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模具硬度檢測方法

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(jì)技術(shù)、制造精度，以及機(jī)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(dāng)和材料內(nèi)部缺陷引起的大約點(diǎn)10%左右，而由熱處理不當(dāng)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(biāo)。模具在工作時(shí)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(biāo)。零件成形時(shí)金屬和模具型腔表面發(fā)生相對運(yùn)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。

模具硬度的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硬度檢測及要求高耐磨性的模具表面熱處理后的表面硬度的檢測。

1.模具鋼硬度檢測

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。一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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行檢驗(yàn)。

中國標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)數(shù)值或在某個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求，出廠狀態(tài)的模具鋼應(yīng)使用布氏硬度計(jì)，測試HBS（鋼球壓頭）或HBW（硬度合金球壓頭）硬度，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定統(tǒng)一采用HBW（硬度合金球壓頭），HBS（鋼球壓頭）已停止使用。另外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(yàn)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(jì)上測試，常用的辦法是在鋼材上截取一塊樣品，經(jīng)適當(dāng)加工之后在臺式布氏硬度計(jì)上測試。在少數(shù)要求不高的場合，也有人用錘擊式布氏硬度計(jì)測試，但是，這種儀器誤差較大，技術(shù)指標(biāo)中給出的誤差是±8%，實(shí)際應(yīng)用中的誤差常常超過10%，只能給出一個(gè)粗略的結(jié)果。

近年來，里氏硬度計(jì)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(jì)采用的是動態(tài)硬度測試原理，影響儀器準(zhǔn)確性的因素較多，對材料表面光潔度的要求很高，硬度值轉(zhuǎn)換的誤差也較大，特別是測試軟鋼時(shí)誤差更大。因此，其精度略高于錘擊式布氏硬度計(jì)，遠(yuǎn)不如常規(guī)的布氏和洛氏硬度計(jì)。

PHB-150型剪銷式便攜布氏硬度計(jì)，如圖1所示。這種儀器利用剪銷控制試驗(yàn)力，試驗(yàn)力的誤差可控制在±0.5%以內(nèi)。布氏硬度測試精度與臺式布氏硬度計(jì)相同。儀器主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)C型框架，C型框架的開口尺寸是150mm，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(yàn)力F=1580kg，球壓頭直徑D=7.26mm，F(xiàn)/D2值等于30，試驗(yàn)條件相當(dāng)于3000kg力和10mm球。

當(dāng)模具鋼塊的厚度大于150mm時(shí)，儀器的測試頭還可以取下來當(dāng)作錘擊式布氏硬度計(jì)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。測試精度為5%，高于舊式的錘擊式布氏硬度計(jì)。

PHB-3000型液壓式便攜布氏硬度計(jì)，如圖2所示。這種儀器采用液壓原理，依靠手動操作產(chǎn)生3000kg試驗(yàn)力，儀器測量范圍16~650HBW，可以在車間現(xiàn)場使用，操作簡單，攜帶方便，采用3000kg力、10mm球，測試后留下可以重復(fù)檢驗(yàn)的永久性布氏壓痕。儀器精度與臺式布氏硬度計(jì)相同。這種儀器非常適于在生產(chǎn)車間或材料倉庫測試模具鋼硬度。

PHR系列C型便攜式洛氏硬度計(jì)，如圖3所示。這種儀器也可以用于模具鋼硬度檢測，供貨狀態(tài)的模具鋼硬度在187-285HBS之間，可以用洛氏硬度計(jì)的HRB及HRC標(biāo)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(dāng)高的精度。這種洛氏硬度計(jì)也是采用了一個(gè)C型架結(jié)構(gòu)，C型架開口尺寸分別為100mm、200mm和500mm，模具鋼的厚度只要小于這個(gè)尺寸就可以測試，儀器測試精度可以達(dá)到1.0HRC，換算成布氏硬度的誤差大約是5-7HBW。

2.模具硬度檢測

完成了機(jī)械加工的模具鋼材料要進(jìn)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?yàn)檫@時(shí)的硬度是一個(gè)非常重要的質(zhì)量指標(biāo)，它在很大程度上決定了成品模具的使用壽命。

淬火回火的模具鋼半成品要求使用洛氏硬度計(jì)，測試HRC洛氏硬度。模具鋼成品需要具有足夠的硬度，同時(shí)還要有一定的韌性，而硬度和韌性是一對矛盾，為了保證模具韌性與硬度的最佳配合，最佳的硬度值就會被限制在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)，通常只有2-4個(gè)HRC單位。

半成品模具的硬度檢測曾經(jīng)是一個(gè)難于解決的問題。一直沒有一個(gè)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(jì)上檢測。而通常的做法是，在近似相同的工藝條件下制作一個(gè)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(jì)為半成品模具的硬度檢測提供了一個(gè)解決方案，可以先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(jì)誤差較大，但是還是目前模具行業(yè)應(yīng)用最為普遍的硬度測試方法，據(jù)了解，里氏硬度計(jì)應(yīng)用最廣泛的領(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(jì)不能滿足這樣的精度要求，測量值分散性較大。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。

C型便攜式洛氏硬度計(jì)生逢其時(shí)，恰好可以解決上述問題。這種儀器使用起來簡單方便，像千分尺一樣，夾在模具上測試，精度可達(dá)到±1.0HRC，遠(yuǎn)高于里氏硬度計(jì)。

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(diǎn)，PHR系列C型洛氏硬度計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)特別加大了C型框架的深度，最大深度可達(dá)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。

PHR-100型磁力式洛氏硬度計(jì)，如圖4所示。這種儀器依靠磁力吸盤將硬度計(jì)測頭固定在鋼鐵材料上，被測件無需移動，無需支撐，只要有一個(gè)60mm×180mm的平面或直徑大于50mm的曲面都可以測試，測試誤差不大于1.5HRC，與臺式洛氏硬度計(jì)相同。這是一種非常適合對模具硬度進(jìn)行現(xiàn)場精確檢測的儀器。

3.模具表面硬度檢測

一些要求心部具有較高的韌性，表面又要具有效高硬度和耐磨性的模具，要進(jìn)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(dāng)滲碳層厚度大于0.8mm時(shí)，可直接用洛氏硬度計(jì)，測試HRC硬度。當(dāng)滲碳層厚度在0.5-0.8mm時(shí)，可以采用洛氏硬度計(jì)的A標(biāo)尺。A標(biāo)尺的試驗(yàn)力較小，只有60kg（C標(biāo)尺試驗(yàn)力是150kg），可以在模具表面壓一個(gè)較淺的壓痕，不至于將硬化層壓透，硬度測試更準(zhǔn)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(shí)，例如0.2-0.6mm，可以采用表面洛氏硬度計(jì)，表面洛氏硬度計(jì)的試驗(yàn)力只有15kg、30kg或45kg，可以在模具表面壓一個(gè)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(jì)，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制作一塊試片，以試片的硬度代表模具上滲氮層的硬度。這個(gè)試片可以在小負(fù)荷維氏硬度計(jì)上測出表層硬度。

硬度是模具鋼最重要的性能。模具的熱處理質(zhì)量和使用性能通常都以硬度作為判斷依據(jù)。為了照顧到韌性等其他性能，模具硬度的最佳范圍是一個(gè)比較窄的區(qū)間。因此，如何能在現(xiàn)場使用便攜式儀器快速、精確地測試模具硬度在模具制造和使用單位都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。

PHR系列C型及磁力式便攜洛氏硬度計(jì)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(dāng)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。