关于ISO 18203∶2016(E)《钢-表面硬化层深度的测定》的解读.pdf

第 42 卷 第 8 期 2017 年8 月 HEAT TREATMENT OF METALS Vol 42 No 8 August 2017 标准化 关于 ISO 182032016(E) 钢表面硬化层深度的测定的解读 任颂赞1, 李 俏2, 于 晖1, 许 雯1 (1. 上海轨道交通检测技术有限公司, 上海 200070; 2. 北京机电研究所, 北京 100083) 摘要:介绍了 ISO 182032016(E)钢表面硬化层深度的测定编制背景,对标准的主要内容,表面硬化层分类及意义、测定原理、 试样、测量方法、结果评价等进行解读,分析了该标准与被替代的 ISO 26392002、ISO 37541976 和 ISO 49701979 等三标准的差异, 以及与 GB/ T 113542005钢铁零件 渗氮层深度测定和金相组织检验在渗氮硬化层测定方面的差异。 关键词:国际标准;表面硬化层;硬化层深度;硬度试验法;金相法 中图分类号:TG132. 271 文献标志码:A 文章编号:0254-6051(2017)08-0223-05 Interpretation of ISO 182032016(E) Steeldetermination of the thickness of surface-hardened layers Ren Songzan1, Li Qiao2, Yu Hui1, Xu Wen1 (1. Shanghai Railway Certification Co. , Ltd. , Shanghai 200070, China; 2. Beijing Research Institute of Mechanical surface-hardened layer; hardened layer thickness; hardness testing method; microscopic method 收稿日期:2017-06-01 作者简介:任颂赞(1948),男,研究员,主要从事金属材料及工艺分 析、失效分析工作。 E-mail:zdrtest126. com DOI:10.13251/ j. issn. 0254-6051.2017.08.050 1 ISO 182032016(E)编制背景 ISO 18203 2016(E)钢表面硬化层深度的测 定是由国际标准化组织(ISO)2013 年立项,经起草并 多次征求意见及修改,历时 4 年,于 2016 年 12 月发布 实施。 参与该标准制定的国家除中国外,还有美国、德 国、法国、日本、韩国、伊朗等国家。 关于钢的硬化层测定大家知道已有 3 个国际标 准,制定 ISO 18203 的目的,按该标准引言中所说,“由 于这些标准采用的测量原理几乎相同,因此通过整合 这 3 个标准,可以方便维护标准并可方便地应用标 准”。 由此,新标准在前言中明确,ISO 18203 将取消 并 替 代 ISO 2639 2002 SteelsDetermination and verification of the depth of carburized and hardened cases、ISO 37541976 SteelDetermination of effective depth of hardening after flame or induction hardening和 ISO 49701979Measurement of total or effective thickness of thin surface-hardened layers in steel。 实际上,该标准不仅仅涵盖上述三标准内容,还进 一步扩大,包括了由热处理(火焰淬火、感应淬火、激 光淬火、电子束淬火等)或化学热处理(渗碳淬火、碳 氮共渗淬火、渗氮等),以及机械方法(如喷丸、喷砂 等)获得的硬化层深度或化合物层厚度。 可见,本标 准测定的不仅是硬化层,还有化合物层,所使用方法也 不仅是硬度法,还有金相法。 因此,该标准还参照了 ISO 14632004金属和氧化物覆盖层覆盖层厚度的 测量、DIN 30902钢件渗氮及氮碳共渗化合物层中 疏松深度的金相测定等技术资料的内容。 标准的引 言中还申明,该标准不包括估算不确定度的方法,在以 后修订中可能会考虑增加这方面内容。 2 ISO 182032016(E)标准结构 ISO 182032016(E)标准除前言和引言外,由 10 章和 2 个附录构成,它们是:范围;规范性引用文件;术 语和定义;符号、缩写与定义;原理;试验设备;试样;测 量方法;结果评价;试验报告;规范性附录(用内插法 测定硬化层深度)和资料性附录(化合物层厚度)。 