具有硬質金屬或化合物壓頭和擺動冠的用於在高載荷下測試的硬度測試儀和硬度/深度...的製作方法

2023-10-25 02:37:27 1

專利名稱：具有硬質金屬或化合物壓頭和擺動冠的用於在高載荷下測試的硬度測試儀和硬度/深度 ...的製作方法
技術領域：
本發明涉及硬度測試儀，即用於測定實體材料和機械部件製成品 硬度的儀器，以及相關測試技術。
背景技術：
在製造機器、發動機、渦輪機、輪船、閥座、活塞、缸和機械設 備的許多組成部分的特殊受力部件時，質量控制幾乎都離不開硬度測 試。硬度測試儀是用在許多場合的儀器，以控制表面處理、覆層材料、 機器的機械部件、金屬和非金屬疊層、鑄件等的質量。硬度測試儀的結構是公知的，基本上由具有堅固應力結構的框架 構成，該應力結構機械地把支撐要測試物體的砧連接到安裝在應力結 構的樞轉臂上的壓頭。可對載有壓頭的樞轉臂加以一定的載荷，該載 荷足以通過壓頭頂端而在測試物體表面上產生壓痕。顯然，應力結構的尺寸必須被定為可防止彎曲，以確保對於發生 的力和位移而言有正確和可靠的基準系統。硬度測量除了可以是一種用於以 一定的近似度來檢測基本均 一材 料的機械特性的重要工具以外，對於測試表面硬化的某些特定處理的 有效性來說也是必要的，例如感應硬化、滲碳處理、滲氮處理等，同 時對於測試機加工件表面的硬質材料(例如鉻)覆層有效性來說也是 必要的，其中硬質材料通常以數層沉積以構成硬質覆層的最終厚度。硬度測試，特別是對已經過特定表面硬化處理的金屬或合金表面 的硬度測試或是對硬質金屬材料覆層表面的硬度測試，通常是採用金剛石壓頭頂端來進行的，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生的壓痕尺寸提供了根據所遵循相關 標準(布氏、維氏等)的硬度指標。傳統上，通過放大鏡或顯微鏡直接視覺檢查壓痕來獲得基礎信息。 最近，為了 "現場"硬度測量的方便，也為了對不易於用光學儀器檢 查的實體件上感興趣表面的凹入點進行硬度測量的方便，已經開發了 專門的"直讀式"硬度測量儀器，其能夠通過壓頭頂端相對於測試實 體件基準表面平面的觸阻測量和/或位移(深度)測量來獲取壓頭頂端 所產生壓痕的基本信息。包括在儀器中的微處理器系統對生成硬度期 望指標的載荷和壓痕數據進行處理。這種"直讀式"硬度測試儀具有生成硬度-載荷關係圖的數據處理 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於壓頭在測試件中的壓入深度而變化。在測試技術是對壓痕進行儀器測量，特別是利用適當的相對位移 傳感器來對相應於所施加載荷的壓頭頂端壓入深度進行儀器測定的情 況下，硬度測試儀包括機械基準部件，以測量壓頭頂端關於壓入點附 近的測試件表面平面的位移。為此，通常釆用依靠在測試件表面上的 圓柱形套，通過該套，壓頭杆可在壓入過程中自由移動(前進)。獲取測試件外表面附近硬度分布的信息，儘管是有一定的近似， 被公認為有利於進行對硬化處理或沉積硬質覆層的質量控制。顯然，這要求對壓頭施加極高的載荷，以保證適當的壓入(壓痕 深度)，與傳統硬度測試儀不同的是，此載荷可高達幾千千克。在越來越高的載荷下對具有較硬表層和相對較軟並且機械特性與工作條件，即:;昂貴的i剛石壓頭頂端的完好性有危險，也就是會 破壞性斷裂。已知硬度測試儀的另一個不足和缺點在於，依靠在測試件表面上 的基準套(該基準套是為了確立測量壓頭頂端的載荷驅動壓入量所基 於的空間參照系原點)成為妨礙，通常很難或不能在相對較窄的凹陷 底部對不是完全垂直於壓頭前進軸線的表面或起伏表面測試硬度。發明內容對於已知測試儀的不實用性、使用局限以及極高代價金剛石頂端 替換的風險的這些方面，本發明的硬度測試儀提供了一種有效和無疑 更簡單的方案。