模具鋼材的硬度檢測(cè)方法及儀器選用
時(shí)間:2024-04-24 12:05來源:德松官網(wǎng) 作者:德松模具鋼
硬度是模具鋼最重要的性能之一，如何能在現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式儀器快速、精確地測(cè)試模具硬度在模具制造和使用單位具有十分重要的意義，它可以提升模具質(zhì)量、制造水平和延長模具的使用壽命。
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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)部缺陷引起的大約占百分之十左右，而由熱處理不當(dāng)引起的約占百分之四十九。
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(chǎng)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至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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(píng)估模具耐磨性好壞的主要依據(jù)是硬度。
模具鋼的硬度測(cè)試主要針對(duì)三種情況，即模具鋼材料的硬度檢測(cè)，經(jīng)過熱處理的半成品模具的檢測(cè)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(cè)。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(jìn)行后續(xù)熱處理。模具鋼按鋼種分類可分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼，我國GB標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于各種模具鋼都規(guī)定了出廠硬度要求，要求對(duì)鋼材的退火硬度和試樣淬火硬度進(jìn)行檢驗(yàn)。
我國GB/T標(biāo)準(zhǔn)1298-1986《碳素工具鋼技術(shù)條件》規(guī)定，退火狀態(tài)供貨鋼材，對(duì)于T7、T8、T13等各種不同牌號(hào)，硬度值應(yīng)分別小于187至217HBS，試樣淬火硬度大于62HRC。GB/T標(biāo)準(zhǔn)1299-2000《合金工具鋼》規(guī)定，退火狀態(tài)供貨的鋼材，對(duì)于不同的牌號(hào)，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鋼硬度為197至241HBW，Cr12鋼硬度為217至269HBW，Cr5Mo1V鋼硬度≤255HBW。試樣淬火硬度根據(jù)不同的牌號(hào)，一般在53至64HRC之間。GB/T標(biāo)準(zhǔn)9943-1988《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至285HBS，淬火回火鋼材硬度應(yīng)大于63至66HRC。
按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，出廠狀態(tài)的模具鋼應(yīng)使用布氏硬度計(jì)，測(cè)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3000公斤力和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(cè)試，常用的辦法是在鋼材上截取一塊樣品，經(jīng)適當(dāng)加工之后在布氏硬度計(jì)上測(cè)試。在少數(shù)要求不高的場(chǎng)合，也有人用簡易便攜式布氏硬度計(jì)或錘擊式布氏硬度計(jì)測(cè)試，但是，這些儀器誤差太大，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(cè)試快速，方便，測(cè)試值可自動(dòng)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(dòng)態(tài)硬度測(cè)試原理，影響儀器準(zhǔn)確性的因素較多，對(duì)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(jì)和錘擊式布氏硬度計(jì)，但是還要遠(yuǎn)低于常規(guī)的布氏和洛氏硬度計(jì)。
洛氏硬度計(jì)可以用于模具鋼材的硬度檢測(cè)，供貨狀態(tài)的模具鋼硬度在187至285HBS之間，可以用洛氏硬度計(jì)的HRB及HRC標(biāo)尺來測(cè)試。測(cè)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型架開口尺寸為200mm和500mm，模具鋼的厚度只要小于這個(gè)尺寸就可以測(cè)試，儀器測(cè)試精度可以達(dá)到1.0HRC，換算成布氏硬度的誤差大約是5至7HBS。
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(cè)更為重要，因?yàn)檫@時(shí)的材料硬度是一個(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。
淬火回火的模具鋼材料要求使用洛氏硬度計(jì)、測(cè)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(duì)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，最佳的硬度值就會(huì)被限制在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)，通常只有2至3個(gè)HRC單位。
半成品模具的硬度測(cè)試是一個(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(tái)式洛氏硬度計(jì)上測(cè)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(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測(cè)試提供了一個(gè)解決方案，可以通過測(cè)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(cè)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。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。
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(jìn)行表面的滲碳或滲氮處理，表面硬化處理的模具需要測(cè)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(cè)試HRC硬度。當(dāng)滲碳層厚度在0.5至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60公斤（C標(biāo)尺試驗(yàn)力是150公斤），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(cè)試更準(zhǔn)確。測(cè)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至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15公斤、30公斤或45公斤，可以在模具表面壓一個(gè)更淺的壓痕，測(cè)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做一塊試片，以試片的硬度代表滲氮層的硬度。這個(gè)試片可以在小負(fù)荷維氏硬度計(jì)上測(cè)出表層硬度。
硬度是模具鋼最重要的性能之一，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，模具硬度的最佳范圍是一個(gè)比較窄的區(qū)間，通常只有2至4個(gè)HRC單位。因此，如何能在現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式儀器快速、精確地測(cè)試模具硬度在模具制造和使用單位具有十分重要的意義，它可以提升模具質(zhì)量、制造水平和延長模具的使用壽命。
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