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活塞环硬度的准确测量


   硬度所表现的局部变形代表了物体抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力,是一个综合性能指标。硬度不像强度、塑性是个单纯的力学量,而是代表材料的弹性、塑性、强度、韧性以及应力状态等多种因素影响的综合反映值。一般认为,对硬度起主要作用的是材料的金相组织。而材料表面硬度较高的,其耐磨性能较好,因此活塞环硬度是一项重要指标。  测定活塞环硬度的常用测量法有:布氏法、洛氏法和维氏法。对活塞环表面薄膜的测量手段有显微硬度、超显微硬度和纳米压入技术,其中运用较广的是显微硬度。  根据铸铁活塞环的技术条件要求,测定铸铁活塞环硬度常选用洛氏(HRB及HRC)和布氏硬度试验法。维氏硬度(HV)试验可测量较薄材料,亦可测量渗氮、镀铬、喷钼等的表面硬度。  由于活塞环表面处理技术的迅猛发展,如复合分散镀、热喷涂、PVD、CVD、PCVD等,钢质材料的渗硫,深冷处理等,均要求对活塞环表面涂层(膜)进行硬度测量。目前表面处理的陶瓷薄膜及其它薄膜厚度常为3~8μm。应当指出,虽用显微硬度方法等测得的硬度值是膜、界面、基体硬度的综合反映,但此值仍是活塞环耐磨性能的一项重要指标。
1 环硬度试样的制备及硬度测定部位
1.1 铸铁活塞环硬度试样
铸铁活塞环毛坯的硬度试样应具有代表性,一般每一包铁水取样,应是该包铁水所浇注到最后一叠铸型的第二或第三箱中的一片,且外观合格环坯作硬度试样。当然,试样有无代表性,还应针对自己企业的具体铸造情况,经验证后才能决定取哪一叠的第几箱的外观合格环坯作硬度试样。  铸铁环硬度试样的制备,可直接取自成品或毛坯,对后者则应将毛坯加工到成品高度(应注意使两个测面加工余量相等),其表面粗糙度与成品相同。对时效处理前后的硬度试样,可以采用同一片环样。  铸铁环试样不论是毛坯还是半成品或成品,测定硬度每片环测三处,一处离开口处(活塞环行业称之为0°或开口处)约5~7mm,小环取下限,大环取上限,一处为中点(亦称90°),一处为开口对方(亦称180°处);油环应在相应的实体部位测量。  
1.2 镀铬、氮化、喷钼等表面处理活塞环硬度试样
试样表面应平坦光滑,试验面上应无氧化皮、油脂及外来污物,其表面质量应能保证压痕对角线长度的精确测量,一般维氏硬度试样表面粗糙度要求在Ra0.4μm以下;小负荷维氏硬度试样表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下;显微维氏硬度试样表面粗糙度要求为Ra0.1μm。镀铬、氮化等表面处理活塞环成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下。  
1.3 陶瓷薄膜(小于10μm)等活塞环硬度试样
此项暂无标准规定,一般要求试样具有代表性,要求试样表面粗糙度控制在Ra0.1μm,至少应在Ra0.2μm。测定部位宜采用30°、90°、180°三处,测定硬度值并计算硬度差。  
2 活塞环的硬度值  
HRB、HRC硬度按GB230的规定进行测定,薄膜硬度测试按GB4342-84规定进行,JB/T8865-1966可供参照。
2.1 铸铁活塞环的硬度值
铸铁活塞环适合机加工硬度为100~105HRB,过低的硬度其抗磨能力差,有时也不适宜加工;硬度过高非但加工困难,有时还会引起拉缸。生产实践表明,环的硬度控制在100~105HRB之间。一般环有良好的机械性能,为此生产活塞环(低合金灰铸铁材料)应使其硬度控制在这一范围内。  GB1149-82中规定了活塞环的硬度范围:环直径小于或等于150mm时为98~108HRB;当环的材质为钨合金铸铁时为96~106HRB;环直径D大于150mm时为94~105HRB。GB1149-82又规定同一片环硬度差不大于3个HRB单位。同一片环的各部分材质尽可能一致,其各部分的硬度差就小。