根據本發明的一方面，基準圓柱形套具有末端冠，該末端冠懸於 基準套上，但可相對於基準套組件的其餘部分自由擺動，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，適於支 承在測試件表面上。該冠的內圓表面限定了沿著垂直於所述兩個突出對齊直徑的直徑 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 兩個徑向對齊頂點的支點式支承。根據優選實施例，壓頭不具有金剛石頂端，而是由硬質金屬或由 相當的硬化合物材料製成，並具有錐形頂端。通常認為必要的是，因為金剛石的耐磨性，所以採用金剛石壓頭 來在相對較硬的表面上測試硬度。實際上，與此相反，已經發現根據65HRC甚至更高的硬化表面上進行硬度測試，通過把壓頭加載到 3000Kg和以上，即使是在由於硬化過程和/或最終硬質合金覆層的存 在導致的表面分層而使得從測試件的彈性/塑性/彈性反應急劇改變的 條件下。


圖1是用來檢測根據本發明的硬度測試儀的壓頭頂端壓入深度的 裝置的截面圖。圖2是前視圖(該硬度測試儀的相同子組件的前視圖，垂直於圖 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冠的滑動基準套的放大細節圖。 圖5和圖6顯示自由擺動冠可以旋轉以適應其依靠在測試件表面 上的方式，即使是測試件表面關於壓頭前進軸線不是完全垂直。
具體實施方式
在所有圖中，相同標記用來標示構成該裝置的不同部件。 確立了有效施加於壓頭的載荷的硬度測試儀的應力結構沒有完全 示出，因為該結構可由任何技術人員完整地想像出並可以是用於該類 型硬度測試儀的任何已知應力結構。在圖1中可看到該應力結構的砧 1,測試件P放在該砧上；以及由頭2代表的硬度測試儀應力結構的 上懸端，其保持著壓頭3的圓柱杆，圓柱杆由定位螺絲4固定。該裝置包括傳感器6的支撐臂5，傳感器6具有用於檢測壓頭頂 端運動的探頭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而與壓頭的杆3機械 地相連。支撐臂5功能性地緊固到壓頭3,以便在壓頭向著測試件P前進 的過程中跟隨壓頭的遊移，支撐臂5連有擺動臂9，擺動臂9懸於支 撐臂5上，且傳感器6的探頭7支承在擺動臂9上。擺動臂9通過支座或樞軸10懸於支撐臂5上，可修整彈簧ll和 懸掛螺絲12定位件確保在靜止時擺動臂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頭部上的穩定止動位置來實現的， 其中螺絲12被擰入支撐臂5的螺紋孔中直到抵靠在止動螺絲13上。為了基於由傳感器6檢測到的位移來精確測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 償。在已知壓頭3的形狀、製成壓頭的材料的彈性模量(約為普通鋼 的2.5倍)的情況下，該屈曲很容易計算，且與作用在壓頭上的載荷 成正比。
自由擺動的臂9端部支撐著總體以14表示的基準套，壓頭3的杆 在基準套內自由滑動。根據本發明的一個方面，基準套組件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套組件的圓柱形主體16之內。在所 示實施例中，通過檸在圓柱形主體16螺紋端部上的螺紋環17,末端 冠15的一個端部被保持在基準套組件14中。優選地，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，其設置在定位環 1/四內夂o舉衣囬工。末端冠15具有兩個跟狀突出20和21，它們從冠的圓形端的兩個 徑向相對的位置突出。由於被保持的末端冠15可自由旋轉，從而可將兩個突出20和21 關於壓頭3頂端前進軸線設置成任意的徑向對齊。