轴承钢球球面硬度修正值的验证及分析

朱一伟，李红涛，王智勇 ，叶健熠 ， 祝道明

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.高性能轴承数字化设计国家国际科技合作基地，河南 洛阳 471039；3.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；4.空军装备部驻洛阳地区第二军事代表室，河南 洛阳 471009)

0 引言

硬度是材料力学性能试验中常用的性能指标之一，硬度试验则是力学性能试验中最为简单和迅速的方法。硬度的定义是材料在一定条件下抵抗另一种本身不会发生残余变形的物体压入的能力，因此就被测材料而言，硬度代表在一定压头和试验力下所反映出的材料的弹性、塑性、强度、韧性以及耐磨性等一系列物理性能的综合指标[1-3]。常用的硬度试验方法有压入法(洛氏硬度、 布氏硬度、维氏硬度)和回跳法(里氏硬度、肖氏硬度)等，只有根据被测零件的材料种类和大致硬度值选择合适的试验方法和试验条件，对试验结果进行正确处理并分析影响硬度试验结果的主要因素，才能大大提高硬度测试的准确性，保证检测数据的真实性和有效性。

目前，企业在生产实践中对淬回火工件的硬度检验使用最多和最方便的是洛氏硬度试验法，以判断其硬度是否满足标准规定或图纸要求。

钢球是轴承的重要零件，其硬度是必检项目，也是判定钢球是否合格的重要依据。GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准[4]附录F(规范性附录)中给出了凸球面上试验C标尺洛氏硬度修正值，其中包括2个重要信息：其一是直径为4～25 mm的钢球表面洛氏硬度与表面修正值对应关系表；其二是给出了“在凸球面上试验C标尺洛氏硬度修正值”ΔH的计算公式，即

ΔH=59×(1-H/160)2/Dw，

(1)

式中：H为球面上的洛氏硬度值；Dw为钢球直径，mm。也就是说，通过上述球面修正值计算公式，可快速计算出需要的修正值。

目前，轴承行业常用的高碳铬轴承钢、高碳铬不锈轴承钢及高温轴承钢的热检标准[5-7]对成品钢球硬度检测时使用的钢球表面硬度修正值是在标准制定初期试验结果整理汇总的结果(钢球直径范围为4.762 5～15.875 0 mm)。随着标准版本的更新，修正值一直沿用旧标准，没有改变。由于轴承行业标准给定的钢球尺寸受直径范围及修正值精度的限制，使得在检测成品钢球硬度时，即使加上修正值也往往造成硬度值偏离“真值”，并会引发一些争议。

本文以非强化全淬透成品钢球洛氏硬度试验为例，对钢球球面硬度(加修正值)与平面硬度(钢球磨平)进行了对比，试验验证其修正公式的准确性；对目前所使用的轴承行业标准中关于成品钢球硬度修正值[5]进行了对比分析，从中发现行业标准中给出的钢球修正值的不足。

1 洛氏硬度试验原理及表示方法

洛氏硬度试验原理为在初始试验力及总试验力的先后作用下，将压头(金刚石圆锥、钢球或硬质合金)压入试样表面，保持规定时间后，卸除主试验力，测量在初始试验力下的残余压痕深度并计算硬度值。GB/T 230.1—2018规定，洛氏硬度用符号HR表示，符号HR前面为硬度值，后面为使用标尺，如60 HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。

材料的硬度都是以平面为基准测量的。经过大量的试验发现，在不同凸球面试样上测量的洛氏硬度值均比在相同材料平面试样上测得的低，并且对于相同硬度的凸球面试样，凸球面直径越小，对于相同的压入深度，凸球面上压痕周围所缺少的体积比平面试样的越多，其变形抗力越小，反映出的硬度值越低；对于同一直径的凸球面试样，在高硬度下与平面零件洛氏硬度的差值要比低硬度下的小。因此，凸球面试样(钢球球面硬度)与平面试样(钢球磨平面硬度)的洛氏硬度之差只与凸球面直径、洛氏硬度值高低有关，而与材料无关。在凸球面试样硬度试验时，必须对凸球面试样的测试值进行修正。因此，国标给出了钢球试样修正值的计算公式((1)式)。

