海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性的探讨.pdf

总第2 11期2023年第8 期行业纵横海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性的探讨刘浩（贵州遵钛（集团)有限责任公司，贵州遵义56 3 0 0 4）摘要：介绍布氏硬度测量方法原理，分析布氏硬度测量准确度影响因素，依据GB/T2524一2 0 0 2 现行标准，对同批样品不同层面进行布氏硬度测量，探讨海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性，提出海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性合理化建议。关键词：海绵钛；特级品；布氏硬度测量方法；正确性中图分类号：TF8230引言材料机械性能是产品零件抵抗机械作用力正常工作的能力，常见指标包括抗拉抗压与抗弯屈服强度等，材料生成工艺与环境等很多因素影响机械性能，材料机械性能不能通过理论计算得到，通常由专用测试设备经过系列拉伸等测试得出。实际生产中很多材料机械性能相互联系,针对某类材料性能参数间具有直接关系,硬度测试流程相对简单，可直接反映其他重要参数。硬度是材料抵抗刮擦碰撞等引起变形压人能力，常见硬度测量包括划伤与压入回弹硬度。金属材料生产中广泛使用的硬度测量方式包括布氏、里氏与维氏硬度等。布氏硬度以高分辨率在生产中测试占有很大比重。海绵钛是生产钛合金的中间产品，目前仅有中日美俄等少数国家具有生产能力。随着海绵钛应用领域扩展，用户对特级品质量提出更高等要求。海绵钛布氏硬度测量实验中反复测试发现：同批产品不同层面硬度值差值大，对海绵钛级别评定带来很大难度。1布氏硬度测量方法材料机械性能对建筑工程设计加工具有重要意义，确定机械性能需要经过系列实验，不能以零部件形式直接实验。硬度试验测量得到硬度值与其他机械特性有直接关系,硬度是材料抵抗残余应力变形的能力,硬度大小受到材料弹性极限魔术等多个因素的影响,与材料结晶状态等密切相关 1。硬度实验生产中在机械制造领域及材料科研中得到广泛应用，保证硬度值准确一致对提高产品质量降低原材料消耗具有重要作用。日常金属材料硬度检测使用实验方法根据多种情况考虑，主要方法包括布氏、努氏与洛氏硬度等。布氏硬度是压人式测量方式，以规定实验力作用下压入试样表面。布氏硬度实验采用硬质合金球，硬度符号为HBW,实验原理：Hbs=F/S=F/(Dh).式中：S为表面m的压痕,m;F为试验力,kgf;h为压收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3作者简介：刘浩(19 8 1一),男，贵州遵义人，本科,毕业于贵州大学，助理工程师,从事化工分析笔面的工作。山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A痕深度,mm。新标准实验力单位用N,采用N时布氏硬度计算公式：Hew=0.012 2F/D(D-VD-d).布氏硬度测量硬度Hw范围为8 6 50 。布氏硬度值依赖于实验力，硬度值达到最大值曲线处于平缓阶段，平缓区域后硬度值下降。布氏硬度测量装置要求压痕测量装置分辨力小于压痕直径0.5%。布氏硬度试样要求表面光滑平整，制备中避免对表面硬度产生影响。布氏硬度是工业生产中广泛应用的硬度评价标准，现行最新国际标准为ISO6506标准第三版。工业生产中很多测试过程未严格遵守标准，产生压痕图像质量多样。根据国家标准GB/T23.11.2009布氏硬度实验方法原理是对硬质合金球施加试验力压人试样表面，实验设备应符合GB/T231.22009中固定，硬质合金压头应符合GB/T231.2一2 0 0 9 中的要求。传统布氏硬度实验压痕测量装置为读数显微镜，读数显微镜是通过光学与机械方法对压痕图像放大。得到压痕直径后通过公式计算得出布氏硬度实验结果。按照国家标准中测试流程布氏硬度测试误差来源包括标准硬度块标准不确定度，最大允许误差下标准不确定度等。2布氏硬度测量准确度影响因素分析随着社会的发展，我国重工业得到快速发展，布氏硬度计是广泛应用于工业科研中的仪器，可以对钢材铸铁等进行硬度测试，目前我国布氏硬度计测量准确度较低,未有效排除影响准确性因素导致应用布氏硬度计出现明显问题。布氏硬度计是产生压痕最大的实验方法，不受试样组织显微偏析的影响，但受到很多影响影响其精度。布氏硬度计测量金属对试验品造成较大损伤，布氏硬度计工作原理是将钢球在实验规定作用下对试样表面压入，根据试样压痕球形表面积平均压力对金属布氏硬度值表示。布氏硬度计工作原理注定其精度受到多方面因Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.039文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 10 0-0 32023年第8 期刘浩：海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性的探讨101素的影响，主要包括试样硬度计与环境方面，使用布氏硬度计对金属硬度测试时金属试样厚度对测量精度产生影响，布氏硬度计受到表面粗糙度影响较小，但过于粗糙表面会影响测试结果 3 。