模具硬度及模具鋼硬度的檢測方法

      模具鋼是模具工業(yè)的主體材料，根據(jù)模具的服役條件、環(huán)境和狀態(tài)的不同，模具鋼應(yīng)具備不同的特性。在工業(yè)生產(chǎn)中，模具使用壽命和制成零件的精度、質(zhì)量、外觀性能，除與模具的設(shè)計技術(shù)、制造精度，以及機床精度和制造操作有關(guān)外，正確地選用模具材料和正確地執(zhí)行熱處理工藝也是至關(guān)重要的，資料顯示，模具早期失效因材料選擇不當和材料內(nèi)部缺陷引起的大約點10%左右，而由熱處理不當引起的約占49%。
      硬度是模具材料和成品模具的重要性能指標。模具在工作時的受力狀態(tài)是復(fù)雜的，如熱作模具通常是在交變的溫度場下承受交變應(yīng)力作用，因此它應(yīng)具有良好的阻止模具轉(zhuǎn)變成較軟或塑性狀態(tài)的能力，并且在長期工作環(huán)境下仍保持模具的形狀和尺寸精度不變。一般成品模具的硬度，冷作模具常選擇在59-60HRC，熱作模具常選擇在48HRC左右。
      耐磨性也是成品模具的重要性能指標。零件成形時金屬和模具型腔表面發(fā)生相對運動，磨損了型腔表面，至使模具的尺寸形狀、精度和表面粗糙度發(fā)生變化而失效。模具的耐磨性是由模具的熱處理，特別是表面熱處理決定的，評估模具耐磨性好壞的主要依據(jù)是硬度。
      模具鋼的硬度測試主要針對三種情況，即模具鋼材料的硬度檢測，經(jīng)過熱處理的半成品模具的檢測硬度及要求高耐磨性的模具表面熱處理后的表面硬度的檢測。
      供貨狀態(tài)的模具鋼主要是經(jīng)過鍛造的鋼板、鋼塊或鋼棒，一般以退火狀態(tài)供貨。某些塑料模具鋼還以預(yù)硬狀態(tài)（調(diào)質(zhì)處理）供貨，用戶可直接加工成模具而不必進行后續(xù)熱處理。
模具鋼按鋼種分類可分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼，中國標準對于各種模具鋼都規(guī)定了出廠硬度要求，要求對鋼材的退火硬度和試樣淬火硬度進行檢驗。
      中國標準GB/T1298-1986《碳素工具鋼技術(shù)條件》規(guī)定，退火狀態(tài)供貨鋼材，對于T7-T13各種不同牌號，硬度值應(yīng)分別小于187-217HBS，試樣淬火硬度大于62HRC。
      中國標準GB/T1299-2000《合金工具鋼》規(guī)定，退火狀態(tài)供貨的鋼材，對于不同的牌號，硬度值應(yīng)小于某個數(shù)值或在某個硬度區(qū)間內(nèi)，例如：9SiCr硬度為197-241HBW，Cr12硬度為217-269HBW，Cr5Mo1V硬度≤255HBW。試樣淬火硬度根據(jù)不同的牌號，一般在53-64HRC之間。
中國標準GB/T9943-1988《高速工具鋼棒技術(shù)條件》規(guī)定，退火鋼材硬度應(yīng)小于255-285HBS，淬火回火鋼材硬度應(yīng)大于63-66HRC。
      按照標準的要求，出廠狀態(tài)的模具鋼應(yīng)使用布氏硬度計，測試HBS（鋼球壓頭）或HBW（硬度合金壓頭）硬度，并且只要材料具有足夠的尺寸，應(yīng)盡量采用3000kg力和10mm球的試驗條件。  然而模具鋼材料尺寸通常都比較大，無法直接在布氏硬度計上測試，常用的辦法是在鋼材上截取一塊樣品，經(jīng)適當加工之后在布氏硬度計上測試。在少數(shù)要求不高的場合，也有人用簡易便攜式布氏硬度計或錘擊式布氏硬度計測試，但是，這些儀器誤差太大，技術(shù)指標中給出的誤差是±8%，實際應(yīng)用中的誤差常常超過10%，只能給出一個粗略的結(jié)果。
      近年來，里氏硬度計被廣泛應(yīng)用，它測試快速，方便，測試值可自動轉(zhuǎn)換成布氏硬度值，因此得到一定程度的應(yīng)用。但是里氏硬度計采用的是動態(tài)硬度測試原理，影響儀器準確性的因素較多，對材料表面光潔度的要求也很高，硬度值轉(zhuǎn)換的誤差也較大，因此，其精度盡管常常高于簡易便攜式布氏硬度計和錘擊式布氏硬度計，但是還要遠低于常規(guī)的布氏和洛氏硬度計。好在模具鋼材對硬度測試的精度要求也不高。
      沈陽天星試驗儀器有限公司正在研制一種新型PHB150及PHB300型便攜式布氏硬度計，這種儀器以剪力銷控制試驗力的大小，試驗力的誤差可控制在±2%以內(nèi)。布氏硬度測試精度略低于臺式布氏硬度計，而遠高于上述幾種硬度計。儀器主要結(jié)構(gòu)是一個C型框架，C型框架的開口尺寸是150mm及300mm，被測鋼材只要能放到儀器開口之內(nèi)都可以在現(xiàn)場快速測試布氏硬度。儀器試驗力是1580kg，壓頭球直徑是Φ7.26mm，F/D2值等于30，試驗條件相當于3000kg力和10mm球。
