CN106198280A - 高温维氏硬度计 - Google Patents

Abstract

一种高温维氏硬度计，包括有一气氛室，所述气氛室内设置有用于加热试样的加热装置、循环水冷装置、带动所述加热装置移动的XY平台、硬度测试装置以及一压痕图像采集装置，所述压痕图像采集装置与所述加热装置之间设置有一冷却盘，所述冷却盘上设置有一观察孔，所述观察孔内嵌装有隔热镜片，所述冷却盘内通有循环对其冷却的液体，其可以在高温环境下观察待检测金属材料表面的压痕并进行维氏硬度值计算，克服了现有技术中高温硬度计难以实时采集压痕的图像而难以作为维氏硬度计使用的技术问题。

Description

高温维氏硬度计

技术领域

本发明涉及一种高温硬度测试仪器，特别涉及一种高温维氏硬度计。

背景技术

布氏硬度、洛氏硬度以及维氏硬度的硬度值所代表的物理含义是材料表面抵抗坚硬物体压入的能力，他们可以反映材料的弹性、塑性、强度和韧度的一项综合指标。其中维氏硬度的测试原理是：将120kg以内的载荷与顶角为136°的金刚石方形锥压入材料表面，并在显微镜下观察材料压痕凹坑的表面积，将该表面积除以载荷值，即为维氏硬度值。

硬度测试本身是一个破坏性的实验，也就是说，单一的测试方法无法得到同一试样在不同条件下的精准硬度值，但是，材料使用时，不同温度对于材料的硬度影响极大，因而，在诸如工具钢材料、耐磨涂层等高温下使用的材料而言，测试其高温下的不同性能，具有巨大的实用价值。

想要检验高温环境下材料的维氏硬度，就需要克服以下几个方面的问题：第一，金属材料在高温下的氧化问题；第二材料采用何种方式加热并在其冷却产生金相组织变化前进行硬度测试；第三，维氏硬度需要显微观察压痕的表面面积，高温环境下如何进行实时观察。

授权公告号为CN201965064U的实用新型专利中公开了一种高温硬度计，其通过真空泵与炉壳的配合，解决了待检测硬度的材料在高温下氧化的问题；通过保温箱与发热体的配合，实现了待检测金属材料的加热问题。然而，对于第三个在高温下实时观察与计算压痕面积以获得维氏硬度值的问题，该专利并无相关结构进行实现，因而，这种结构适合于洛氏硬度或者布氏硬度的测试，而无法应用至高温维氏硬度测试中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在高温环境下观察待检测金属材料表面的压痕并进行维氏硬度值计算的高温维氏硬度计。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高温维氏硬度计，包括有一气氛室，所述气氛室内设置有用于加热试样的加热装置、循环水冷装置、带动所述加热装置移动的XY平台、硬度测试装置以及一压痕图像采集装置，所述压痕图像采集装置与所述加热装置之间设置有一冷却盘，所述冷却盘上设置有一观察孔，所述观察孔内嵌装有隔热镜片，所述冷却盘内通有循环对其冷却的液体。

通过采用上述技术方案，高温下进行压痕的实时观察，需要克服的技术问题是镜头的高温烧毁问题，本方案中，以冷却盘将压痕图像采集装置与加热装置隔开，冷却盘上的观察孔用于图像采集，而其余部分则通过外部循环液体进行循环冷却，这样的设置下，加热装置的热量一部分被隔热镜片阻挡，另一部分被循环的液体带走，因此，高温环境基本不会影响压痕图像采集装置的正常工作，具备了加热装置以及实时的压痕图像采集装置，使得本方案适合于高温维氏硬度测试。

优选地，所述压痕图像采集装置包括有物镜以及设置于所述物镜内的光学系统，所述光学系统包括有用于连接至外部计算机的CCD模块、窄带光源以及分束镜，所述窄带光源发出的单频光照射在试样上并反射，经过所述分束镜后进入CCD模块。

