專利名稱：具有硬質(zhì)金屬或化合物壓頭和擺動(dòng)冠的用于在高載荷下測(cè)試的硬度測(cè)試儀和硬度/深度 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硬度測(cè)試儀，即用于測(cè)定實(shí)體材料和機(jī)械部件制成品 硬度的儀器，以及相關(guān)測(cè)試技術(shù)。
背景技術(shù)：
在制造機(jī)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、輪船、閥座、活塞、缸和機(jī)械設(shè) 備的許多組成部分的特殊受力部件時(shí)，質(zhì)量控制幾乎都離不開硬度測(cè) 試。硬度測(cè)試儀是用在許多場(chǎng)合的儀器，以控制表面處理、覆層材料、 機(jī)器的機(jī)械部件、金屬和非金屬疊層、鑄件等的質(zhì)量。硬度測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)是公知的，基本上由具有堅(jiān)固應(yīng)力結(jié)構(gòu)的框架 構(gòu)成，該應(yīng)力結(jié)構(gòu)機(jī)械地把支撐要測(cè)試物體的砧連接到安裝在應(yīng)力結(jié) 構(gòu)的樞轉(zhuǎn)臂上的壓頭?？蓪?duì)載有壓頭的樞轉(zhuǎn)臂加以一定的載荷，該載 荷足以通過壓頭頂端而在測(cè)試物體表面上產(chǎn)生壓痕。顯然，應(yīng)力結(jié)構(gòu)的尺寸必須被定為可防止彎曲，以確保對(duì)于發(fā)生 的力和位移而言有正確和可靠的基準(zhǔn)系統(tǒng)。硬度測(cè)量除了可以是一種用于以 一定的近似度來檢測(cè)基本均 一材 料的機(jī)械特性的重要工具以外，對(duì)于測(cè)試表面硬化的某些特定處理的 有效性來說也是必要的，例如感應(yīng)硬化、滲碳處理、滲氮處理等，同 時(shí)對(duì)于測(cè)試機(jī)加工件表面的硬質(zhì)材料(例如鉻)覆層有效性來說也是 必要的，其中硬質(zhì)材料通常以數(shù)層沉積以構(gòu)成硬質(zhì)覆層的最終厚度。硬度測(cè)試，特別是對(duì)已經(jīng)過特定表面硬化處理的金屬或合金表面 的硬度測(cè)試或是對(duì)硬質(zhì)金屬材料覆層表面的硬度測(cè)試，通常是采用金剛石壓頭頂端來進(jìn)行的，該金剛石壓頭頂端能夠保證壓頭在如上所述 的那些特別硬的材料上長(zhǎng)期使用的過程中基本上沒有磨損。壓頭頂端在試件表面上所產(chǎn)生的壓痕尺寸提供了根據(jù)所遵循相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)(布氏、維氏等)的硬度指標(biāo)。傳統(tǒng)上，通過放大鏡或顯微鏡直接視覺檢查壓痕來獲得基礎(chǔ)信息。 最近，為了 "現(xiàn)場(chǎng)"硬度測(cè)量的方便，也為了對(duì)不易于用光學(xué)儀器檢 查的實(shí)體件上感興趣表面的凹入點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)量的方便，已經(jīng)開發(fā)了 專門的"直讀式"硬度測(cè)量?jī)x器，其能夠通過壓頭頂端相對(duì)于測(cè)試實(shí) 體件基準(zhǔn)表面平面的觸阻測(cè)量和/或位移(深度)測(cè)量來獲取壓頭頂端 所產(chǎn)生壓痕的基本信息。