觀察圖4局部放大圖可見，末端冠15具有內圓表面22,該表面 不在垂直於基準套組件縱軸線的平面上。相反，該內圓表面22形成了 沿著垂直於兩個跟狀突出20和21對齊直徑的直徑方向的脊或尖，以 便建立用於主體16對置的末端平圓表面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，冠15可在一個或另一 個方向自由傾斜，從而使其適應於評測在測試點附近測試件的最終不 是完全垂直的表面，如圖5所示。這就允許，即使在測試件P表面不是完全垂直的情況下，使末端 冠15關於壓頭3前進軸線旋轉，直到兩個停靠突出20和21沿著垂直 於測試件表面斜坡的線布置，如圖6所示。以這種方式，兩個突出20和21以及壓頭3頂端在測試件表面上 的對接高度實現了精確一致，即使該測試件表面不是完全垂直於壓頭 的運動軸線。這保證了更精確限定的空間參照系原點，以檢測壓頭3 頂端相應於施加給壓頭的載荷而在測試件P中的壓入深度。基準套組件14的功能是確定測量壓入深度的參照系原點(該原點
與由硬度測試儀應力結構施加給壓頭的不再為零的載荷相符合)。相對於已知裝置的另一個優點是在測試時可以看到壓入點。 另一個優點在於通過兩個妨礙相當小的窄突出20和21,建立了基準對接。這樣，甚至在測試件的相對較窄凹陷的底部處也可進入而測試硬度。如圖所示，所用的壓頭3由硬質金屬製成，或由硬質化合物製成， 且具有錐形頂端，其錐度可大致介於100。至120°之間。已,皮用來進行測試的滿意材料是由95%WC、 l%TaC和4%Co (均為重量百分比)構成的化合物。利用這樣的硬質金屬壓頭，在1400次測試(壓印)後，沒有失效 記錄。對以不同工藝硬化的許多樣品和覆有鉻層的許多樣品進行了測 試。試樣硬度大至在680HV到750HV之間。通過用投影儀(xl00)觀察壓頭頂端形態和校驗其幾何結構，並 且通過在開始測試之前，把在已知硬度(在本發明的測試中為600HV) 的均一基準樣上定期測得的成對載荷-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樣上測得的相應的成對值序列 進行比較，從而定期控制硬質金屬壓頭頂端的磨損。以這種方式，通過在必要時定期地重新校準硬度測試儀，可繼續 使用該硬質金屬壓頭來進行不定的最大數量的測試。在測試中，對於在各種硬度的試樣上進行100次壓印，幾乎完美 地再現了用新壓頭在已知硬度的基準樣上原始檢測到的成對載荷-壓 入值序列。僅在第120次測試時，並且儘管對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樣上測得的成對載荷-壓入深度 值序列才開始出現與初始基準曲線的偏差，在較低載荷時該偏差的值 為約5%之內。此時，通過補償在較低載荷下120次測試後觀察到的偏差，原始 建立的校準表(曲線)被更新，以生成正確的硬度值。之後，更新的 校準表(曲線)被用來取代用新壓頭所建立的原始表，並且重新確立 了硬度測量值的再現性。根據特別優選的一個實施例，通過將硬度測試儀應力結構中的載荷傳感器提供的載荷值和傳感器6檢測的壓頭頂端相關線性位移離散 化，並將它們存儲在專用的存儲緩衝區，這由模數轉換器生成，從而 本發明的硬度測試儀就可以連續地記錄載荷-壓入深度特徵曲線的"坐 標"(即成對值的坐標)。微處理器對在已知硬度的基準樣上定期檢測的校準曲線的數據進 行處理，存儲各種偏差。在對測試件實際測試過程中，微處理器處理所獲得的數據，基於 校準曲線的存儲偏差的最後更新來自動地引入實時修正，以輸出已被 補償從而最終相應於在測試件中的壓頭壓入深度的硬度值，以便確定 硬度分布。本發明的硬度測試儀特別適於用作硬度"比較器"。 校準可以在先前已根據維氏點測量過的均一基準樣上進行，例如採用硬度為約600點像素的基準樣。該基準樣實際上構成了通過比較來評價未知件硬度的基準。 通過在該基準樣上進行測量，可以生成和儲存載荷/壓入深度圖。 之後，生成和存儲測試件的相似的載荷/壓入深度圖。 然後，硬度測試儀的微處理器系統把在測試件上測試的曲線與在基準樣上測得的曲線比較，假設對於用相同壓頭的相同壓入深度而言相應載荷的比將等於各硬度的比，從而生成了測試件根據維氏點對壓頭頂端壓入深度的圖或硬度分布。
