冶金軋輥肖氏硬度與里氏硬度對(duì)照關(guān)系的研究

·冶金軋輥肖氏硬度與里氏硬度對(duì)照關(guān)系的研究楊金剛1,3，王春祥2（1.中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司技術(shù)中心邢臺(tái)054000；2.邢臺(tái)軋輥小冷輥有限公司邢臺(tái)054000；3.軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室邢臺(tái)054000）摘要：采用HSC、HSD、HLD、HLE四種回彈式硬度計(jì)同時(shí)在軋輥本體的相同位置上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)試。將大量的測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)和函數(shù)擬合，得到鍛造冷軋輥、離心鑄造的高鉻鋼、高鉻鐵、高速鋼、高鎳鉻等材質(zhì)軋輥的硬度對(duì)照表。關(guān)鍵詞：軋輥；肖氏硬度；里氏硬度前言軋輥的硬度是評(píng)價(jià)軋輥質(zhì)量的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，軋輥硬度的高低和均勻性決定了軋輥的損耗和軋材表面尺寸和形貌的好壞。因此無(wú)論軋輥制作廠家和軋輥使用廠家對(duì)軋輥的硬度都非常關(guān)心。由于絕大多數(shù)軋輥屬于大型的鑄鍛件，很難采用常規(guī)的臺(tái)式的靜態(tài)壓入式的布氏、洛氏、維氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。通常采用便攜的動(dòng)態(tài)回彈式的肖氏硬度計(jì)和里氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。最初軋輥普遍采用肖氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，軋輥的硬度要求多以HSD和HSC為主。隨著技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，目前絕大多數(shù)廠家，尤其是軋輥用戶改用對(duì)人員操作技能要求不高的里氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。由于歷史沿革，軋輥的技術(shù)條件中以HSD和HSC為硬度指標(biāo)的仍占相當(dāng)比例。這就涉及到里氏硬度和肖氏硬度之間的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。由于中國(guó)、歐美、日本的肖氏硬度計(jì)的技術(shù)參數(shù)和量值溯源體系有差異（見(jiàn)表1），導(dǎo)致不同廠家的里氏硬度計(jì)中內(nèi)置的HL-HS硬度換算表有明顯差異。而且不同軋輥制造廠家也有自己不同與其他家的硬度對(duì)照表，對(duì)軋輥制作者和軋輥使用者都造成較大的困擾。表1肖氏硬度計(jì)C、D型技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目HSCHSD沖頭的質(zhì)量/g2.5±0.3（2.3±0.5）36.2±0.5（36.0±2.0）沖頭的頂端球面半徑/mm1±0.11±0.1沖頭的直徑/mm5.94±0.017.94±0.02沖頭的長(zhǎng)度/mm21192.7（101.33-104.10）沖頭下落高度h1/mm254（251.2）19.0±0.5（17.9）100HS的高度h2/mm165.113.57沖擊能量/gf.mm635（578）688（644）沖擊速度/m.s-12.23（2.22）0.61（0.59）沖擊的反彈性比和硬度值的關(guān)系注：括號(hào)內(nèi)為ASTME448中規(guī)定的肖氏硬度計(jì)技術(shù)參數(shù)，括號(hào)外為我國(guó)GB/T4341）和日本(JISB7727)肖氏硬度計(jì)的技術(shù)參數(shù)基于上述原因，我們決定在軋輥本體上采用HSC、HSD、HLD、HLE四種硬度計(jì)進(jìn)行大量的測(cè)試，在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同軋輥材質(zhì)的硬度對(duì)照表。試驗(yàn)條件硬度計(jì)：基于我公司多年檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，選用硬度示值誤差小、重復(fù)性、再現(xiàn)性好的品牌硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。此項(xiàng)共工作共選用四臺(tái)HSD、二臺(tái)HSC、二臺(tái)HLD、二臺(tái)HLE硬度計(jì)，所選硬度計(jì)均按照J(rèn)JG747里氏硬度計(jì)檢定規(guī)程和JJG346肖氏硬度計(jì)檢定規(guī)程，進(jìn)行檢定，檢定合格后方可進(jìn)行硬度檢測(cè)（見(jiàn)表2）。表2測(cè)試用硬度計(jì)使用的硬度計(jì)硬度計(jì)生產(chǎn)廠家規(guī)格型號(hào)編號(hào)HSD日本仲井1009020192HSD日本三豐1000111057121HSC日本1880320036HLD北京福賽特HL--30031230512013123051200HLE北京福賽特HL--3003122010900瑞士PROCEQEQUOTIP29230884標(biāo)塊：JJG747里氏硬度計(jì)檢定規(guī)程規(guī)定里氏塊的均勻度是以在檢定條件不變的情況下，用硬度計(jì)量工作基準(zhǔn)機(jī)（維氏硬度）在里氏塊工作表面上不同位置測(cè)量，并換算成里氏硬度的最大值與最小值之差表示，其均勻度不應(yīng)大于9HL。