包括在儀器中的微處理器系統(tǒng)對(duì)生成硬度期 望指標(biāo)的載荷和壓痕數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種"直讀式"硬度測(cè)試儀具有生成硬度-載荷關(guān)系圖的數(shù)據(jù)處理 能力，從而允許以基本上不破壞的方式獲得硬度分布的有用信息，也 就是硬度是如何相應(yīng)于壓頭在測(cè)試件中的壓入深度而變化。在測(cè)試技術(shù)是對(duì)壓痕進(jìn)行儀器測(cè)量，特別是利用適當(dāng)?shù)南鄬?duì)位移 傳感器來對(duì)相應(yīng)于所施加載荷的壓頭頂端壓入深度進(jìn)行儀器測(cè)定的情 況下，硬度測(cè)試儀包括機(jī)械基準(zhǔn)部件，以測(cè)量壓頭頂端關(guān)于壓入點(diǎn)附 近的測(cè)試件表面平面的位移。為此，通常釆用依靠在測(cè)試件表面上的 圓柱形套，通過該套，壓頭桿可在壓入過程中自由移動(dòng)(前進(jìn))。獲取測(cè)試件外表面附近硬度分布的信息，盡管是有一定的近似， 被公認(rèn)為有利于進(jìn)行對(duì)硬化處理或沉積硬質(zhì)覆層的質(zhì)量控制。顯然，這要求對(duì)壓頭施加極高的載荷，以保證適當(dāng)?shù)膲喝?壓痕 深度)，與傳統(tǒng)硬度測(cè)試儀不同的是，此載荷可高達(dá)幾千千克。在越來越高的載荷下對(duì)具有較硬表層和相對(duì)較軟并且機(jī)械特性與工作條件，即:;昂貴的i剛石壓頭頂端的完好性有危險(xiǎn)，也就是會(huì) 破壞性斷裂。已知硬度測(cè)試儀的另一個(gè)不足和缺點(diǎn)在于，依靠在測(cè)試件表面上 的基準(zhǔn)套(該基準(zhǔn)套是為了確立測(cè)量壓頭頂端的載荷驅(qū)動(dòng)壓入量所基 于的空間參照系原點(diǎn))成為妨礙，通常很難或不能在相對(duì)較窄的凹陷 底部對(duì)不是完全垂直于壓頭前進(jìn)軸線的表面或起伏表面測(cè)試硬度。發(fā)明內(nèi)容對(duì)于已知測(cè)試儀的不實(shí)用性、使用局限以及極高代價(jià)金剛石頂端 替換的風(fēng)險(xiǎn)的這些方面，本發(fā)明的硬度測(cè)試儀提供了一種有效和無疑 更簡(jiǎn)單的方案。根據(jù)本發(fā)明的一方面，基準(zhǔn)圓柱形套具有末端冠，該末端冠懸于 基準(zhǔn)套上，但可相對(duì)于基準(zhǔn)套組件的其余部分自由擺動(dòng)，且該末端冠 以跟狀突出的形式終止，跟狀突出從冠圓端表面的位置突出，適于支 承在測(cè)試件表面上。該冠的內(nèi)圓表面限定了沿著垂直于所述兩個(gè)突出對(duì)齊直徑的直徑 的尖端，其支承在圓柱形套的末端圓表面上，以確定沿著所述尖端的 兩個(gè)徑向?qū)R頂點(diǎn)的支點(diǎn)式支承。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，壓頭不具有金剛石頂端，而是由硬質(zhì)金屬或由 相當(dāng)?shù)挠不衔锊牧现瞥?，并具有錐形頂端。通常認(rèn)為必要的是，因?yàn)榻饎偸哪湍バ裕圆捎媒饎偸瘔侯^ 來在相對(duì)較硬的表面上測(cè)試硬度。實(shí)際上，與此相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)65HRC甚至更高的硬化表面上進(jìn)行硬度測(cè)試，通過把壓頭加載到 3000Kg和以上，即使是在由于硬化過程和/或最終硬質(zhì)合金覆層的存 在導(dǎo)致的表面分層而使得從測(cè)試件的彈性/塑性/彈性反應(yīng)急劇改變的 條件下。


圖1是用來檢測(cè)根據(jù)本發(fā)明的硬度測(cè)試儀的壓頭頂端壓入深度的 裝置的截面圖。圖2是前視圖(該硬度測(cè)試儀的相同子組件的前視圖，垂直于圖 1的視圖)。