由于筒体环浇注后,铁水冷却速度慢而且均匀,所以筒体环比单体环同环硬度差要小,一般都小于2个HRB单位。  内燃机活塞环国际标准ISO6621/5和国家标准GB/T1149.4-94规定最低硬度:不经热处理的灰铸铁环分别为93HRB与95HRB;热处理的灰铸铁环分别为23HRC、28HRC、32HRC、37HRC与40HRC;碳化物铸铁环分别为25HRC与30HRC;可锻铸铁环分别为95HRB、22HRC、27HRC与30HRC;球铁环分别为23HRC、28HRC、95HRB与97HRB;柯茨公司经调质处理的KVI球铁环为104~112HRB,产品硬度实际为108HRB左右(此为KVI的最佳硬度)。钢环分别为38HRC、40HRC与48HRC(一般钢质活塞环硬度控制在38~44HRC)。  
2.2 镀铬、氮化、喷钼等表面硬化处理环的硬度值  
为了提高活塞环的耐磨性和使命寿命,须经过镀铬、氮化或其它表面硬化处理,以提高其表面硬度,一般其维氏硬度可达到800HV0.2以上,硬度过低则影响其抗磨能力。生产实践表明,环的表面硬度控制在800~1200HV0.2为宜。如片面强调镀铬层HV硬度值,可能导致镀层内应力过高,脆性过大,使镀铬层与基体结合力下降,造成磨损恶化。关于氮化HV硬度值,近期报导日本钢质环可以形成150HV的表面氮化层,具有良好的耐磨和抗熔着磨损性能。目前国内一般氮化硬度控制在850~1200HV范围内,喷钼硬度控制在800~1050HV范围内。对薄膜硬度测量值由于这是新事物,只有定性的评价,而无定量的评价。建议对小于10μm膜厚的表面处理区分薄膜种类、不同基体、不同过渡层作出分别的规定。本文只能提供参考值,有待进一步实践、探索和总结,并与同行共同加以探讨。  
TiN金属陶瓷环无氮化过渡层显微硬度大于1000HV,有氮化过渡层的屡微硬度大于1200HV;
PCVD之BN-SiN薄膜无氮化或镀铬过渡层的显微硬度大于700HV,有氮化或镀铬过渡层的显微硬度大于950HV;  Ni-P复合分散镀,显微硬度800~1100HV以上,如CPN-200系(Ni-Co-P)―Si3N4活塞环复歙 发散镀显微硬度测定值在100HV以上;
NiKaSiL系(Ni-P)-SiC活塞环复合分散镀显微硬度测定值在1000~1350HV范围内;  
等离子硬化显微硬度800~950HV;  
激光处理显微硬度800~1150HV;  
经渗硫处理表面硬度基本不变;  
经深冷处理表面硬度比未处理前约升高2个HRC单位。3 影响活塞环硬度方面的因素  
影响铸铁活塞环硬度主要因素是村质的化学成分和金相组织两个方面,其中化学成分本身对硬度起作用外,还通过化学成分影响金相组织对硬度起作用。  
金相组织对硬度的影响。
灰铸铁环为:基体组织、石墨形态分布、石墨大小及数量、共晶团大小、磷共晶及其复合物数量。其中基体组织为:珠光体粗细程度,珠光体数量,铁素体形态及其含量,针状组织分布及其含量、针状组织转化、珠光体粒化程度、游离渗碳体和莱氏体组织形态、分布及含量。  灰铸铁环的硬度首先取决于环的基体组织,按GB2805-81中的第六类别图,从图号3、1、2、4、5中珠光体片间距依次变大,硬度依次下降,图号3为针状组织,HRB值为107~112,它常出现于CrMo系合金灰铸铁环,大都在环90°处居多,180°处次之,0°处没有或很少。针状组织含量多时,石墨大都偏细,化学成分中硅、磷含量较低;碳、钼、铬、锰含量较高,金相组织中会出现针状组织。针状组织经过热处理,会形成针状组织卷曲化。此时硬度就有较大幅度的下降,同环的硬度差由铸态的大小3~7个单位变为不大于3个单位。针状组织含量越多,时效处理后90°处硬度下降越大,反之则相反。图号5为粒状珠光体,一般由于时效温度超高,造成珠光体粒化,此时硬度常处于不合格(小于98HRB)或位于98HRB附近,一旦发生珠光体分散,则硬度大幅度下降,通常因时效温度太高,超过相变温度,此时硬度为80~94HRB。  
