冶金轧辊肖氏硬度与里氏硬度对照关系的研究

·冶金轧辊肖氏硬度与里氏硬度对照关系的研究杨金刚1,3，王春祥2（1.中钢集团邢台机械轧辊有限公司技术中心邢台054000；2.邢台轧辊小冷辊有限公司邢台054000；3.轧辊复合材料国家重点实验室邢台054000）摘要：采用HSC、HSD、HLD、HLE四种回弹式硬度计同时在轧辊本体的相同位置上进行现场硬度测试。将大量的测试数据经数理统计和函数拟合，得到锻造冷轧辊、离心铸造的高铬钢、高铬铁、高速钢、高镍铬等材质轧辊的硬度对照表。关键词：轧辊；肖氏硬度；里氏硬度前言轧辊的硬度是评价轧辊质量的一个十分重要的指标，轧辊硬度的高低和均匀性决定了轧辊的损耗和轧材表面尺寸和形貌的好坏。因此无论轧辊制作厂家和轧辊使用厂家对轧辊的硬度都非常关心。由于绝大多数轧辊属于大型的铸锻件，很难采用常规的台式的静态压入式的布氏、洛氏、维氏硬度计进行检测。通常采用便携的动态回弹式的肖氏硬度计和里氏硬度计进行检测。最初轧辊普遍采用肖氏硬度计进行检测，轧辊的硬度要求多以HSD和HSC为主。随着技术进步和发展，目前绝大多数厂家，尤其是轧辊用户改用对人员操作技能要求不高的里氏硬度计进行检测。由于历史沿革，轧辊的技术条件中以HSD和HSC为硬度指标的仍占相当比例。这就涉及到里氏硬度和肖氏硬度之间的转化问题。由于中国、欧美、日本的肖氏硬度计的技术参数和量值溯源体系有差异（见表1），导致不同厂家的里氏硬度计中内置的HL-HS硬度换算表有明显差异。而且不同轧辊制造厂家也有自己不同与其他家的硬度对照表，对轧辊制作者和轧辊使用者都造成较大的困扰。表1肖氏硬度计C、D型技术参数项目HSCHSD冲头的质量/g2.5±0.3（2.3±0.5）36.2±0.5（36.0±2.0）冲头的顶端球面半径/mm1±0.11±0.1冲头的直径/mm5.94±0.017.94±0.02冲头的长度/mm21192.7（101.33-104.10）冲头下落高度h1/mm254（251.2）19.0±0.5（17.9）100HS的高度h2/mm165.113.57冲击能量/gf.mm635（578）688（644）冲击速度/m.s-12.23（2.22）0.61（0.59）冲击的反弹性比和硬度值的关系注：括号内为ASTME448中规定的肖氏硬度计技术参数，括号外为我国GB/T4341）和日本(JISB7727)肖氏硬度计的技术参数基于上述原因，我们决定在轧辊本体上采用HSC、HSD、HLD、HLE四种硬度计进行大量的测试，在大数据的基础上进行统计分析，得到不同轧辊材质的硬度对照表。试验条件硬度计：基于我公司多年检测经验，选用硬度示值误差小、重复性、再现性好的品牌硬度计进行测试。此项共工作共选用四台HSD、二台HSC、二台HLD、二台HLE硬度计，所选硬度计均按照JJG747里氏硬度计检定规程和JJG346肖氏硬度计检定规程，进行检定，检定合格后方可进行硬度检测（见表2）。表2测试用硬度计使用的硬度计硬度计生产厂家规格型号编号HSD日本仲井1009020192HSD日本三丰1000111057121HSC日本1880320036HLD北京福赛特HL--30031230512013123051200HLE北京福赛特HL--3003122010900瑞士PROCEQEQUOTIP29230884标块：JJG747里氏硬度计检定规程规定里氏块的均匀度是以在检定条件不变的情况下，用硬度计量工作基准机（维氏硬度）在里氏块工作表面上不同位置测量，并换算成里氏硬度的最大值与最小值之差表示，其均匀度不应大于9HL。JJG347标准肖氏硬度块检定规程规定硬度块的均匀度，将硬度块放在肖氏硬度计量基准器具的试台上，然后压紧硬度块，压紧力为290～300N，硬度块检定点数为9点，且均匀发布。两相邻压痕中心距应不小于2mm，压痕中心至硬度块边缘的距离不小于4mm。9点中的最大值与最小值之差为硬度块的均匀度，应符合硬度范围:>75HSD时≤1.5HSD≤75HSD时≤1.2HSD硬度标块按照JJG747里氏硬度计检定规程和JJG347标准肖氏硬度块检定规程进行检定合格后方可使用。本课题采用的标准硬度块，其生产厂家为南昌况氏硬度块制造有限公司，检定单位分别为国防科技工业3612二级计量站（标准里氏硬度块）和中国测试技术研究院。对于普通铸钢辊、铸铁辊及里氏750度以下的锻钢辊，硬度计的检定采用国家检定规程，硬度块的均匀性控制在9HL以内，对于750HL以上的锻钢工作辊，尤其是里氏硬度误差要求范围在20HL以下的轧辊，检定硬度计时硬度块均匀性控制在5HL以内。轧辊表面制备肖氏和里氏硬度检测对样品表面粗糙度Ra的要求：HL为≤1.6μm；HS＜50时为≤1.6μm；HS≥50时为≤0.8μm；测试工作均在成品辊上检测，其磨削后的表面粗糙度控制在0.4-0.6μm之间，无需再行磨削，检测前对对检测区域去污清洁。试验方法试验程序检测前用与轧辊硬度相近的标准硬度块对硬度计进行校准，检测5点，求平均值。平均值减去标块标称值即为硬度计误差，硬度计在允差范围内方可进行检测。硬度计校准完毕，在轧辊上同一点依次用四种硬度计进行硬度检测，HSD和HSC硬度计固定到圆柱面测量支架上进行检测，确保检测时的稳定。