當模具鋼塊的厚度大于150mm或300mm時，儀器的測試頭還可以取下來當作錘擊式布氏硬度計使用。它只要接觸鋼塊的一側(cè)就可以測試，可以測試任意大的模具鋼塊。測試精度遠高于現(xiàn)有的錘擊式布氏硬度計。
      沈陽天星試驗儀器有限公司剛剛研制成功的PHR系列大型便攜式洛氏硬度計也可以用于模具鋼材的硬度檢測，供貨狀態(tài)的模具鋼硬度在187-285HBS之間，可以用洛氏硬度計的HRB及HRC標尺來測試。測試后經(jīng)查表將洛氏硬度值換算成布氏硬度值，仍然具有相當高的精度。這種洛氏硬度計也是采用了一個C型架結(jié)構(gòu)，C型架開口尺寸為200mm和500mm，模具鋼的厚度只要小于這個尺寸就可以測試，儀器測試精度可以達到1.0HRC，換算成布氏硬度的誤差大約是5-7HBS。
      完成了機械加工的模具鋼材料要進行淬火回火處理，再經(jīng)過精磨和拋光就可成為成品模具。淬火回火處理后的模具硬度檢測更為重要，因為這時的材料硬度是一個非常重要的質(zhì)量指標，它在很大程度上決定了成品模具的使用壽命。
      淬火回火的模具鋼材料要求使用洛氏硬度計、測試HRC洛氏硬度。模具鋼成品需要具有足夠的硬度，同時還要有一定的韌性，而硬度和韌性是一對矛盾，為了在具有合理韌性的條件下，便模具具有較高的硬度，*的硬度值就會被限制在一個比較窄的范圍內(nèi)，通常只有2-3個HRC單位。
      半成品模具的硬度測試是一個難于解決的問題。一直沒有一個較為理想的解決方案。只有少數(shù)體積和重量較小的模具可以搬到臺式洛氏硬度計上測試。而大多數(shù)情況下的通常做法是，在近似相同的工藝條件下制作一個工藝試片，用工藝試片的硬度代表模具的硬度，然而二者之間常常還存在較大的差異，這種方法也不夠理想。
      里氏硬度計為半成品模具的硬度測試提供了一個解決方案，可以通過測試模具的里氏硬度，然后換算成HRC洛氏硬度。盡管里氏硬度計誤差較大，但是還是目前模具行業(yè)應(yīng)用zui為普遍的硬度測試方法，據(jù)了解，里氏硬度計應(yīng)用zui廣泛的領(lǐng)域就是模具行業(yè)。如前面所述，半成品模具合理的硬度范圍是比較窄的，里氏硬度計不能滿足這樣的精度要求。但是這就是目前模具行業(yè)的現(xiàn)狀，沒有更好的解決辦法。
      沈陽天星試驗儀器有限公司剛剛研制成功的大型便攜式洛氏硬度計生逢其時，恰好可以解決上述問題。這種儀器使用起來簡單方便，精度可達到±1.0HRC，遠高于里氏硬度計。儀器開口尺寸目前是200mm和500mm（國外同類儀器的zui大尺寸只有200mm）。實測數(shù)據(jù)表明，儀器的測試精度與C型框架的大小無關(guān)。原則上可以制造開口尺寸更大的儀器，屆時更大的模具也可以用這種儀器測試。
      許多模具真正需要測試硬度的型腔距模具邊緣要有一定的距離，為了適應(yīng)模具行業(yè)的這一特點，PHR系列大型洛氏硬度計在設(shè)計時特別加大了C型框架的深度，zui大深度可達到300mm，這樣只要模具的型腔距模具邊緣的距離小于300mm，就都可以使用這種儀器。
      一些要求心部具有較高的韌性，表面不要具有效高硬度和耐磨性的模具，要進行表面的滲碳或滲氮處理，表面硬化處理的模具需要測試模具的表面硬度。
      滲碳層通常較厚。當滲碳層厚度大于0.8mm時，可直接用洛氏硬度計，測試HRC硬度。當滲碳層厚度在0.5-0.8mm時，可以采用洛氏硬度計的A標尺。A標尺的試驗力較小，只有60kg（C標尺試驗力是150kg），可以在模具表面壓一個較淺的壓痕，不至于將硬化層壓透，硬度測試更準確。測得的HRA硬度值可方便地通過查表換算成HRC硬度值。
      滲碳層較薄時，例如0.2-0.6mm，可以采用表面洛氏硬度計，表面洛氏硬度計的試驗力只有15kg、30kg或45kg，可以在模具表面壓一個更淺的壓痕，測得的硬度值也可以換算成HRC硬度值。
      滲氮層通常較薄，滲層厚度大于0.2mm的模具可以用表面洛氏硬度計，厚度小于0.2mm的模具就只能利用工藝試片了，在近似相同的工藝條件下做一塊試片，以試片的硬度代表滲氮層的硬度。這個試片可以在小負荷維氏硬度計上測出表層硬度。
      硬度是模具鋼zui重要的性能。模具的熱處理質(zhì)量和使用性能通常都是以硬度作為判斷的依據(jù)。為了照顧到韌性等其他性能，模具硬度的*范圍是一個比較窄的區(qū)間，通常只有2-4個HRC單位。因此，如何能在現(xiàn)場使用便攜式儀器快速、地測試模具硬度在模具制造和使用單位具有十分重要的意義。它可以提升模具產(chǎn)品的質(zhì)量，提升模具制造的技術(shù)水平，延長模具壽命。
      沈陽天星試驗儀器有限公司生產(chǎn)的PHR系列大型便攜式洛氏硬度計可以現(xiàn)場快速測試模具鋼及模具硬度，儀器操作簡單方便，具有相當高的測試精度，是各種大中型模具的生產(chǎn)和使用中應(yīng)該優(yōu)先用的硬度檢測儀器。

常州三豐儀器科技有限公司

：黃志文

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