JJG347標(biāo)準(zhǔn)肖氏硬度塊檢定規(guī)程規(guī)定硬度塊的均勻度，將硬度塊放在肖氏硬度計(jì)量基準(zhǔn)器具的試臺(tái)上，然后壓緊硬度塊，壓緊力為290～300N，硬度塊檢定點(diǎn)數(shù)為9點(diǎn)，且均勻發(fā)布。兩相鄰壓痕中心距應(yīng)不小于2mm，壓痕中心至硬度塊邊緣的距離不小于4mm。9點(diǎn)中的最大值與最小值之差為硬度塊的均勻度，應(yīng)符合硬度范圍:>75HSD時(shí)≤1.5HSD≤75HSD時(shí)≤1.2HSD硬度標(biāo)塊按照J(rèn)JG747里氏硬度計(jì)檢定規(guī)程和JJG347標(biāo)準(zhǔn)肖氏硬度塊檢定規(guī)程進(jìn)行檢定合格后方可使用。本課題采用的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，其生產(chǎn)廠家為南昌況氏硬度塊制造有限公司，檢定單位分別為國(guó)防科技工業(yè)3612二級(jí)計(jì)量站（標(biāo)準(zhǔn)里氏硬度塊）和中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院。對(duì)于普通鑄鋼輥、鑄鐵輥及里氏750度以下的鍛鋼輥，硬度計(jì)的檢定采用國(guó)家檢定規(guī)程，硬度塊的均勻性控制在9HL以?xún)?nèi)，對(duì)于750HL以上的鍛鋼工作輥，尤其是里氏硬度誤差要求范圍在20HL以下的軋輥，檢定硬度計(jì)時(shí)硬度塊均勻性控制在5HL以?xún)?nèi)。軋輥表面制備肖氏和里氏硬度檢測(cè)對(duì)樣品表面粗糙度Ra的要求：HL為≤1.6μm；HS＜50時(shí)為≤1.6μm；HS≥50時(shí)為≤0.8μm；測(cè)試工作均在成品輥上檢測(cè)，其磨削后的表面粗糙度控制在0.4-0.6μm之間，無(wú)需再行磨削，檢測(cè)前對(duì)對(duì)檢測(cè)區(qū)域去污清潔。試驗(yàn)方法試驗(yàn)程序檢測(cè)前用與軋輥硬度相近的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測(cè)5點(diǎn)，求平均值。平均值減去標(biāo)塊標(biāo)稱(chēng)值即為硬度計(jì)誤差，硬度計(jì)在允差范圍內(nèi)方可進(jìn)行檢測(cè)。硬度計(jì)校準(zhǔn)完畢，在軋輥上同一點(diǎn)依次用四種硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，HSD和HSC硬度計(jì)固定到圓柱面測(cè)量支架上進(jìn)行檢測(cè)，確保檢測(cè)時(shí)的穩(wěn)定。每種硬度檢測(cè)五點(diǎn)，求取平均值，該平均值減去硬度計(jì)誤差，即認(rèn)為真實(shí)值。每支軋輥輥身檢測(cè)4條母線，輥頸檢測(cè)兩條母線；輥身每條母線檢測(cè)5點(diǎn)，輥頸兩端每條母線各檢測(cè)兩點(diǎn)。將每一點(diǎn)的四個(gè)硬度檢測(cè)值與檢測(cè)日期、制修號(hào)類(lèi)別代碼、材質(zhì)等信息錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。便于分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)硬度比對(duì)檢測(cè)中，受表面粗糙度、測(cè)試傾斜度、冷加工工藝、材料組織均勻度等影響，同一材質(zhì)相同的硬度，在測(cè)試其四種硬度時(shí)，對(duì)應(yīng)的不是單一的值，而是一個(gè)區(qū)間。因?yàn)槊块g隔一個(gè)HS硬度值，對(duì)應(yīng)4到7個(gè)HL硬度區(qū)間，所以決定以最常用的HSD為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出每個(gè)HSD硬度值對(duì)應(yīng)其它三種硬度的區(qū)間范圍。設(shè)定HSD值，選擇時(shí)間、材質(zhì)、制修號(hào)類(lèi)別代碼等檢索條件，從符合檢索條件的數(shù)據(jù)庫(kù)中查找等于設(shè)定HSD值的記錄，并對(duì)出現(xiàn)的每一個(gè)HLD、HLE、HSC進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣，就將該點(diǎn)HSD硬度對(duì)應(yīng)的HLD、HLE、HSC硬度范圍和頻次統(tǒng)計(jì)了出來(lái)。以冷軋輥Cr3材質(zhì)的HSD93為例，對(duì)應(yīng)其它三種硬度的分布如表3，從中可看出對(duì)應(yīng)出現(xiàn)頻次最高的其它三種硬度值。