每种硬度检测五点，求取平均值，该平均值减去硬度计误差，即认为真实值。每支轧辊辊身检测4条母线，辊颈检测两条母线；辊身每条母线检测5点，辊颈两端每条母线各检测两点。将每一点的四个硬度检测值与检测日期、制修号类别代码、材质等信息录入到数据库中。便于分类统计。数据统计硬度比对检测中，受表面粗糙度、测试倾斜度、冷加工工艺、材料组织均匀度等影响，同一材质相同的硬度，在测试其四种硬度时，对应的不是单一的值，而是一个区间。因为每间隔一个HS硬度值，对应4到7个HL硬度区间，所以决定以最常用的HSD为基准，对测试的海量数据进行统计分析，找出每个HSD硬度值对应其它三种硬度的区间范围。设定HSD值，选择时间、材质、制修号类别代码等检索条件，从符合检索条件的数据库中查找等于设定HSD值的记录，并对出现的每一个HLD、HLE、HSC进行计数。这样，就将该点HSD硬度对应的HLD、HLE、HSC硬度范围和频次统计了出来。以冷轧辊Cr3材质的HSD93为例，对应其它三种硬度的分布如表3，从中可看出对应出现频次最高的其它三种硬度值。表3冷轧辊Cr3材质的HSD93对应HLD、HLE、HSC硬度分布表序号HLDHLEHSC序号HLDHLEHSC硬度值计数硬度值计数硬度值计数硬度值计数硬度值计数硬度值计数1818179819012485590822532819179919131525856368235938301800391.51026857348243948311801291.712785818825565832180269274428859158262768333803892.52929860318273078342804492.6130861188282288352805392.813186221829179836680619362328631483029108378807293.5233864483122118385808294434865383238128401810394.41358663833211384218113368672834151484568126378683835515846381310388691836316847108146398701837417848981528408791838418849148163141840219850468171194284112085111681813343842121852218819131448511228532538201384585212385416582174单点硬度对照最佳值的确定当数据点足够多时，在各种测量不确定因素的综合作用下，硬度分布出现明显峰值，它属于明显的正态分布，采用高斯函数拟合能得到很好的拟合效果。当数据点较少时，硬度分布无明显峰值存在，采用平均值计算。无论高斯函数拟合还是计算平均值，均需在计算前将诸如录入错误造成的异常的离群数据剔除。高斯函数的表达式为：（1）当x=xc时，（2）（3）σ=w/2式中：ｘ－HSC、HLD、HLE硬度值y－HSC、HLD、HLE硬度值出现的频次FWHM－硬度分布高斯峰的半高宽w－2σ高斯分布的2倍标准差当x=xc时，y即为峰值。函数拟合后的xC值即为该点HSD对应的HSC、HLD、HLE最佳硬度值。图1是对表3中的HLD、HLE数据进行的高斯函数拟合，得到对应的xC和σ值。HSC计算平均值和标准偏差（表4）(a)HLD硬度分布(b)HLE硬度分布图1冷轧辊Cr3材质的HSD93对应HLD、HLE硬度分布图表4冷轧辊Cr3材质的HSD93对应HLD、HLE、HSC硬度最佳值HSDHSCHLDHLE最佳值标准偏差最佳值标准偏差最佳值标准偏差9391.80.56852.81.47819.12.21硬度比对曲线拟合针对锻造冷轧辊、离心铸造的高镍铬、高铬钢、高铬铁、高速钢等五大类材质轧辊，在轧辊出现的整个硬度范围，按前述方法逐一计算出四种硬度的最佳对应值（表5），绘制硬度比对曲线（图2）。整个曲线并非线性，且有个别点有明显起伏。结合各材质的样本数量分布表（表6），明显起伏点的样本数据较少。硬度分布未出现明显峰值，拟合误差较大。因此需要对该曲线进行进一步拟合，，得到平滑比对曲线和相应的换算公式，以便将之固化到硬度计，用于不同硬度之间的换算。经尝试，采用expdec1函数（y=A1*exp(-x/t1)+y0）对该组曲线进行拟合，可获得较好的拟合效果。图3是冷轧辊采用expdec1函数拟合的曲线及残差。除去低值和高值的个别点外，拟合残差均很小。