圖3是同一裝置的平面圖。圖4是壓頭頂端和具有自由擺動(dòng)冠的滑動(dòng)基準(zhǔn)套的放大細(xì)節(jié)圖。 圖5和圖6顯示自由擺動(dòng)冠可以旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)其依靠在測(cè)試件表面 上的方式，即使是測(cè)試件表面關(guān)于壓頭前進(jìn)軸線不是完全垂直。
具體實(shí)施方式
在所有圖中，相同標(biāo)記用來標(biāo)示構(gòu)成該裝置的不同部件。 確立了有效施加于壓頭的載荷的硬度測(cè)試儀的應(yīng)力結(jié)構(gòu)沒有完全 示出，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)可由任何技術(shù)人員完整地想象出并可以是用于該類 型硬度測(cè)試儀的任何已知應(yīng)力結(jié)構(gòu)。在圖1中可看到該應(yīng)力結(jié)構(gòu)的砧 1,測(cè)試件P放在該砧上；以及由頭2代表的硬度測(cè)試儀應(yīng)力結(jié)構(gòu)的 上懸端，其保持著壓頭3的圓柱桿，圓柱桿由定位螺絲4固定。該裝置包括傳感器6的支撐臂5，傳感器6具有用于檢測(cè)壓頭頂 端運(yùn)動(dòng)的探頭7。承載傳感器6的臂5以叉形夾的形式終止，如圖3 的布置圖可更好地觀察到，以便通過擰緊螺絲8而與壓頭的桿3機(jī)械 地相連。支撐臂5功能性地緊固到壓頭3,以便在壓頭向著測(cè)試件P前進(jìn) 的過程中跟隨壓頭的游移，支撐臂5連有擺動(dòng)臂9，擺動(dòng)臂9懸于支 撐臂5上，且傳感器6的探頭7支承在擺動(dòng)臂9上。擺動(dòng)臂9通過支座或樞軸10懸于支撐臂5上，可修整彈簧ll和 懸掛螺絲12定位件確保在靜止時(shí)擺動(dòng)臂9和上懸支撐臂5之間有一定 的間隙，這是通過確定了在螺絲12頭部上的穩(wěn)定止動(dòng)位置來實(shí)現(xiàn)的， 其中螺絲12被擰入支撐臂5的螺紋孔中直到抵靠在止動(dòng)螺絲13上。為了基于由傳感器6檢測(cè)到的位移來精確測(cè)量壓頭頂端的有效壓 入深度，從支撐臂5端部夾伸出的金屬壓頭的任意彈性屈曲必須被補(bǔ) 償。在已知壓頭3的形狀、制成壓頭的材料的彈性模量(約為普通鋼 的2.5倍)的情況下，該屈曲很容易計(jì)算，且與作用在壓頭上的載荷 成正比。
自由擺動(dòng)的臂9端部支撐著總體以14表示的基準(zhǔn)套，壓頭3的桿 在基準(zhǔn)套內(nèi)自由滑動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，基準(zhǔn)套組件14包括末端冠15,其一端 以功能上非約束的方式保持在基準(zhǔn)套組件的圓柱形主體16之內(nèi)。在所 示實(shí)施例中，通過檸在圓柱形主體16螺紋端部上的螺紋環(huán)17,末端 冠15的一個(gè)端部被保持在基準(zhǔn)套組件14中。優(yōu)選地，如圖所示，被保持的冠15端部具有自由地依靠在彈性村 墊19上的凸緣18，該彈性襯墊19例如是彈性體圏，其設(shè)置在定位環(huán) 1/四內(nèi)夂o舉衣囬工。末端冠15具有兩個(gè)跟狀突出20和21，它們從冠的圓形端的兩個(gè) 徑向相對(duì)的位置突出。由于被保持的末端冠15可自由旋轉(zhuǎn)，從而可將兩個(gè)突出20和21 關(guān)于壓頭3頂端前進(jìn)軸線設(shè)置成任意的徑向?qū)R。