表3冷軋輥Cr3材質(zhì)的HSD93對(duì)應(yīng)HLD、HLE、HSC硬度分布表序號(hào)HLDHLEHSC序號(hào)HLDHLEHSC硬度值計(jì)數(shù)硬度值計(jì)數(shù)硬度值計(jì)數(shù)硬度值計(jì)數(shù)硬度值計(jì)數(shù)硬度值計(jì)數(shù)1818179819012485590822532819179919131525856368235938301800391.51026857348243948311801291.712785818825565832180269274428859158262768333803892.52929860318273078342804492.6130861188282288352805392.813186221829179836680619362328631483029108378807293.5233864483122118385808294434865383238128401810394.41358663833211384218113368672834151484568126378683835515846381310388691836316847108146398701837417848981528408791838418849148163141840219850468171194284112085111681813343842121852218819131448511228532538201384585212385416582174單點(diǎn)硬度對(duì)照最佳值的確定當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)足夠多時(shí)，在各種測(cè)量不確定因素的綜合作用下，硬度分布出現(xiàn)明顯峰值，它屬于明顯的正態(tài)分布，采用高斯函數(shù)擬合能得到很好的擬合效果。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較少時(shí)，硬度分布無(wú)明顯峰值存在，采用平均值計(jì)算。無(wú)論高斯函數(shù)擬合還是計(jì)算平均值，均需在計(jì)算前將諸如錄入錯(cuò)誤造成的異常的離群數(shù)據(jù)剔除。高斯函數(shù)的表達(dá)式為：（1）當(dāng)x=xc時(shí)，（2）（3）σ=w/2式中：ｘ－HSC、HLD、HLE硬度值y－HSC、HLD、HLE硬度值出現(xiàn)的頻次FWHM－硬度分布高斯峰的半高寬w－2σ高斯分布的2倍標(biāo)準(zhǔn)差當(dāng)x=xc時(shí)，y即為峰值。函數(shù)擬合后的xC值即為該點(diǎn)HSD對(duì)應(yīng)的HSC、HLD、HLE最佳硬度值。圖1是對(duì)表3中的HLD、HLE數(shù)據(jù)進(jìn)行的高斯函數(shù)擬合，得到對(duì)應(yīng)的xC和σ值。HSC計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（表4）(a)HLD硬度分布(b)HLE硬度分布圖1冷軋輥Cr3材質(zhì)的HSD93對(duì)應(yīng)HLD、HLE硬度分布圖表4冷軋輥Cr3材質(zhì)的HSD93對(duì)應(yīng)HLD、HLE、HSC硬度最佳值HSDHSCHLDHLE最佳值標(biāo)準(zhǔn)偏差最佳值標(biāo)準(zhǔn)偏差最佳值標(biāo)準(zhǔn)偏差9391.80.56852.81.47819.12.21硬度比對(duì)曲線擬合針對(duì)鍛造冷軋輥、離心鑄造的高鎳鉻、高鉻鋼、高鉻鐵、高速鋼等五大類(lèi)材質(zhì)軋輥，在軋輥出現(xiàn)的整個(gè)硬度范圍，按前述方法逐一計(jì)算出四種硬度的最佳對(duì)應(yīng)值（表5），繪制硬度比對(duì)曲線（圖2）。整個(gè)曲線并非線性，且有個(gè)別點(diǎn)有明顯起伏。結(jié)合各材質(zhì)的樣本數(shù)量分布表（表6），明顯起伏點(diǎn)的樣本數(shù)據(jù)較少。硬度分布未出現(xiàn)明顯峰值，擬合誤差較大。因此需要對(duì)該曲線進(jìn)行進(jìn)一步擬合，，得到平滑比對(duì)曲線和相應(yīng)的換算公式，以便將之固化到硬度計(jì)，用于不同硬度之間的換算。經(jīng)嘗試，采用expdec1函數(shù)（y=A1*exp(-x/t1)+y0）對(duì)該組曲線進(jìn)行擬合，可獲得較好的擬合效果。圖3是冷軋輥采用expdec1函數(shù)擬合的曲線及殘差。除去低值和高值的個(gè)別點(diǎn)外，擬合殘差均很小。表5五種材質(zhì)逐點(diǎn)擬合的硬度對(duì)照表（部分）HSDHSCHLDHLELZGGNLGLGGLTGSGLZGGNLGLGGLTGSGLZGGNLGLGGLTGSG393938.638.538.638.5547.9540.3540539.7541.3525.6520.1520.4519.9520.8404039.739.739.639.8554546.5546.6546.3546.6529.8525.8524.6525.2525.2414140.540.340.340561.3553.6552.4553.6554.4535.1530.9530.9530.2534.14241.741.941.641.641.7567.9560.1560.7560.9562541540538.9539.9537.84342.542.442.342.542.3574.9570569570566.5546.5547.3545.2547.55454443.643.242.843.243.4580.7577578.2576.5576.6552.5554555553.8553.27776.275.975.875.775.3775.3771.2770.4771771740.1740.1739.9740740787776.876.776.676.8780.9777.3776.7776.4775746.2