布氏硬度计进行硬度测量应对试样表面研磨避免过于粗糙影响测试结果。试样表面出现油脂影响测量结果，测量前需要清洁表面提高测试准确度。布氏硬度测定试样厚度不应小于压痕深度的10 倍，特殊情况下黑色金属温度不得超过10 0。布氏硬度计性能影响其测量准确性，布氏硬度计性能对测量准确性影响集中于试验力，摩擦力与钢球直径等方面。摩擦力主要产生于主轴系统压轴在衬套中的导向，大小杠杆刀刃支承。摩擦力主要产生点是大杠杆支点轴承产生摩擦力，需要对主轴系统定时清洁减少摩擦力的产生。钢球压头直径偏差影响测量结果，直径过小会使其测量值过高，应选择合适的钢球直径保证测量结果准确性。钢球硬度偏低会导致金属测量出现较大偏差,钢球表面粗糙度应不大于0.2 m,要对钢球硬度和表面粗糙度有效控制 4。测量读数显微镜对布氏硬度计测量结果影响明显，可用脱脂棉花取酒精擦洗透镜，测量读数显微镜刻度以标准刻度尺检查误差过大。码重量增大试验力偏大，码重量超差可通过修整使其在要求范围内。正超差时在支点刀子与杠杆贴合面加垫片减小杠杆比。环境对布氏硬度测量精度产生影响，钢球硬度由于温度产生变化，试样出现灰尘影响其精度，应保证布氏硬度计安装在干燥场所。需要排除布氏硬度计准确度影响因素，有效保证测量结果准确性。3海绵钛特级品杂质元素与布氏硬度的关系随着海绵钛应用领域的扩展，高技术领域金属钛广泛采用，飞机发动机衬圈等为高强度钛合金部件，海绵钛用户对产品质量要求较高，要通过技术措施生产高质量特级钛提高钛工业的国际竞争力 5。目前生产中主要杂质元在海绵钛中的含量达到现行特级品质质量标准时，布氏硬度HB达不到特级品质标准。海绵钛中杂质元素主要为Si,C1等,综合指标HB与主要杂质元素关系为Hg=356.82w（o)+19 4.8 3 w（N）,可以排除Si等对H的影响。海绵钛产品中Fe杂质来源包括镁法生产还原TiC14放热反应剧烈，反应中心区域温度高达12 0 0,钛和铁有明显熔合现象。还原所用反应器为铁制，随还原温度升高铁在镁中的溶解度增大。仪表仪器故障使还原整流超温生成铁合金。原料精镁中铁转人钛。生成1t海绵钛需要4t精TiCls中铁杂质，含量过高。元素来源包括还原生成反应器出现负压进人空气，原料精TiC14被空气污染；还原过程加TiC1a速度不均匀引起海绵钛烧结。N杂质来源包括蒸馏生产中进入空气，还原蒸馏保护气体氩气体中N转入海绵钛。蒸馏后得到海绵钛坨处理方法不当增加Fe混人量。需要针对不同杂质采取相应的处理方法，改进海绵钛处理方法减少杂质混入量；产品包装齐纳经磁选处理，避免铁屑混入正品海绵钛。海绵钛Fe杂质含量控制需要校准仪器仪表确保测温误差不超过5，对老化变质热偶及时更换；控制还原平料速度在2 40 2 6 0 kg/h，减少料速过大导致超温引起Fe高。将精四氯化钛中杂质含量控制在最低水平。降低含量需要蒸馏生产中出现设备故障防止进人空气，加强操作者责任心确保精镁不被空气污染；海绵钛产品冷却中反应器内保持正压；还原生产中反应器内压力须高于外界空气压力0.0 0 5 0.0 2 5MPa。严格难制度均匀加料,使其包裹还原生成物氯化镁在整流生产中蒸不出。采取降低O含量措施降低N含量，氩气中w(N)控制在0.0 1%以下。产品拆卸清理低价物认真操作防止燃烧。4海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性实验材料特征参量检测测量结果存在不确定性，随着我国经济的发展，海绵钛用量不断增加，世界主要产钛国海绵钛标准将布氏硬度值作为确定质量的重要指标 6 。测量方法依据金属布氏硬度实验方法，测试设备为布氏硬度机HB-30000B-1，国家计量部门检验合格。选用压头直径D=10mm硬质合金球,采用自动加载方式对试样测定布氏硬度值，试样表面按R/2菱形排列方式测得布氏硬度值。B试锭选用符合ABCDEF6个试锭，测得相同试锭表面点布氏硬度值。C测量首层选择按标准去除氧化层试锭表面，将压痕去除测其二层表面四点；从底部去除下表面氧化层。表1为6 个试锭不同层面硬度平均值表。海绵钛同批产品不同层面得到布氏硬度值差异大，H与Fe、O杂质元素关系为Hg=117.30w（Fe）+7 9.2 0 w（O）。Fe含量在海绵钛坨中心部分最低,C,Si在海绵钛坨中均匀分布；表2 试锭不同层面级别表。氯在海绵钛边皮最高，钛坨外层部分杂质含量较高。可以排除C，S i对布氏硬度的影响;Fe,O,N在海绵钛中含量对H影响最大。海绵钛评级与H有密切关系，海绵钛铸锭中杂质元素不均匀分布导致铸锭布氏硬度分散。试锭四个层面平均硬度值最大达到13，0 A级到3 级特级品中的H差值小,0 级到1级差值为1。6 个试锭中测得同批海绵钛产品中4个试锭4层面硬度值跨越2 级，1个试锭硬度值稳定。表3 海绵钛的化学成分及布氏硬度值。