224 第 42 卷 3 对表面硬化层的分类及定义 ISO 18203 将表面硬化层深度分为以下 5 类: 1) 渗 碳 硬 化 层 深 度 ( Case hardening depth, CHD):从零件表面到硬度值为 550 HV 处的垂直距 离,该硬度值用 ISO 6507-1 维氏试验方法或 ISO 4545-1 努氏硬度试验方法得到。 其中, 此硬化层通常指渗 碳淬火或碳氮共渗淬火后的硬化层; 适用条件:距 表面3 倍于淬硬层深度处硬度值小于或等于450 HV 的 钢件。 若高于,则经协议双方同意后采用比 550 HV 大的界限值,以 25 硬度单位为步进段确定相应的界 限值。 2) 表面硬化层深度 ( Surface hardening depth, SHD):从零件表面到维氏硬度值等于界限硬度的垂直 距离。 其中, 界限硬度(Hlimit)为零件表面最低硬 度的函数:Hlimit(HV) = A 表面最低硬度(HV)(A 通常为 0. 8,也可协商运用其它数值)。 该标准也列出 了推荐的界限硬度值供选用,见表1。 适用范围:适 用于经表面淬火后的零件,同时在离表面 3 倍 SHD 处 的硬度必须低于(界限硬度 - 100)HV。 若不满足该 条件,需经协议双方商定。 表 1 推荐的表面硬化深度的界限值 Table 1 Recommended hardness limit values of SHD 表面最低硬度/ HV界限硬度/ HV 300 330250 335 355275 360 385300 390 420325 425 455350 460 480375 485 515400 520 545425 550 575450 580 605475 610 635500 640 665525 670 705550 710 730575 735 765600 770 795625 800 835650 840 865675 3) 化 合 物 层 厚 度 ( Compound layer thickness, CLT):在化学热处理中形成,由基体元素及处理时引 入元素组成的表面化合物层的厚度。 4) 渗氮硬化层深度 (Nitriding hardness depth, NHD):从渗氮层表面至比心部硬度高出 50 HV 处的 垂直距离。 其中心部硬度至少测 3 点,其平均值的有 效数保留至十位数。 5) 总表面硬化层厚度(Total thickness of surface hardening depth, THD):从被测表面至与基体硬度相 同的区域的垂直距离。 总表面硬化层厚度也常用金相 法测定,但金相法测得的深度不等同于硬度法测得的 深度。 4 标准中所用符号、缩写的定义 ISO 18203 标准中,把所用“符号、缩写及定义”进 行了归纳,见表 2。 表 2 符号、缩写和定义 Table 2 Symbols, abbreviations and designations 符号/ 缩写单位定义 dimm从表面到各压痕中心的距离 dmm两相邻压痕中心的距离 CHDmm渗碳硬化层深度 SHDmm表面硬化层深度 CLTmm化合物层厚度 NHDmm渗氮硬化层深度 THDmm总表面硬化层厚度 HlimitHV界限硬度 5 测定原则及装置 从标准中对硬化层的分类及定义可知,测定硬化 层时不仅可以用硬度法,还可以用金相法。 5. 1 原则 1) 渗碳硬化层深度、表面硬化层深度和渗氮硬化 层深度根据在横截面上垂直于试样表面的硬度梯度来 确定; 2) 通过绘制出从零件表面开始硬度值随距离而 变化的函数曲线,用图解法在曲线上求出; 3) 总表面硬化层厚度是通过用显微镜观察组织 的变化或通过测量硬度的变化来确定; 4) 化合物层厚度是通过金相法测定化合物层而 获得。 5. 2 装置 硬度法测定通常采用维氏硬度计,在协议双方同 第 8 期任颂赞,等:关于 ISO 182032016(E)钢表面硬化层深度的测定的解读 225 意条件下也可用努氏硬度计。 金相法测定时,ISO 18203 推荐使用硬化层厚度占 1/3 至 2/3 视场的金相 显微镜。 6 试样面的选择和制备 测试截面应垂直于零件的纵轴,若零件没有纵轴, 应取协议双方同意位置的垂直于表面的截面。 对于薄层硬化层,可采用斜试样,见图 1 所示。 若 确定表面硬化层深度的界限时还可使用台阶试样。 台 阶试样各台阶高度为 0. 05 mm 或 0. 10 mm,其表面及 各台阶面必须研磨加工,见图 2 所示。 图 1 斜试样示意图 Fig. 1 Oblique section 图 2 台阶试样示意图 Fig. 2 Stepped test piece 对于试样的制备,标准列出了金相试样制备的常 规要求。 