觀察圖4局部放大圖可見，末端冠15具有內(nèi)圓表面22,該表面 不在垂直于基準(zhǔn)套組件縱軸線的平面上。相反，該內(nèi)圓表面22形成了 沿著垂直于兩個(gè)跟狀突出20和21對(duì)齊直徑的直徑方向的脊或尖，以 便建立用于主體16對(duì)置的末端平圓表面23的線性支座。因此，如在圖4放大截面圖中容易看到的那樣，通過圍繞由主體 16末端圓表面上的所述尖形成的支座線旋轉(zhuǎn)，冠15可在一個(gè)或另一 個(gè)方向自由傾斜，從而使其適應(yīng)于評(píng)測(cè)在測(cè)試點(diǎn)附近測(cè)試件的最終不 是完全垂直的表面，如圖5所示。這就允許，即使在測(cè)試件P表面不是完全垂直的情況下，使末端 冠15關(guān)于壓頭3前進(jìn)軸線旋轉(zhuǎn)，直到兩個(gè)?？客怀?0和21沿著垂直 于測(cè)試件表面斜坡的線布置，如圖6所示。以這種方式，兩個(gè)突出20和21以及壓頭3頂端在測(cè)試件表面上 的對(duì)接高度實(shí)現(xiàn)了精確一致，即使該測(cè)試件表面不是完全垂直于壓頭 的運(yùn)動(dòng)軸線。這保證了更精確限定的空間參照系原點(diǎn)，以檢測(cè)壓頭3 頂端相應(yīng)于施加給壓頭的載荷而在測(cè)試件P中的壓入深度?；鶞?zhǔn)套組件14的功能是確定測(cè)量壓入深度的參照系原點(diǎn)(該原點(diǎn)
與由硬度測(cè)試儀應(yīng)力結(jié)構(gòu)施加給壓頭的不再為零的載荷相符合)。相對(duì)于已知裝置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)試時(shí)可以看到壓入點(diǎn)。 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于通過兩個(gè)妨礙相當(dāng)小的窄突出20和21,建立了基準(zhǔn)對(duì)接。這樣，甚至在測(cè)試件的相對(duì)較窄凹陷的底部處也可進(jìn)入而測(cè)試硬度。如圖所示，所用的壓頭3由硬質(zhì)金屬制成，或由硬質(zhì)化合物制成， 且具有錐形頂端，其錐度可大致介于100。至120°之間。已,皮用來進(jìn)行測(cè)試的滿意材料是由95%WC、 l%TaC和4%Co (均為重量百分比)構(gòu)成的化合物。利用這樣的硬質(zhì)金屬壓頭，在1400次測(cè)試(壓印)后，沒有失效 記錄。對(duì)以不同工藝硬化的許多樣品和覆有鉻層的許多樣品進(jìn)行了測(cè) 試。試樣硬度大至在680HV到750HV之間。通過用投影儀(xl00)觀察壓頭頂端形態(tài)和校驗(yàn)其幾何結(jié)構(gòu)，并 且通過在開始測(cè)試之前，把在已知硬度(在本發(fā)明的測(cè)試中為600HV) 的均一基準(zhǔn)樣上定期測(cè)得的成對(duì)載荷-壓入(深度)值(載荷逐漸增加)序列與用新壓頭在已知硬度的相同基準(zhǔn)樣上測(cè)得的相應(yīng)的成對(duì)值序列 進(jìn)行比較，從而定期控制硬質(zhì)金屬壓頭頂端的磨損。以這種方式，通過在必要時(shí)定期地重新校準(zhǔn)硬度測(cè)試儀，可繼續(xù) 使用該硬質(zhì)金屬壓頭來進(jìn)行不定的最大數(shù)量的測(cè)試。在測(cè)試中，對(duì)于在各種硬度的試樣上進(jìn)行100次壓印，幾乎完美 地再現(xiàn)了用新壓頭在已知硬度的基準(zhǔn)樣上原始檢測(cè)到的成對(duì)載荷-壓 入值序列。