在灰铸铁活塞环的金相组织中,基体组织、石墨形态分布及大小数量、共晶团大小三者之间有着密切的一定对应关系,一般珠光体粗大,石墨与共晶团也就粗大,硬度就低,反之则相反。往往从石墨形成分布、大小及数量反映硬度的高低比观察基体情况更为明显。石墨形态对硬度的影响:E、D、B、A、F,硬度依次(从左到右)下降,并随着石墨数量的增多,尺寸变大硬度变低,巢状铁素体本身对硬度影响不大,由于巢状铁素体与不均匀分布的E型、D型石墨伴生,所以出现巢状铁素体的灰铁环硬度都较高。  
随着磷共晶数量的增加,环硬度稍有升高,当出现磷共晶复合物时,环的硬度会有一定程度的升高。例如含硼碳化物与磷共晶复合物所在的硼铸铁环,它比具有同样石墨,相近基体的低合金环的硬度要高出0.5~1.5个HRB单位值。  
十分明显,金相组织中出现游离渗碳体和莱氏体,环的硬度变高(反白口除外),往往超出108HRB,造成硬度报废。  
球铁环硬度基本上不受球墨的密度和大小的影响,铸态球铁环硬度主要影响因素是铁素体含量,其次是珠光体粗细程度,一般铸态球铁环为达到最低硬度(98~100HRB),相应的铁素体不能超一定的含量(此值对生产厂由于铸造条件不同会有所不同,约为15%~20%。此可供参考,如加入适量Sb可控制在小于15%)。  经热处理的球铁环,其硬度主要取决于基体情况,经正火处理的环,硬度的主要影响因素为:铁素体含量、珠光体粗细程度、索氏体含量。随着铁素体量的减少,基体组织的致密细化,硬度有所升高。经调质处理的球铁环,其正常金相组织为:回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体、残余奥氏体,此时的球铁环硬度随回火马氏体含量的增加,回火索氏体含量的减少,硬度值增大,反之则相反。在热处理工艺上,球铁环硬度受回火温度的控制,回火温度高,硬度就低,反之,回火温度低则硬度就高。  
所有球铁环,随碳化物含量的增多,硬度也有所增高,其中碳化物块度越细小弥散分布,对硬度的影响越小。  生产实践表明,通过热处理改变环的基体组织,可以使环的硬度均匀化(如灰铸铁环的时效处理),或大大改变环的硬度(如正火、调质处理)。  
一般小于10μm之薄膜硬度测定值受到下列因素影响:一是受过渡层的影响较大。为加强膜基界面结合强度,提高表面硬度测定值,并在磨损过程中给予薄膜强有力的支承,在工艺上采用过渡层,例如活塞环陶瓷薄膜常用氮化、镀铬;TiN金属陶瓷环常用氮化、纯Ti层、Ni-W等作过渡层。由于显微硬度测定值是薄膜、界面、基体硬度的综合反映,所以有无过渡层、过渡层本身的硬度、弹性模量作为界面和基体一样直接影响到表面硬度的测定,十分明显,比基体硬度高的过渡层,将提高表面硬度的测定值;二是薄膜本身硬度、弹性模量、厚度及表面粗糙度影响;三是界面层的强度、弹性模量及膜基界面结合强度;四是试验手段,如载荷、压头形状等。  
上述中对PVD薄膜显微硬度影响 工艺因素,首先是适当的负偏压和真空度对膜层组织结构和性能有重要影响。例如Ti2N比TiN有更高的硬度和耐磨性,形成适量Ti2N需要适当的负偏压和真空度。其次在动态参数控制下沉积的膜层形态表现为层状分布特征,膜层具有较高的致密性、显微硬度及良好的耐磨性。  
对复合分散镀表面硬度影响工艺因素与基质、分散粒子及其加入量、热处理有关。例如硬度值高的SiC(2500HV)就容易得到较高的表面硬度值;N-P复合镀经400℃热处理就得到较高的镀层硬度。  应指出对小于10μm的薄膜表面处理层,不能单用显微硬度来表示耐磨性能,因为薄膜的组成、结构、性能不同,特别对其中具有自润滑性能的,它不一定具有高的显微硬度,但有良好的耐磨减磨性能。对表面硬度而言,它仍有一个适合的范围,这一适合的范围正是我们要探求的。
测定环硬度操作应注意事项
1 试样(特别是毛坯)应加工到成品高度及应有的表面粗糙度。  
对铸铁环一般小环(环直径小于70)的毛坯环高常为3mm,而成品高为≤1.5mm,部分工厂常对试样高度磨至大于1.5mm,有时达2mm多,这样使测出的硬度值往往高出0.5~1个单位。环样表面不能有粗车刀纹,其表面粗糙度应为Ra0.8μm,否则,测试结果会不准确。  