5结语硬度测量是工业生产中具有严重意义，布氏硬度山西冶金102E-mail:第46 卷表16个试锭不同层面硬度平均值表试锭He1试锭A102试锭B104试锭C110试锭D118试E106试锭F106产品等级产品牌号w(Ti)/%0A级MHT-950级MHT-1001级MHT-1102级MHT-1253级MHT-1404级MHT-1605级MHT-200是硬度检测中反映真实硬度的测量方式，布氏硬度测量手段较为成熟。硬度实验在保证产品质量中起到重要的作用，硬度实验应用普遍成为检验产品质量的重要手段，在机械制造等行业从生产到科研等硬度试验是重要的手段。目前世界上主要产钛国家对海绵钛标准将布氏硬度作为确定质量的重要指标,本文研究测试锭F单一选择任意层面布氏硬度值，同批试锭出现不同状况导致增加特级品评定不确定性；接近海绵钛的真值满足海绵钛用户的要求。建议在海绵钛特级产品布氏硬度测量中对同批试锭进行任意三个层面以上测量取平均值。Discussion on the Correctness of Brinell Hardness Measurement Method for Sponge TitaniumAbstract:This study introduces the principle of Brinell hardness measurement methods,analyzes the factors affecting the accuracy of Brinellhardness measurement,and conducts Brinell hardness measurements on different layers of the same batch of samples according to thecurrent standard GB/T 2524-2002.The correctness of the Brinell hardness measurement method for sponge titanium special grade productsis discussed,and rationalization suggestions for the correctness of the Brinell hardness measurement method for sponge titanium special gradeproducts are proposed.Key words:sponge titanium;special grade products;Brinell hardness measurement method;correctness表2试锭不同层面级别表HB2HB397.710099.1102116.0106123.0119113.010899.011299.899.799.699.599.399.198.5(Guizhou Zunyi(Group)Co.,Ltd.,Zunyi Guizhou 563004,China)Ha494.4104.0106.0124.0108.0101.0w(Fe)/%0.040.050.080.120.200.300.40HB总HB最大-最小98.57.6102.04.9110.010.0121.06.0109.08.0105.013.0表3海绵钛的化学成分及布氏硬度值w(si)/%w(cl)/%0.010.060.020.060.020.080.030.100.030.150.040.150.060.301刘伟，周原，左欣欣，等.关于布氏硬度计算公式的探讨及相关理论分析 J.中国仪器仪表,2 0 2 2（3)：7 0-7 2.2巫红霞.基于机器视觉方法的便携式布氏硬度测量 J.数字技术与应用,2 0 2 1,3 9(8)：8 4-8 6.3宋月，孙晓冉，赵中昱，等.金属材料新旧布氏硬度国标的测量不确定度评定对比 J.理化检验（物理分册）,2 0 2 1,57(2)：41-44.4黄莉.影响布氏硬度计准确度测量的因素及排除方法 J.黑龙江科技信息，2 0 17(10）：7 9.5 苏丽凤，武晶晶，李荣.海绵钛特级品布氏硬度测量方法正确性的探讨 J世界有色金属，2 0 16(19)：43-44.6黄永昌，黄卫，赵飞宇，等.高分辨率布氏压痕图像光学测量方法研究 J.中国计量，2 0 16(2)：9 0-9 2.(编辑：苗运平）Special Grade ProductsLiu Hao试锭第一层面第二层面第三层面下表面平均值试锭A1级试锭B1级试锭C1级试锭D2级试锭E1级试锭F1级w(c)/%W(N）/%0.010.010.010.010.020.020.030.030.030.040.040.050.050.100级0级2级2级2级0级w(o)/%0.050.060.080.100.150.200.30参考文献1级1级1级2级1级2级w(Mn)/%0.010.010.010.010.020.030.080级1级1级2级1级1级w(Mg)/%0.010.020.030.040.060.090.0150级1级1级2级1级1级欢迎投稿欢迎订阅联系电话：[phone]电子邮箱：