感兴趣表面的凹入点进行硬度测量的方便，已经开发了专门的“直读式”硬度测量仪器，其能够通过压头顶端相对于测试实体件基准表面平面的触阻测量和/或位移(深度)测量来获取压头顶端所产生压痕的基本信息。包括在仪器中的微处理器系统对生成硬度期望指标的载荷和压痕数据进行处理。 

这种“直读式”硬度测试仪具有生成硬度-载荷关系图的数据处理能力，从而允许以基本上不破坏的方式获得硬度分布的有用信息，也就是硬度是如何相应于压头在测试件中的压入深度而变化。 

在测试技术是对压痕进行仪器测量，特别是利用适当的相对位移传感器来对相应于所施加载荷的压头顶端压入深度进行仪器测定的情况下，硬度测试仪包括机械基准部件，以测量压头顶端关于压入点附近的测试件表面平面的位移。为此，通常采用依靠在测试件表面上的圆柱形套，通过该套，压头杆可在压入过程中自由移动(前进)。 

获取测试件外表面附近硬度分布的信息，尽管是有一定的近似，被公认为有利于进行对硬化处理或沉积硬质覆层的质量控制。 

显然，这要求对压头施加极高的载荷，以保证适当的压入(压痕深度)，与传统硬度测试仪不同的是，此载荷可高达几千千克。 

在越来越高的载荷下对具有较硬表层和相对较软并且机械特性与硬表层通常很不同的块状基体的测试表面进行硬度测试决定了这样的工作条件，即会使昂贵的金刚石压头顶端的完好性有危险，也就是会破坏性断裂。 

已知硬度测试仪的另一个不足和缺点在于，依靠在测试件表面上的基准套(该基准套是为了确立测量压头顶端的载荷驱动压入量所基 于的空间参照系原点)成为妨碍，通常很难或不能在相对较窄的凹陷底部对不是完全垂直于压头前进轴线的表面或起伏表面测试硬度。 

发明内容

对于已知测试仪的不实用性、使用局限以及极高代价金刚石顶端替换的风险的这些方面，本发明的硬度测试仪提供了一种有效和无疑更简单的方案。 

根据本发明的一方面，基准圆柱形套具有末端冠，该末端冠悬于基准套上，但可相对于基准套组件的其余部分自由摆动，且该末端冠以跟状突出的形式终止，跟状突出从冠圆端表面的位置突出，适于支承在测试件表面上。 

该冠的内圆表面限定了沿着垂直于所述两个突出对齐直径的直径的尖端，其支承在圆柱形套的末端圆表面上，以确定沿着所述尖端的两个径向对齐顶点的支点式支承。 

根据优选实施例，压头不具有金刚石顶端，而是由硬质金属或由相当的硬化合物材料制成，并具有锥形顶端。 

通常认为必要的是，因为金刚石的耐磨性，所以采用金刚石压头来在相对较硬的表面上测试硬度。实际上，与此相反，已经发现根据本发明制造的并且采用硬质金属压头的硬度测试仪特别适于在硬度达65HRC甚至更高的硬化表面上进行硬度测试，通过把压头加载到3000Kg和以上，即使是在由于硬化过程和/或最终硬质合金覆层的存在导致的表面分层而使得从测试件的弹性/塑性/弹性反应急剧改变的条件下。 

附图说明

图1是用来检测根据本发明的硬度测试仪的压头顶端压入深度的装置的截面图。 

图2是前视图(该硬度测试仪的相同子组件的前视图，垂直于图1的视图)。 

图3是同一装置的平面图。 

图4是压头顶端和具有自由摆动冠的滑动基准套的放大细节图。 

图5和图6显示自由摆动冠可以旋转以适应其依靠在测试件表面上的方式，即使是测试件表面关于压头前进轴线不是完全垂直。 

具体实施方式

在所有图中，相同标记用来标示构成该装置的不同部件。 

确立了有效施加于压头的载荷的硬度测试仪的应力结构没有完全示出，因为该结构可由任何技术人员完整地想象出并可以是用于该类型硬度测试仪的任何已知应力结构。在图1中可看到该应力结构的砧1，测试件P放在该砧上；以及由头2代表的硬度测试仪应力结构的上悬端，其保持着压头3的圆柱杆，圆柱杆由定位螺丝4固定。 

该装置包括传感器6的支撑臂5，传感器6具有用于检测压头顶端运动的探头7。承载传感器6的臂5以叉形夹的形式终止，如图3的布置图可更好地观察到，以便通过拧紧螺丝8而与压头的杆3机械地相连。 