表5五种材质逐点拟合的硬度对照表（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逐点拟合硬度对照曲线(b)HSD-HSC逐点拟合硬度对照曲线局部(c)HSD-HLD逐点拟合硬度对照曲线(d)HSD-HLE逐点拟合硬度对照曲线图2五种材质逐点拟合的硬度对照曲线(b)(c)(d)图3expdec1函数拟合冷轧辊硬度对照曲线及拟合余差（a）拟合曲线；（b）HSD－HSC拟合余差；(c)HSD－HLD拟合余差；(d)HSD－HLE拟合余差表6五种材质硬度检测样本数量分布表LZGGLGGLTGNLGSGHSD数量HSD数量HSD数量HSD数量HSD数量HSD数量3588048729130430230136168143630332243212322937218248032223335333833938166833373322343134213412391398424634193520535398354640837851113572361263631136164148286263642371743748737284292587637613821338631382843123788373849391103932339444734894839254031140826402845157690154407941644127541746735913024111421584251542647665928294219431094332543848619931855431444394412044549277942422445457145135455502779520714518461146746251140961013473471547144715226297620725487483773531699840073134916227845494992387422663631794551761001437539675641808565310133766868106518112571001021177966914662823358130103478120702467683615961799771186827846860154807372456940855561508125737070748626627882197412971728710635483275221728188864357628873928936539773267413166107832375206671779232761976810801887733269681817858970188270797427168336808907211843281622732485148266974298638333875328718420476408592776486297820187579308881结果与分析表7和表8分别为经过EXPDEC1拟合得到的锻造冷轧辊和离心铸造高铬钢、高铬铁、高速钢、高镍铬轧辊的硬度对照表的部分数据。表7锻造冷轧辊expdec1拟合的硬度归纳表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离心铸造轧辊expdec1拟合的硬度归纳表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：斜体字对应的是辊颈硬度将高铬钢、高铬铁、高速钢、高镍铬四种离心辊材质的HSD-HLD对照表与GB/T13313-2008中铸铁轧辊的HSD-HLD对照表进行比对分析，会发现差异很小，绝大部分的差异在2HLD以内，只有个别点为3HLD，对应HSD的差异均小于0.5个单位。从上面表7-2中也可以看出，四种离心辊硬度比对的整体差异很小，可以合并后进行统计分析，做出一个离心轧辊比对表。表9新旧铸铁轧辊部分HSD-HLD硬度比对表GLGGLTGSGGNL铸铁轧辊GLGGLTGSGGNL铸铁轧辊GB13313GB13313HSDHLDHSDHLD314834814844814844356957056857057032491489491489491445765775755775783349849749849749845583584582583585345065045055045054658959058859059235513512513512512475965975955975993652051952051951977772773771772771375275275275275267877777877677777638534534534534533797827837817827813954154154154154080787788787787786405485495485495478179279379279279141555556555556554827977987977977964256256356156356283802802802802801将冷轧辊HSD-HLD对照表与GB/T13313-2008中锻钢轧辊的HSD-HLD对照表进行比对分析，可以发现，绝大多数点的差异均在1HLD以内，最大差异为2HLD。对应HSD为0.125～0.4个单位之间，说明前后检测的稳定性及重现性很好。二者的差异主要归结于单点硬度比对最佳值的计算以及硬度曲线数据归纳采用函数不同造成的。表10新旧锻钢轧辊HSD-HLD硬度比对表LZGHSDGB13313

HLD新拟合

HLDHSDGB13313

HLD新拟合

HLDHSDGB13313

HLD新拟合

HLDHSDGB13313

HLD新拟合

HLD35517519536406397174274389835834365255265464664572747748908398383753253355653651737537