744.8744.2744.3743.87978.177.777.577.577.5785.7780.8780.5780.3780.3751749748.2748.5748.3807978.578.278.378.4790.7786.1786.2785.9786.3756.3752.1752.5751.7752.4818079.578.97979796.3790.3790.2790.5791.3760.4757.6758.1757756.88281.180.279.88079.6801.6796796.6796796.3765.2760764.4761761.18382.28180.58180.8806.2801801800.6801.5773.6766769.5766.5767.78483.1828281.6810.9806.1806.6806.6778.3769.8775769.8858482.88382.8815.7811.3814812.3781.7774.7780775.5868583.78383.8819.2815.6819815.9785.3778.8786.5781.5878684.88384823.3820.5822821.1785.8793786.288878585831.5825827.1798.1788790898886835.5835801.77969088.9839.9803.99190.1844.2808.79291.1849.3814.49391.8852.8819.19493.0857.1823.9(a)HSD-HSC逐點(diǎn)擬合硬度對(duì)照曲線(b)HSD-HSC逐點(diǎn)擬合硬度對(duì)照曲線局部(c)HSD-HLD逐點(diǎn)擬合硬度對(duì)照曲線(d)HSD-HLE逐點(diǎn)擬合硬度對(duì)照曲線圖2五種材質(zhì)逐點(diǎn)擬合的硬度對(duì)照曲線(b)(c)(d)圖3expdec1函數(shù)擬合冷軋輥硬度對(duì)照曲線及擬合余差（a）擬合曲線；（b）HSD－HSC擬合余差；(c)HSD－HLD擬合余差；(d)HSD－HLE擬合余差表6五種材質(zhì)硬度檢測(cè)樣本數(shù)量分布表LZGGLGGLTGNLGSGHSD數(shù)量HSD數(shù)量HSD數(shù)量HSD數(shù)量HSD數(shù)量HSD數(shù)量3588048729130430230136168143630332243212322937218248032223335333833938166833373322343134213412391398424634193520535398354640837851113572361263631136164148286263642371743748737284292587637613821338631382843123788373849391103932339444734894839254031140826402845157690154407941644127541746735913024111421584251542647665928294219431094332543848619931855431444394412044549277942422445457145135455502779520714518461146746251140961013473471547144715226297620725487483773531699840073134916227845494992387422663631794551761001437539675641808565310133766868106518112571001021177966914662823358130103478120702467683615961799771186827846860154807372456940855561508125737070748626627882197412971728710635483275221728188864357628873928936539773267413166107832375206671779232761976810801887733269681817858970188270797427168336808907211843281622732485148266974298638333875328718420476408592776486297820187579308881結(jié)果與分析表7和表8分別為經(jīng)過(guò)EXPDEC1擬合得到的鍛造冷軋輥和離心鑄造高鉻鋼、高鉻鐵、高速鋼、高鎳鉻軋輥的硬度對(duì)照表的部分?jǐn)?shù)據(jù)。表7鍛造冷軋輥expdec1擬合的硬度歸納表LZGHSDHLDHLEHSCHSDHLDHLEHSCHSDHLDHLEHSC3551949634.85866963657.48179576179.93854051637.86168765360.48481077682.84156153440.76470467063.38782479185.84458155343.76772168766.29083880588.74760157146.67073870369.29385282091.65062059049.67375471972.19686683494.55363960752.57677073575.09987984897.55665762555.57978575078.0102892862100.4表8離心鑄造軋輥expdec1擬合的硬度歸納表GLGGLTGSGGNLHSDHLDHLEHSCHSDHLDHLEHSCHSDHLDHLEHSCHSDHLDHLEHSC33.049847832.633.049747732.533.049847832.833.