通过采用上述技术方案，金属在加热至800度后，其自身会发出白色光线，而这个光线本身会干扰CCD模块的图像采集工作，将传统的光源更换成窄带光源后，照射至加热后的样件表面的光为单一频率的光线，被样件表面反射后的光依旧为单一频率的光线，其他频率的光线将被滤光镜滤去，也就是说，CCD模块只能采集到窄带光源发出的并被样件表面反射的光线，样件受热后发出的光线将直接被滤光镜片滤去，因而，维氏硬度计可以满足800摄氏度以上的温度下的高温维氏硬度检测的需要，且CCD模块采集到的压痕图像清晰可辨，因而，可以精确的计算压痕的面积，根据它计算出来的维氏硬度值也更加精确；而分束镜的作用是半透半反，也就是说，只有部分频率的光可以透过分束镜，因此，将它设置于CCD模块与反射光线之间，可以利用它的特性直接滤去干扰光线，只允许窄带光源所激发的光线进入CCD模块，以进一步提高压痕的图像采集精度。

优选地，所述加热装置包括有一壳体，所述壳体内设置有一用于放置加热体以及待加热试样的加热腔室，以及与所述加热腔室邻接的风冷腔室，所述加热腔室的外壁中设置有用于连接至循环水冷装置以对加热腔室外壁进行冷却的空心流道。

优选地，所述加热装置上还设置有一水冷腔室，且其与风冷腔室一起将加热腔室夹于中间，所述水冷腔室与加热腔室邻接的侧壁上设置有连通至空心流道的入水口和出水口。

通过采用上述技术方案，高温加热的温度要至少高于800度，然而，加热体外接的电源却难以承受如此高的温度，因此，需要加热体上连接外部电路的位置进行可靠的冷却，本方案中直接增加风冷腔室，以风冷的形式对加热体的冷端进行风冷，以保证其与外部电路的可靠连接；而加热装置设置于气氛室内，为减少其对气氛室内的其他装置的热辐射，在它的另一侧设置水冷腔室，以将外部冷却水引至加热腔室内的空心流道，对其进行冷却。

优选地，所述加热腔室的底壁上设置有一用于放置试样的安置孔，所述加热体呈U型，所述加热体将所述安置孔包围，所述加热腔室的内壁与加热体外壁之间还填充有保温隔热材料。

通过采用上述技术方案，加热体的加热对象仅是安置孔内的试样，将其设置为U型，并将安置孔包围，可以使其针对性的对试样进行加热，其他位置的保温隔热材料的作用有两个：一是防止加热体的温度散失，影响装置的热效率，二是防止加热体温度自壳体的外壁向外部辐射，影响气氛室内的其他装置，因此，在加热腔室的内壁与加热体外壁之间填充保温隔热材料，即可同时起到保温与隔热的作用。

优选地，所述加热腔室包括有一顶部开口的盒体、铰接于所述盒体侧壁边缘的盖板以及锁紧所述盖板与盒体的锁扣，所述盖板上对应于安置孔的位置处设置有供所述试样露出盒体并与压头接触的透孔，所述盖板与所述加热体之间的距离不小于5㎜。

通过采用上述技术方案，将加热腔室的顶部设置成顶部开口并铰接盖板的形式，有利于向加热腔室内安装试样；试样安装并加热后，需要对其表面进行压痕制作，为防止压头与加热腔室的外壁干涉，在盖板上设置透孔，安装时，只要试样与盖板的外顶壁齐平，竟可以保证压头不伸入加热腔室内，以防止其过热；而将盖板设置的距离加热体不小于5㎜的高度处，可以在加热体与盖板之间形成一层空气隔热层，加上盖板内的空心流道的水冷作用，盖板向外的热辐射可以降至最低。

优选地，所述加热体为串联至外部电路的至少两根硅钼棒。

通过采用上述技术方案，硅钼棒为阻性电热元件，其在高温下发生氧化后会在表面生成一层石英玻璃膜，以防止其进一步氧化，因而其具有独特的高温抗氧化性，并且，其最高的使用温度可以达到1800摄氏度，可以满足于高温维氏硬度检测的加热温度需要；并且，由于硅钼棒的阻值不随使用时间的长短而发生变化，因此，串联两根至多根硅钼棒，当其中的部分硅钼棒失效时，其他硅钼棒还可以起作用，以保证对于试样的可靠加热温度。