僅在第120次測(cè)試時(shí)，并且盡管對(duì)壓頭頂端的觀察未顯示出任何 明顯的磨損，在已知且均一硬度的基準(zhǔn)樣上測(cè)得的成對(duì)載荷-壓入深度 值序列才開始出現(xiàn)與初始基準(zhǔn)曲線的偏差，在較低載荷時(shí)該偏差的值 為約5%之內(nèi)。此時(shí)，通過補(bǔ)償在較低載荷下120次測(cè)試后觀察到的偏差，原始 建立的校準(zhǔn)表(曲線)被更新，以生成正確的硬度值。之后，更新的 校準(zhǔn)表(曲線)被用來取代用新壓頭所建立的原始表，并且重新確立 了硬度測(cè)量值的再現(xiàn)性。根據(jù)特別優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施例，通過將硬度測(cè)試儀應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的載荷傳感器提供的載荷值和傳感器6檢測(cè)的壓頭頂端相關(guān)線性位移離散 化，并將它們存儲(chǔ)在專用的存儲(chǔ)緩沖區(qū)，這由模數(shù)轉(zhuǎn)換器生成，從而 本發(fā)明的硬度測(cè)試儀就可以連續(xù)地記錄載荷-壓入深度特征曲線的"坐 標(biāo)"(即成對(duì)值的坐標(biāo))。微處理器對(duì)在已知硬度的基準(zhǔn)樣上定期檢測(cè)的校準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理，存儲(chǔ)各種偏差。在對(duì)測(cè)試件實(shí)際測(cè)試過程中，微處理器處理所獲得的數(shù)據(jù)，基于 校準(zhǔn)曲線的存儲(chǔ)偏差的最后更新來自動(dòng)地引入實(shí)時(shí)修正，以輸出已被 補(bǔ)償從而最終相應(yīng)于在測(cè)試件中的壓頭壓入深度的硬度值，以便確定 硬度分布。本發(fā)明的硬度測(cè)試儀特別適于用作硬度"比較器"。 校準(zhǔn)可以在先前已根據(jù)維氏點(diǎn)測(cè)量過的均一基準(zhǔn)樣上進(jìn)行，例如采用硬度為約600點(diǎn)像素的基準(zhǔn)樣。該基準(zhǔn)樣實(shí)際上構(gòu)成了通過比較來評(píng)價(jià)未知件硬度的基準(zhǔn)。 通過在該基準(zhǔn)樣上進(jìn)行測(cè)量，可以生成和儲(chǔ)存載荷/壓入深度圖。 之后，生成和存儲(chǔ)測(cè)試件的相似的載荷/壓入深度圖。 然后，硬度測(cè)試儀的微處理器系統(tǒng)把在測(cè)試件上測(cè)試的曲線與在基準(zhǔn)樣上測(cè)得的曲線比較，假設(shè)對(duì)于用相同壓頭的相同壓入深度而言相應(yīng)載荷的比將等于各硬度的比，從而生成了測(cè)試件根據(jù)維氏點(diǎn)對(duì)壓頭頂端壓入深度的圖或硬度分布。
權(quán)利要求
1、一種用于檢測(cè)硬度測(cè)試儀壓頭頂端在支撐在硬度測(cè)試儀應(yīng)力結(jié)構(gòu)的砧上的試件中的壓入深度的裝置，包括支撐傳感器的支撐臂，該傳感器具有線性位移的探頭，該支撐臂以圍繞壓頭桿部緊固的叉形夾終止，壓頭桿部緊固到硬度測(cè)試儀的所述應(yīng)力結(jié)構(gòu)的加載頭；擺動(dòng)臂，所述探頭支承在其上，該擺動(dòng)臂一端支撐在連接于所述支撐臂的杠桿支點(diǎn)，另一端承載著圍繞壓頭桿部滑動(dòng)的基準(zhǔn)套；將所述支撐臂與所述擺動(dòng)臂間隔開的校準(zhǔn)彈簧，所述擺動(dòng)臂通過所述支點(diǎn)支撐和通過定位螺絲而懸于所述支撐臂上，其中該定位螺絲抵抗所述校準(zhǔn)的間隔彈簧的彈性作用力而被擰入所述支撐臂的螺紋孔中，以建立在靜止時(shí)該兩個(gè)臂之間最大的分隔距離，其特征在于，所述基