049747732.434.050648533.634.050448533.634.050548533.834.050448433.435.051349234.735.051249234.635.051349234.835.051249134.536.052049935.736.051949935.636.052049935.736.051949935.537.052750636.737.052750636.637.052750636.737.052750636.638.053451337.738.053451337.738.053451237.738.053451337.639.054152038.739.054152038.739.054151938.739.054152038.740.054852739.740.054952739.740.054852639.640.054952739.741.055553340.641.055653340.741.055553240.641.055653440.742.056254041.642.056354041.742.056153941.642.056354041.743.056954642.643.057054742.743.056854542.643.057054742.844.057655343.644.057755343.744.057555243.544.057755443.845.058356044.645.058456044.745.058255844.545.058356144.877.077274075.677.077374175.577.077173875.177.077273975.878.077774576.578.077874676.478.077674376.178.077774476.779.078275077.579.078375177.379.078174877.079.078274977.682.079776480.382.079876580.182.079776279.882.079776280.383.080276981.283.080277081.083.080276780.883.080276781.284.080777481.984.080777281.784.080677182.185.081277982.885.081277682.685.081177683.086.081778383.786.081778183.686.081678083.9注：斜體字對(duì)應(yīng)的是輥頸硬度將高鉻鋼、高鉻鐵、高速鋼、高鎳鉻四種離心輥材質(zhì)的HSD-HLD對(duì)照表與GB/T13313-2008中鑄鐵軋輥的HSD-HLD對(duì)照表進(jìn)行比對(duì)分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)差異很小，絕大部分的差異在2HLD以?xún)?nèi)，只有個(gè)別點(diǎn)為3HLD，對(duì)應(yīng)HSD的差異均小于0.5個(gè)單位。從上面表7-2中也可以看出，四種離心輥硬度比對(duì)的整體差異很小，可以合并后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，做出一個(gè)離心軋輥比對(duì)表。表9新舊鑄鐵軋輥部分HSD-HLD硬度比對(duì)表GLGGLTGSGGNL鑄鐵軋輥GLGGLTGSGGNL鑄鐵軋輥GB13313GB13313HSDHLDHSDHLD314834814844814844356957056857057032491489491489491445765775755775783349849749849749845583584582583585345065045055045054658959058859059235513512513512512475965975955975993652051952051951977772773771772771375275275275275267877777877677777638534534534534533797827837817827813954154154154154080787788787787786405485495485495478179279379279279141555556555556554827977987977977964256256356156356283802802802802801將冷軋輥HSD-HLD對(duì)照表與GB/T13313-2008中鍛鋼軋輥的HSD-HLD對(duì)照表進(jìn)行比對(duì)分析，可以發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)點(diǎn)的差異均在1HLD以?xún)?nèi)，最大差異為2HLD。對(duì)應(yīng)HSD為0.125～0.4個(gè)單位之間，說(shuō)明前后檢測(cè)的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性很好。二者的差異主要?dú)w結(jié)于單點(diǎn)硬度比對(duì)最佳值的計(jì)算以及硬度曲線數(shù)據(jù)歸納采用函數(shù)不同造成的。表10新舊鍛鋼軋輥HSD-HLD硬度比對(duì)表LZGHSDGB13313

HLD新擬合

HLDHSDGB13313

HLD新擬合

HLDHSDGB13313

HLD新擬合

HLDHSDGB13313

HLD新擬合

HLD35517519536406397174274389835834365255265464664572747748908398383753253355653651737537