优选地，所述XY平台与气氛室的底面之间还设置有驱动所述XY平台升降的丝杠升降机构。

通过采用上述技术方案，压痕图像采集装置要采集试样表面的压痕图像，则需要与试样表面进行对焦，而XY平台本身只能带动加热装置在其所在的水平面内进行平移而无法升降，因此，要对焦，就需要移动压痕图像采集装置或者加热装置以使两者相互靠近或者远离，而压痕采集装置本身内置有光学系统和图像传输的器件，移动它可能会影响图像与外部的通讯，而通过丝杠升降机构驱动加热装置升降以完成对焦，则可以解决上述问题，且调整过程方便；此外，丝杠传动平稳，有利于保持加热装置的平稳升降。

优选地，所述气氛室包括有一手套箱以及用于控制所述手套箱内氧气浓度的空气控制器，所述手套箱上还外接有一用于给所述气氛室提供氩气的氩气瓶。

通过采用上述技术方案，手套箱又称为真空手套箱、惰性气体保护箱，是一种现有的用于提供无水、无氧、无尘的超纯环境的装置，利用它提供高温硬度检测一个超纯净环境，不需要单独开发专用的气氛室，配合空气控制器，将其内部氧气浓度控制在1ppm以内，保证高温环境下金属试样不会发生氧化反应而影响检测结果；而外部的氩气瓶向气氛室内通入氩气，以利用其惰性进一步保护试样不受热氧化。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）通过对压痕图像采集装置进行适当的冷却处理，使其可以安装至高温的气氛室中对高温样件上的压痕进行图像采集，以计算其在高温环境下的维氏硬度值。

（2）利用现有的手套箱和空气控制器形成纯净度的气氛室，以防止氧气、水汽等在高温下与金属试样发生反应，影响测试结果。

（3）压痕图像采集装置中的光源采用窄带光源，以克服金属试样在加热温度超过800摄氏度后发出光线干扰压痕的图像采集。

（4）利用串联的硅钼棒作为试样的加热体，不仅加热效率高、体积小，并且其安装结构简单且加热可靠。

附图说明

图1是本发明的整体结构安装图；

图2是光学系统部分的原理图；

图3加热装置的外部结构视图；

图4是打开盖板后的加热装置内部结构视图；

图5是加热腔室与底板的连接结构视图。

图中，1、气氛室；10、手套箱；11、空气控制器；12、氩气瓶；2、加热装置；20、底板；21、风冷腔室；210、U型腔；211、冷风机；212、盒盖；213、散热孔；22、加热腔室；220、安置孔；221、盖板；222、腰型口；23、水冷腔室；230、进水口；231、出水口；24、限位块；25、锁扣；26、保温隔热材料；27、硅钼棒；3、循环水冷装置；4、XY平台；5、硬度测试装置；50、CBN压头；6、压痕图像采集装置；60、光学系统；600、CCD模块；601、窄带光源；602、滤光镜片；603、分束镜；604、折光镜；61、物镜；7、冷却盘；70、观察孔；71、隔热镜片；72、冷却管；8、丝杠升降机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种高温维氏硬度计，包括有一气氛室1，其包括有一提供纯净的无氧、无水气纯净环境的手套箱10、设置于手套箱10内部、用于控制手套箱10内的氧气、水汽浓度的空气控制器11，以及一个设置在手套箱外部的氩气瓶12，空气控制器11将手套箱10内的氧气浓度控制在1ppm以下，氩气瓶12通过软管将氩气输入至手套箱10内，以使其内部充满化学性质不活泼的氩气，防止金属试样的氧化。

气氛室1内的底部基座上设置有一丝杠升降机构8，其上端连接有一受它驱动的XY平台4，其中：丝杠升降机构8外接有电机，以驱动丝杠与螺母传动，并最终控制连接在其端部的XY平台4的Z轴方向的运动；XY平台4则用于调整安装于其上的物件的X和Y向的移动。

加热装置2固定设置在XY平台4上并随之动作，以带动固定在其内部的试样做X、Y、Z三个方向的移动，其具体结构叙述如下：加热装置2包括有依次展开的三个部分：风冷腔室21、加热腔室22以及水冷腔室23，如图3中所示，加热腔室22包括有一顶部开口的盒体，其顶部的开口上铰接有盖板221，盖板221上与铰接的一端相对的边上还设置有锁扣25，用于锁合盖板221与盒体的盖合关系；盒体底部的中央位置处设置有一安置孔220，用于放置待检验试样，盖板221上还设置有一穿透盖板221的腰型口222，用于试样安装好后伸出于进行检验，并且，在试样安装好之后，其顶部应当至少与盖板的外顶壁齐平。