一般对钢质环维氏硬度试样表面粗糙度要求Ra0.4μm以下;钢质环成品的表面粗糙度要求在Ra0.2μm以下。
2 被测活塞环试样的基准面(环样的下侧面)在工作台上要稳实放置并保证试验中试样不产生位移,为此环样不能挠曲或部分架空,基准面不能有毛刺,此面与工作台面应清洁且无其它污物(氧化皮、油脂、灰尘等)。
3 使压头与试样表面接触,垂直于试验面施加试验力,加力过程中不应有冲击和振动,直至将试验力施加至规定值。洛氏硬度压力类型、所加载荷及经常测量活塞环的范围参见表1。 
说明:由于铸铁活塞环广泛使用HRB测定,其实际测定范围已超出其常规测量的25~100范围。  测定维氏硬度时必须在要求的试验力范围内施加规定的试验力,其试验力从5~100kgf(约50~1000N)范围内变化,应根据要求进行选择。对氮化钢质活塞环,由于渗氮层很薄,通常用维氏硬度计(HV)进行测量时,选择试验力应根据渗氮层深度进行选择。
  经过表面处理的钢质活塞环,毛坯一般选用维氏硬度5kgf(49.03N)试验力;成品钢质环选用小负荷维氏硬度0.2kgf(1.961N)试验力。测量薄膜一般加载用HV0.1、HV1.0、HV0.050三种之一.
测试维氏硬度时,从加试验力开始至全部试验力施加完毕时间应在2~10s之间。对于小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验,压实下降速度应不大于0.2mm/s,试验力保持为10~15s。对于特殊材料,试验力保持时间可以延长,但误差在±2s之内。  
4 整体铸铁油环不宜测定硬度值,因为油槽油孔的结构,导致不能准确测出硬度值。对于环高低于1.5mm的铸铁环,测量硬度的工作台面中心不能有凹坑,如有凹坑则测量时应添加一定刚度的垫片,将环样放置在垫片上测试(垫片应有较好的平行度,其表面粗糙度在Ra0.8μm以下),否则测定的硬度值会偏低,可能低1~2个HRB单位,甚至环被压断。  
5 布氏硬度超过350HB时,钢球的硬质合金球测得的结果,可能有明显不同,因此测定位于350~450HB的布氏硬度应注明所用压头;  
6 在整个试验期间,硬度计应避免受到冲击和振动。硬度计在受震状态,指针震动时不能测量硬度值;  
7 拆洗硬度计或在维护硬度计加油后,应让硬度计运转多次后并经二级标准硬度试块测定,测得标块硬度值在±1个硬度单位范围内才可正式测量。一般每天上班测的第一点硬度值不能正式计数;更换压头(例如换钢珠)测试的前三点不能正式计数,往后测得的测定值才正式计数。  
8 应定期(视压头的钢球或金刚石圆锥体的质量来定时间的长短),用二级标准硬度试块测试,如超出标块硬度值±1个硬度单位时,应调整或清洗硬度计。  
9 选用的二级标准硬度试块的硬度值应尽量接近试样测定值,例如灰铸铁活塞环硬度值为98~108HRB,因为一般标块硬度小于100HRB,所以要选用90~95HRB硬度尽量高的标块(购买时应予注意;硬度大于100HRB的标块常常是假冒伪劣产品)。  
10 压痕(指测试点)之间,压痕与工件边缘之间距离宜大于3mm。由于活塞环尺寸小,在径向厚度小于6mm时,测定点到环的内外圆无法保证大于3mm,此时测试点也应保证压痕之间,压痕与环开口端的距离不小于3mm。  
11 加初载荷时,转速宜均匀,指针力求一次到位,如不到位也应控制在三小格之内;卸载荷速度不宜过快,转速要均匀,如卸载荷速度太快,硬度测定值可能会偏高0.5~1个HRB单位。  
12 当钢球(Φ1.588)质量不好时,会发生下列现象:一是钢球变形(变扁);二是钢球接触环的测量面磨损较快,导致该接触面部分表面发暗无光泽。上述两种情况均使测量值升高,常可达1~3个HRB单位,如有此现象应立即更换钢球。  13 主载荷的加载速度太快或太慢时,可将缓冲器的油针适当的旋入或旋出加以调整。  对于质量好的钢球,在使用一定时间后,宜将钢球转位(卸下重装,使钢球接触环的那个部位转换个位置)。
 
2006/10/15
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