權利要求
1、一種用於檢測硬度測試儀壓頭頂端在支撐在硬度測試儀應力結構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杆部緊固的叉形夾終止，壓頭杆部緊固到硬度測試儀的所述應力結構的加載頭；擺動臂，所述探頭支承在其上，該擺動臂一端支撐在連接於所述支撐臂的槓桿支點，另一端承載著圍繞壓頭杆部滑動的基準套；將所述支撐臂與所述擺動臂間隔開的校準彈簧，所述擺動臂通過所述支點支撐和通過定位螺絲而懸於所述支撐臂上，其中該定位螺絲抵抗所述校準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，以建立在靜止時該兩個臂之間最大的分隔距離，其特徵在於，所述基準套具有可關於所述套的圓柱形主體而旋轉並傾斜的末端冠，該冠以從末端冠圓端表面徑向相對位置延伸的兩個跟狀突出終止，其頂端支承在測試件表面上；所述末端冠的一端保持在所述套的圓柱形主體內；所述末端冠的內圓表面限定了沿著垂直於所述兩個突出對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對齊頂點的線性或支點式對接。
2、 根據權利要求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、 一種包括如權利要求l的裝置的硬度測試儀，其特徵在於，所 述壓頭是硬質金屬或硬質化合物製成的。
4、 一種利用權利要求3的硬度測試儀來評估硬質表面層硬度的方 法，包括至少第一校準，這是通過建立對於在已知和均一硬度的基準 樣中壓頭頂端的成對載荷-壓入深度值序列的相應硬度值來進行的。
5、 根據權利要求4所述的方法，其中，通過重新建立對於在已知 和均 一硬度的相同基準樣上測得的所述成對值序列的相應硬度值，進 行壓頭頂端磨損補償的定期性重新校準。
6、一種利用如權利要求3的硬度測試儀來導出對於一定深度的維 氏點的硬度分布的方法，包括以下步驟a. 檢測和儲存壓頭頂端在以維氏點表示的已知和均一硬度的基 準樣中的載荷-壓入深度圖；b. 檢測和儲存壓頭頂端在測試件上的載荷-壓入深度圖；c. 將在測試件上測得的圖與在基準樣上測得的圖相關聯，這是基 於這樣的標準來進行的，即使用相同的壓頭，對於相同的壓入深度 而言，在兩種情況下所施加載荷的比等於以維氏點表示的各自硬度的 比，以生成測試件的維氏點對壓入深度的所述硬度分布。
全文摘要
一種用於檢測硬度測試儀壓頭頂端的壓入深度的裝置，具有可關於基準套的圓柱形主體旋轉並傾斜的末端冠，該冠以從末端冠圓端表面徑向相對位置延伸的兩個跟狀突出終止，其頂端支承在測試件表面上。所述末端冠的一端保持在所述套的圓柱形主體內；所述末端冠的內圓表面限定了沿著垂直於所述兩個突出對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接，以確定沿著所述尖端徑向對齊頂點的線性或支點式對接。測試儀採用硬質金屬或化合物的壓頭，根據在已知和均一硬度的基準樣上原始建立的所述壓入深度來定期重新校準硬度測試儀。還描述了一種導出對於一定深度的維氏點硬度分布的方法。
文檔編號G01N3/00GK101120240SQ200480043901
公開日2008年2月6日 申請日期2004年7月2日 優先權日2004年7月2日
發明者A·厄恩斯特 申請人:埃裡克·厄恩斯特