加热体采用U型设置的硅钼棒27，硅钼棒27的两个端部延伸至风冷腔室21内，硅钼棒27环绕于安置孔220的外圈，以环绕加热的方式对试样进行加热，硅钼棒27的外圈与盒体的内壁之间填充保温隔热材料26，其可以采用聚氨酯材料，防止硅钼棒27的热量散失至气氛室1内，为防止硅钼棒27的热量对气氛室1内的其他装置产生影响，盖板221与硅钼棒27之间的垂直距离不小于5㎜，以使两者之间间隔形成一空气层，阻止热量的散失。

如图4至5中所示，风冷腔室21包括有一用于硅钼棒27穿过的U型腔210，U型腔210的底部向远离加热腔室22的一端延伸形成有一底板20，底板20上设置有若干限位块24，用于限定安装至底板20上的盒盖212，盒盖212的外壁上固定设置有连通至风冷腔室21内部的冷风机211，以向底板20和盒盖212之间的空间吹入冷风，以对硅钼棒27上链各个端部上的通电电缆进行冷却，盒盖212的另一侧壁上还设置有若干散热孔213，用于排出盒盖212内的高温气体。

如图3中所示，水冷腔室23设置于加热腔室22的另一端，其内设置有两根水管，加热腔室22的盒体上（包括盖板221）内均设置有空心流道（图中未示出），两根水管均连通至空心流道内，以对加热腔室22进行循环水冷却，水冷腔室23上远离加热腔室22的一侧壁上设置有进水口230和出水口231，两根水管自两个水口进入水冷腔室23，以将循环冷水引入、将热交换后的热水引出加热装置2。

加热装置2上设置硬度测试装置5，其包括有一自动转塔台以及固定于其上的CBN压头50，需要对试样进行压制时，自动转塔台带动CBN压头50转至与盖板221上的腰型口222相对的位置，并驱动其下压完成试样表面的加载工作；此处采用CBN材料制成的压头，主要是为配合硅钼棒27的加热温度，硅钼棒27可以将试样加热至1600至1800摄氏度，而在这个温度下，普通的蓝宝石压头在加载一段时间后会碎裂，因此，本方案中采用CBN压头50，以适应高温下的硬度检测。

在硬度测试装置5之上，设置有压痕图像采集装置6。根据背景技术中交代的维氏硬度值的计算原理可知，要想获得材料的维氏硬度值，就必须观察加载完成后试样表面的压痕，并依据改压痕面积和加载的外力的大小，计算材料的维氏硬度，这里应当指出，高温维氏硬度检测之所以难以做到，主要是在高温下进行压痕图像采集，极大的受到高温的影响，并且，当试样加热至800摄氏度之上后，自身就会发出光线，一般的图像采集系统难以准确的捕捉试样表面的压痕的图像轮廓，也就难以进行准确的维氏硬度值计算。为解决这个问题，发明人对压痕图像采集装置6中的光学系统60进行了改进，并为压痕图像采集装置6单独配置一块冷却盘7。

具体来说，冷却盘7设置在加热装置2与压痕图像采集装置6之间，其整体为一块圆形中空盘体，在盘体中央设置有一个观察孔70，其直径尺寸为10mm，以恰好适应于压痕图像采集装置6的图像采集需要，在观察孔70内嵌装有一块隔热镜片71，以隔离加热装置2中散发的热量。在中空盘体上连接有与水冷腔室23内结构相同的循环冷却装置，以向中空盘体内通入冷却液体的冷却管72。这样，隔热镜片71尽可能隔离加热装置2向外发出的热辐射，冷却管72内流动的冷却液体带走盘体接收到的热量，以保护压痕图像采集装置6不受加热装置2的高温的影响。

压痕图像采集装置6具体包括有一物镜61以及设置在物镜61内的光学系统60，物镜61与CBN压头50共同设置于自动转塔台上，以在压痕加载完成后通过物镜61进行压痕图像的采集。