支撑臂5功能性地紧固到压头3，以便在压头向着测试件P前进的过程中跟随压头的游移，支撑臂5连有摆动臂9，摆动臂9悬于支撑臂5上，且传感器6的探头7支承在摆动臂9上。 

摆动臂9通过支座或枢轴10悬于支撑臂5上，可修整弹簧11和悬挂螺丝12定位件确保在静止时摆动臂9和上悬支撑臂5之间有一定的间隙，这是通过确定了在螺丝12头部上的稳定止动位置来实现的，其中螺丝12被拧入支撑臂5的螺纹孔中直到抵靠在止动螺丝13上。 

为了基于由传感器6检测到的位移来精确测量压头顶端的有效压入深度，从支撑臂5端部夹伸出的金属压头的任意弹性屈曲必须被补偿。 

在已知压头3的形状、制成压头的材料的弹性模量(约为普通钢的2.5倍)的情况下，该屈曲很容易计算，且与作用在压头上的载荷成正比。 

自由摆动的臂9端部支撑着总体以14表示的基准套，压头3的杆在基准套内自由滑动。 

根据本发明的一个方面，基准套组件14包括末端冠15，其一端以功能上非约束的方式保持在基准套组件的圆柱形主体16之内。在所示实施例中，通过拧在圆柱形主体16螺纹端部上的螺纹环17，末端冠15的一个端部被保持在基准套组件14中。 

优选地，如图所示，被保持的冠15端部具有自由地依靠在弹性衬垫19上的凸缘18，该弹性衬垫19例如是弹性体圈，其设置在定位环17的内反凸缘表面上。 

末端冠15具有两个跟状突出20和21，它们从冠的圆形端的两个径向相对的位置突出。 

由于被保持的末端冠15可自由旋转，从而可将两个突出20和21关于压头3顶端前进轴线设置成任意的径向对齐。 

观察图4局部放大图可见，末端冠15具有内圆表面22，该表面不在垂直于基准套组件纵轴线的平面上。相反，该内圆表面22形成了沿着垂直于两个跟状突出20和21对齐直径的直径方向的脊或尖，以便建立用于主体16对置的末端平圆表面23的线性支座。 

因此，如在图4放大截面图中容易看到的那样，通过围绕由主体16末端圆表面上的所述尖形成的支座线旋转，冠15可在一个或另一个方向自由倾斜，从而使其适应于评测在测试点附近测试件的最终不是完全垂直的表面，如图5所示。 

这就允许，即使在测试件P表面不是完全垂直的情况下，使末端冠15关于压头3前进轴线旋转，直到两个停靠突出20和21沿着垂直于测试件表面斜坡的线布置，如图6所示。 

以这种方式，两个突出20和21以及压头3顶端在测试件表面上的对接高度实现了精确一致，即使该测试件表面不是完全垂直于压头的运动轴线。这保证了更精确限定的空间参照系原点，以检测压头3顶端相应于施加给压头的载荷而在测试件P中的压入深度。 

基准套组件14的功能是确定测量压入深度的参照系原点(该原点 与由硬度测试仪应力结构施加给压头的不再为零的载荷相符合)。 

相对于已知装置的另一个优点是：在测试时可以看到压入点。 

另一个优点在于：通过两个妨碍相当小的窄突出20和21，建立了基准对接。这样，甚至在测试件的相对较窄凹陷的底部处也可进入而测试硬度。 

如图所示，所用的压头3由硬质金属制成，或由硬质化合物制成，且具有锥形顶端，其锥度可大致介于100°至120°之间。 

已被用来进行测试的满意材料是由95％WC、1％TaC和4％Co(均为重量百分比)构成的化合物。 

利用这样的硬质金属压头，在1400次测试(压印)后，没有失效记录。对以不同工艺硬化的许多样品和覆有铬层的许多样品进行了测试。 

试样硬度大至在680HV到750HV之间。 

通过用投影仪(×100)观察压头顶端形态和校验其几何结构，并且通过在开始测试之前，把在已知硬度(在本发明的测试中为600HV)的均一基准样上定期测得的成对载荷-压入(深度)值(载荷逐渐增加)序列与用新压头在已知硬度的相同基准样上测得的相应的成对值序列进行比较，从而定期控制硬质金属压头顶端的磨损。 

以这种方式，通过在必要时定期地重新校准硬度测试仪，可继续使用该硬质金属压头来进行不定的最大数量的测试。 

在测试中，对于在各种硬度的试样上进行100次压印，几乎完美地再现了用新压头在已知硬度的基准样上原始检测到的成对载荷-压入值序列。 

仅在第120次测试时，并且尽管对压头顶端的观察未显示出任何明显的磨损，在已知且均一硬度的基准样上测得的成对载荷-压入深度值序列才开始出现与初始基准曲线的偏差，在较低载荷时该偏差的值为约5％之内。 