要求镶嵌,以保护试样表层边缘不被倒角。 要求正常侵蚀,以用于金相法检测,或用于硬度法时对 硬度层分布的了解。 但硬度测定时,推荐在抛光态下 进行。 7 测量及评定 7. 1 硬度法测量 测量是在经协议双方同意后的两个或以上部位进 行,每个部位测定结果都应绘制一条相对于表面距离 的硬度变化曲线。 维氏硬度或努氏硬度试验力的适用范围可为 0. 9807 9. 807 N。 硬度测量示意图见图 3,在宽度 W 为 1. 5 mm 范 围内,在与表面垂直的一条或多条平行线上测定维氏 硬度。 这些平行线之间的距离应符合维氏硬度测试标 准要求。 每两相邻压痕之间的距离(d)应不小于压 痕对角线的 3 倍。 逐次相邻压痕中心至表面的距离差 (d2- d1)不应该超过 0. 1 mm。 测量压痕中心至表面 的距离精度应在 25 m 的范围内。 图 3 硬度压痕的位置 Fig. 3 Position of hardness impressions 距表面第一个压痕(d1)的中心至表面距离至少 应为维氏硬度压痕对角线的 2. 5 倍。 根据测得的数据,可绘制出图 4 曲线,并根据对各 类硬化层深度的定义,可求得相应的硬化层深度。 图 4 确定硬化层深度的硬度梯度曲线 Fig. 4 Hardness profile for determining the hardening depth 若渗碳层深度已大致确定,可用下述内插法测定 硬化层深度。 因为在该标准定义的硬化层深度附近的 过渡区,硬度梯度可近似用直线表示。 在零件的某一 垂直截面上,距零件表面 d1和 d2的位置上至少各打5 个硬度压痕,而且 d1和 d2分别小于和大于确定的硬 化层深度,(d2- d1)值应不超过 0. 3 mm。 由测得值可 得图 5 曲 线, 并 由 以 下 公 式 得 到 渗 碳 硬 化 层 深 度 CHD: CHD = d1+ (d2- d1)(H1-550) H1- H2 (1) 式中:H1、H2分别是 d1和 d2处的硬度测量值的 算术平均值(见图 5)。 7. 2 金相法 使用适合的侵蚀剂以显示和区分不同的组织来检 验零件硬化层厚度。 使用较低倍率以显示均匀的整个 总表面硬化层厚度。 若总表面硬化层厚度不均匀,测 量总表面硬化层厚度的最小值和最大值。 若总表面硬 226 第 42 卷 图 5 用内插法测定淬硬层深度 Fig. 5 Interpolation method for determining the case hardening depth 化层厚度分布均匀,至少取 5 个值(彼此隔开)的平均 值作为总表面硬化层厚度平均值。 标准推荐在 5 mm 范围内测量 10 个值的平均值 作为化合物层厚度。 7. 3 测定结果的表示方法 1) 渗碳硬化层深度 CHD CHD = mm(界限硬度值为 550 HV); CHD600HV1 = mm(界限硬度值为 600 HV,载 荷为 1 kgf); CHDHK0. 3 = mm(界限硬度值为 550 HV,载荷 为 0. 3 kgf)。 2) 表面硬化层深度 SHD SHD450 = mm(界限硬度值为 450 HV,载荷为 1 kgf); SHD450HV1 = mm(界限硬度值为 450 HV,载 荷为 1 kgf)。 3) 渗氮硬化层深度 NHD NHD400HV0. 3 = mm(心部硬度为 350 HV,载 荷为 0. 3 kgf); NHD300HK = mm(心部硬度为 250 HK,用 HK 测量)。 4) 总表面硬化层厚度 THD THD = mm 5) 化合物厚度 CLT CLT = m 8 相关条款与 ISO 2639 的差异 ISO 18203 2016 中 定 义 的 渗 碳 硬 化 层 深 度 (CHD)相关条款的内容基本对应于 ISO 26392002 的 内容,其中缩写符号 CHD、适用条件、测试方法等基本 一致,但也有以下两方面的差异。 1) 渗碳硬化层的界限硬度值表述的差异 ISO 182032016 中将渗碳硬化层的界限硬度值描 述为 550 HV,而 ISO 26392002 中描述为 550 HV1,即 特别指定 9. 8 N(1 kgf)载荷下的维氏硬度。 2) 测量精度要求及结果处理差异见表 3。 表 3 ISO 182032016 相关系数与 ISO 26392002 部分差异 Table 3 Difference between ISO 182032016 and ISO 26392002 项目ISO 26392002ISO 182032016 与表面垂直的测 量线间距 未提 应符合 ISO 6507-1 规定 的压痕间距(维氏硬度 试验方法) 压痕测量精度0.5 m 符合 ISO 6507-2(维氏 硬度计检验和校准) 两条梯度曲线所 得 CHD 的处理 当二者差0. 