光学系统60包括有一CCD模块600、一个窄带光源601、分束镜603以及折光镜604，其光路连接方式叙述如下：窄带光源601向外部发出单一波长的光，单频光线在折光镜604和分束镜603的折光下进一步聚焦，最后通过物镜61打在试样的压痕表面，反射的光线与试样在高温下发出的光线一同反射回来，分束镜603滤去反射光线中不属于窄带光源601反射光线的部分（即滤去杂光），滤光后的光束进入CCD模块600内，并最终传输至外部计算机进行硬度值计算。

本实施例的使用步骤叙述如下：

首先调整好气氛室1内的氧气浓度后，开启盖板221，将试样固定至安置孔220内；

盖合并通过锁扣25锁紧加热腔室22,后，给硅钼棒27通电，使其开始产生热量对试样进行加热，并同时启动循环水冷装置3以及冷却盘7上的冷却液体的流动；

待加热温度达到预设值后，驱动自动转塔台带动CBN压头50对准腰型口222，并调整XY平台4和丝杠升降机构8，以使试样与CBN压头50正对；

对CBN压头50加载，使其在试样表面产生压痕；

再次驱动自动转塔台，将物镜61对准压痕；

开启压痕图像采集装置6，进行压痕图像采集，并依据压痕面积进行试样在高温下的维氏硬度值计算。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种高温维氏硬度计，其特征是：包括有一气氛室(1)，所述气氛室(1)内设置有用于加热试样的加热装置(2)、循环水冷装置(3)、带动所述加热装置(2)移动的XY平台(4)、硬度测试装置(5)以及一压痕图像采集装置(6)，所述压痕图像采集装置(6)与所述加热装置(2)之间设置有一冷却盘，所述冷却盘上设置有一观察孔，所述观察孔内嵌装有隔热镜片，所述冷却盘内通有循环对其冷却的液体。

2.根据权利要求1所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述压痕图像采集装置(6)包括有物镜（61）以及设置于所述物镜（61）内的光学系统（60），所述光学系统（60）包括有用于连接至外部计算机的CCD模块（600）、窄带光源（601）以及分束镜（603），所述窄带光源（601）发出的单频光照射在试样上并反射，经过所述分束镜（603）后进入CCD模块（600）。

3.根据权利要求1或2所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述加热装置(2)包括有一壳体，所述壳体内设置有一用于放置加热体以及待加热试样的加热腔室(22)，以及与所述加热腔室（22）邻接的风冷腔室（21），所述加热腔室(22)的外壁中设置有用于连接至循环水冷装置(3)以对加热腔室（22）外壁进行冷却的空心流道。

4.根据权利要求3所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述加热装置(2)上还设置有一水冷腔室(23)，且其与风冷腔室(21)一起将加热腔室(22)夹于中间，所述水冷腔室(23)与加热腔室(22)邻接的侧壁上设置有连通至空心流道的入水口和出水口(231)。

5.根据权利要求3所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述加热腔室(22)的底壁上设置有一用于放置试样的安置孔(220)，所述加热体呈U型，所述加热体将所述安置孔（220）包围，所述加热腔室(22)的内壁与加热体外壁之间还填充有保温隔热材料(26)。

6.根据权利要求5所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述加热腔室（22）包括有一顶部开口的盒体、铰接于所述盒体侧壁边缘的盖板(221)以及锁紧所述盖板(221)与盒体的锁扣(25)，所述盖板(221)上对应于安置孔(220)的位置处设置有供所述试样露出盒体并与压头接触的透孔，所述盖板（221）与所述加热体之间的距离不小于5㎜。

7.根据权利要求4所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述加热体为串联至外部电路的至少两根硅钼棒(27)。

8.根据权利要求2所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述XY平台(4)与气氛室(1)的底面之间还设置有驱动所述XY平台(4)升降的丝杠升降机构（8）。

9.根据权利要求1所述的高温维氏硬度计，其特征是：所述气氛室(1)包括有一手套箱(10)以及用于控制所述手套箱(10)内氧气浓度的空气控制器(11)，所述手套箱（10）上还外接有一用于给所述气氛室（1）提供氩气的氩气瓶（12）。