此时，通过补偿在较低载荷下120次测试后观察到的偏差，原始建立的校准表(曲线)被更新，以生成正确的硬度值。之后，更新的 校准表(曲线)被用来取代用新压头所建立的原始表，并且重新确立了硬度测量值的再现性。 

根据特别优选的一个实施例，通过将硬度测试仪应力结构中的载荷传感器提供的载荷值和传感器6检测的压头顶端相关线性位移离散化，并将它们存储在专用的存储缓冲区，这由模数转换器生成，从而本发明的硬度测试仪就可以连续地记录载荷-压入深度特征曲线的“坐标”(即成对值的坐标)。 

微处理器对在已知硬度的基准样上定期检测的校准曲线的数据进行处理，存储各种偏差。 

在对测试件实际测试过程中，微处理器处理所获得的数据，基于校准曲线的存储偏差的最后更新来自动地引入实时修正，以输出已被补偿从而最终相应于在测试件中的压头压入深度的硬度值，以便确定硬度分布。 

本发明的硬度测试仪特别适于用作硬度“比较器”。 

校准可以在先前已根据维氏点测量过的均一基准样上进行，例如采用硬度为约600点像素的基准样。 

该基准样实际上构成了通过比较来评价未知件硬度的基准。 

通过在该基准样上进行测量，可以生成和储存载荷/压入深度图。 

之后，生成和存储测试件的相似的载荷/压入深度图。 

然后，硬度测试仪的微处理器系统把在测试件上测试的曲线与在基准样上测得的曲线比较，假设对于用相同压头的相同压入深度而言相应载荷的比将等于各硬度的比，从而生成了测试件根据维氏点对压头顶端压入深度的图或硬度分布。 

Claims (6)

1.一种用于检测硬度测试仪压头顶端在支撑在硬度测试仪应力结构的砧上的试件中的压入深度的装置，包括：支撑传感器的支撑臂，该传感器具有线性位移的探头，该支撑臂以围绕压头杆部紧固的叉形夹终止，压头杆部紧固到硬度测试仪的所述应力结构的加载头；摆动臂，所述探头支承在摆动臂上，该摆动臂一端支撑在连接于所述支撑臂的杠杆支点，另一端承载着围绕压头杆部滑动的基准套；将所述支撑臂与所述摆动臂间隔开的校准弹簧，所述摆动臂通过所述杠杆支点支撑和通过定位螺丝而悬于所述支撑臂上，其中该定位螺丝抵抗所述校准弹簧的弹性作用力而被拧入所述支撑臂的螺纹孔中，以建立在静止时该两个臂之间最大的分隔距离，其特征在于，

所述基准套具有可关于所述基准套的圆柱形主体而旋转并倾斜的末端冠，该末端冠以从末端冠圆端表面径向相对位置延伸的两个跟状突出终止，跟状突出的顶端支承在测试件表面上；

所述末端冠的一端保持在所述基准套的圆柱形主体内；

所述末端冠的内圆表面限定了沿着垂直于所述两个跟状突出对齐直径的直径方向的尖端，该尖端在所述基准套的圆柱形主体的平圆端面上邻接，以确定沿着所述尖端径向对齐顶点的线性或支点式对接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，保持在所述圆柱形主体中的所述末端冠的端部具有依靠在弹性体衬垫上的凸缘部分。

3.一种包括如权利要求1的装置的硬度测试仪，其特征在于，所述压头是硬质化合物制成的。

4.一种利用权利要求3的硬度测试仪来评估硬质表面层硬度的方法，包括至少第一校准，这是通过建立对于在已知和均一硬度的基准样中压头顶端的成对载荷-压入深度值序列的相应硬度值来进行的。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过重新建立对于在已知和均一硬度的相同基准样上测得的所述成对值序列的相应硬度值，进行压头顶端磨损补偿的定期性重新校准。

6.一种利用如权利要求3的硬度测试仪来导出对于一定深度的维氏点的硬度分布的方法，包括以下步骤：

a.检测和储存压头顶端在以维氏点表示的已知和均一硬度的基准样中的载荷-压入深度图；

b.检测和储存压头顶端在测试件上的载荷-压入深度图；

c.将在测试件上测得的图与在基准样上测得的图相关联，这是基于这样的标准来进行的，即：使用相同的压头，对于相同的压入深度而言，在两种情况下所施加载荷的比等于以维氏点表示的各自硬度的比，以生成测试件的维氏点对压入深度的所述硬度分布。

Images