1 mm 时取平均值,否则重 复试验 未提 9 相关条款与 ISO 3754 的差异 ISO 182032016 标准中的表面硬化层深度(SHD) 相关条款的内容基本涵盖了 ISO 37541976 的内容,但 不完全对应,差异之处见表 4。 表 4 ISO 182032016 相关条款与 ISO 37541976 的主要差异 Table 4 Main difference between ISO 182032016 and ISO 37541976 项目ISO 37541976ISO 182032016 缩写符号 DS SHD 适用范围 火焰淬火或感应 淬火后,其硬化层 深度大于 0.3 mm 经表面淬火后的零件(不仅 火焰、感应淬火,还可经电 子束、激光等淬火) 界限硬度值 界限硬度(HV) = 0.8 表面最低硬 度(HV) 界限硬度(HV) = A 表面 最低硬度(HV) A 通常为0. 8,也可用其它数 值(表 2 为推荐界限硬度 值) 距表第一个压痕 中心距表面距离 距离为 0. 15 mm至少为压痕对角线的 2. 5 倍 逐次相邻压痕 中心至表面距 离差(d2- d1) 每次增加 0.1 mm 不应超过 0. 1,测量精度应 在 25 m 内 硬度类型选择 维氏,经协议可也 可用表面洛氏 维氏或努氏 10 相关条款与 ISO 4970 的差异 ISO 182032016 中“总表面硬化层深度(THD)” 第 8 期任颂赞,等:关于 ISO 182032016(E)钢表面硬化层深度的测定的解读 227 等条款内容基本涵盖了 ISO 49701979钢的薄表面总 硬化层深度或有效硬化层深度的测定 的大部分内 容。 两标准的差异较多,见表 5。 表 5 ISO 182032016 与 ISO 49701979 主要差异 Table 5 Main difference between ISO 182032016 and ISO 49701979 项目ISO 49701979ISO 182032016 范围及 定义 表面总硬化层深度或有 效硬化层深度小于或等 于 0.3 mm 零件,不适用 于无过渡区零件 不设相应规定 表面总硬化层深度 等 同 于: 总 表 面 硬 化 层 厚 (THD) 有效硬化层深度 等 同 于: 渗 碳 硬 化 层 深 度 (CHD)、 表 面 硬 化 层 深 度 (SHD) 试样形式 选择 垂直于零件纵轴的截 面试样; 纵截面试样; 台阶试样;截面或有 槽斜截面试样。 不采用纵截面试样及带槽斜 截面试样;其它形式试样与 ISO 4970 相同 11 与 GB/ T 113542005 的差异 ISO 182032016 中“渗氮硬化层深度(NHD)”条 款内容可对应于 GB/ T 11354-2005钢铁零件 渗氮层 深度测定和金相组织检验中“硬度法测定渗氮层深 度” 的内容,但两者规定内容有较大差异,见表 6 所示。 12 结语 1) ISO 182032016(E)国际标准于 2016 年 12 月 发布,同时取消并替代了前文所提及的三项国际标准。 为保证所应用标准的时效性及有效性,在短期内及时 完成上述新老标准的交替、衔接十分重要。 本文根据 目前的理解水平对新标准进行解读、梳理并列出新老 标准间的差异,希望能对新老标准的替代工作有所 帮助。 2) 该新标准从硬化层的分类、定义,直至具体测 定方法,要求既具科学性、完整性,又具适用性及可操 作性,需要一个不断修正、不断发展的过程。 该标准的 制定经历四年时间就是一个例证。 然而,在该新标准 发布后的实施过程中必然还会发现许多不尽人意、值 得商榷改进之处。 由此建议,有关部门可根据自己产 品实际状况,对标准中不尽严密之处,可补充相应规定 表 6 ISO 182032016 与 GB/ T 11354-2005 在渗氮 硬化层测定方面差异 Table 6 Difference between ISO 182032016 and GB/ T 11354-2005 项目GB/ T 11354-2005ISO 182032016 符号/ 缩写DNNHD 定义 从试样表面测至比基体维氏 硬度值高 50 HV 处的垂直距 离为渗氮层深度。 对于渗氮 层硬度变化很平缓的钢件(如 碳钢或低碳低合金钢制件), 其渗氮层深度可从试样表面 沿垂直方向测至比基体维氏 硬度值高 30 HV 处。 从渗氮层表面至比心 部基体硬度高出 50HV 处的垂直距离(也可用 HK 测定) 硬度 测试 载荷 规定 2. 94 N(0. 3kgf)可协商 采用 1. 96N(0. 2kgf) 19. 6N (2kgf)