準(zhǔn)套具有可關(guān)于所述套的圓柱形主體而旋轉(zhuǎn)并傾斜的末端冠，該冠以從末端冠圓端表面徑向相對(duì)位置延伸的兩個(gè)跟狀突出終止，其頂端支承在測(cè)試件表面上；所述末端冠的一端保持在所述套的圓柱形主體內(nèi)；所述末端冠的內(nèi)圓表面限定了沿著垂直于所述兩個(gè)突出對(duì)齊直徑的直徑的尖端，其在所述套的圓柱形主體的平圓端面上鄰接，以確定沿著所述尖端徑向?qū)R頂點(diǎn)的線性或支點(diǎn)式對(duì)接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，保持在所述圓柱形主體中 的所述末端冠的端部具有依靠在彈性體襯墊上的凸緣部分。
3、 一種包括如權(quán)利要求l的裝置的硬度測(cè)試儀，其特征在于，所 述壓頭是硬質(zhì)金屬或硬質(zhì)化合物制成的。
4、 一種利用權(quán)利要求3的硬度測(cè)試儀來評(píng)估硬質(zhì)表面層硬度的方 法，包括至少第一校準(zhǔn)，這是通過建立對(duì)于在已知和均一硬度的基準(zhǔn) 樣中壓頭頂端的成對(duì)載荷-壓入深度值序列的相應(yīng)硬度值來進(jìn)行的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過重新建立對(duì)于在已知 和均 一硬度的相同基準(zhǔn)樣上測(cè)得的所述成對(duì)值序列的相應(yīng)硬度值，進(jìn) 行壓頭頂端磨損補(bǔ)償?shù)亩ㄆ谛灾匦滦?zhǔn)。
6、一種利用如權(quán)利要求3的硬度測(cè)試儀來導(dǎo)出對(duì)于一定深度的維 氏點(diǎn)的硬度分布的方法，包括以下步驟a. 檢測(cè)和儲(chǔ)存壓頭頂端在以維氏點(diǎn)表示的已知和均一硬度的基 準(zhǔn)樣中的載荷-壓入深度圖；b. 檢測(cè)和儲(chǔ)存壓頭頂端在測(cè)試件上的載荷-壓入深度圖；c. 將在測(cè)試件上測(cè)得的圖與在基準(zhǔn)樣上測(cè)得的圖相關(guān)聯(lián)，這是基 于這樣的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行的，即使用相同的壓頭，對(duì)于相同的壓入深度 而言，在兩種情況下所施加載荷的比等于以維氏點(diǎn)表示的各自硬度的 比，以生成測(cè)試件的維氏點(diǎn)對(duì)壓入深度的所述硬度分布。
全文摘要
一種用于檢測(cè)硬度測(cè)試儀壓頭頂端的壓入深度的裝置，具有可關(guān)于基準(zhǔn)套的圓柱形主體旋轉(zhuǎn)并傾斜的末端冠，該冠以從末端冠圓端表面徑向相對(duì)位置延伸的兩個(gè)跟狀突出終止，其頂端支承在測(cè)試件表面上。所述末端冠的一端保持在所述套的圓柱形主體內(nèi)；所述末端冠的內(nèi)圓表面限定了沿著垂直于所述兩個(gè)突出對(duì)齊直徑的直徑的尖端，其在所述套的保持主體的平圓端面上對(duì)接，以確定沿著所述尖端徑向?qū)R頂點(diǎn)的線性或支點(diǎn)式對(duì)接。測(cè)試儀采用硬質(zhì)金屬或化合物的壓頭，根據(jù)在已知和均一硬度的基準(zhǔn)樣上原始建立的所述壓入深度來定期重新校準(zhǔn)硬度測(cè)試儀。還描述了一種導(dǎo)出對(duì)于一定深度的維氏點(diǎn)硬度分布的方法。
文檔編號(hào)G01N3/00GK101120240SQ200480043901
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者A·厄恩斯特 申請(qǐng)人:埃里克·厄恩斯特