2 成品钢球材料、直径及硬度试验结果

测试验证的成品钢球材料有3种，分别为GCr15，G95Cr18，8Cr4Mo4V。在同种材料制造的同批淬回火态的钢球中随机选取3个直径，用HR-150A型号的洛氏硬度计测钢球的球面硬度，再加上按公式计算的修正值，即为钢球的实际硬度；把钢球磨制出2个相互平行的平面，使其类似腰鼓形状测试平面硬度；对比2个硬度值，以验证所测钢球硬度的准确性。试验方法如图1所示，试验结果见表1。

图1 钢球球面硬度与平面硬度测试示意图Fig.1 Diagram of spherical hardness and plane hardness tests of steel balls

由表1可知：1)实测球面硬度加上按公式计算的修正值所得的钢球硬度与所测钢球的平面硬度基本一致，误差为0.06～0.40 HRC；2)对于8Cr4Mo4V钢制造的直径为22.225 mm的成品钢球，现行标准[6]要求的硬度为61～66 HRC，实测的成品球球面硬度最低为60.4 HRC，若不加修正值就不能满足要求，很容易判废，其平面硬度的检测结果是合格的，按GB/T 230.1—2018给出的修正值计算，其硬度也是合格的。

表1 钢球球面硬度与平面硬度测试结果Tab.1 Test results of spherical hardness and plane hardness of steel balls

3 钢球硬度修正值对比分析及修正公式的使用范围

目前，国内轴承行业热检标准中给定的成品钢球硬度修正值见表2[5]，只有直径为4.762 5～15.875 0 mm的钢球才加修正值。按GB/T 230.1—2018中的硬度修正公式计算出的修正值见表3(暂提供了部分直径钢球修正值)。

表2 国内轴承行业标准给定的成品钢球硬度修正值Tab.2 Correcting values of hardness of finished steel balls given by domestic bearing industry standard

表3 按国标修正公式计算出的钢球硬度修正值Tab.3 Correcting values of hardness of steel balls calculated by correcting formula in national standard

表2与表3对比可知：1)二者对硬度的修正值存在差异，有的甚至是较大差异，比如，钢球直径为4.762 5 mm，硬度为50.0 HRC时，误差达1.0 HRC；直径为10.318 8 mm，硬度为65.0 HRC时，误差达0.8 HRC；直径为15.875 0 mm，硬度为66.0 HRC时，误差达1.1 HRC，这是轴承行业标准修正值的不足之处之一；2)表2只给出了直径为4.762 5～15.875 0 mm钢球的硬度修正值，理论上，钢球凸球面硬度必须有硬度修正才合理，但现行轴承行业标准中直径大于15.875 0 mm的钢球没有硬度修正值，这是其不足之处之二；3)在GB/T 34891—2017《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》的附录F“曲面硬度修正值”中加注了“由制造厂与用户协商亦可采用GB/T 230.1—2009附录D中的相关规定” (相当于GB/T 230.1—2018附录F)，这属于双标并行，而其他2类常用的轴承材料(G95Cr18和8Cr4Mo4V)的现行热检标准则没有这项规定。因此，为了准确、统一及方便，再次修订有关钢球硬度标准时，球面硬度修正值建议使用(引用)GB/T 230.1—2018附录F给定的修正值公式。

从国标给定钢球的硬度修正公式看出，当钢球直径Dw趋于无穷大时，其修正值ΔH才趋近于0，这正符合了洛氏硬度测试平面的基本原理。一般钢铁材料淬回火后的洛氏硬度在70 HRC以下，洛氏硬度计测试范围要求一般是25～70 HRC[4]，因此，公式中的H值不会大于160 HRC，即不会出现修正值为负数的问题。

4 结束语

目前国内轴承行业使用的行业热检标准给定的成品钢球硬度修正值与按国标GB/T 230.1—2018

2018中公式计算的修正值存在差异， 钢球直径为4.762 5～15.875 0 mm的最大误差为1.3 HRC。按国标中的公式计算的修正值所得的钢球实际硬度值与所测钢球的平面硬度基本一致，特别是超过行业标准给定的直径为15.875 mm以上的钢球，因此，国标钢球硬度修正公式是准确、可靠的。为了准确检测不同直径钢球的硬度，建议使用国标推荐的钢球硬度修正公式计算钢球球面硬度修正值。