模具及模具钢硬度的检测方法

模具钢是模具工业的主体材料，根据模具的服役条件、环境和状态的不同，模具钢应具备不同的特性。在工业生产中，模具使用寿命和制成零件的精度、质量、外观性能，除与模具的设计技术、制造精度，以及机床精度和制造操作有关外，正确地选用模具材料和正确地执行热处理工艺也是至关重要的，资料显示，模具早期失效因材料选择不当和材料内部缺陷引起的大约点10%左右，而由热处理不当引起的约占49%。
 
硬度是模具材料和成品模具的重要性能指标。模具在工作时的受力状态是复杂的，如热作模具通常是在交变的温度场下承受交变应力作用，因此它应具有良好的阻止模具转变成较软或塑性状态的能力，并且在长期工作环境下仍保持模具的形状和尺寸精度不变。一般成品模具的硬度，冷作模具常选择在59-60hrc，热作模具常选择在48hrc左右。
 
耐磨性也是成品模具的重要性能指标。零件成形时金属和模具型腔表面发生相对运动，磨损了型腔表面，至使模具的尺寸形状、精度和表面粗糙度发生变化而失效。模具的耐磨性是由模具的热处理，特别是表面热处理决定的，评估模具耐磨性好坏的主要依据是硬度。
 
模具钢的硬度测试主要针对三种情况，即模具钢材料的硬度检测，经过热处理的半成品模具的检测硬度及要求高耐磨性的模具表面热处理后的表面硬度的检测。
 
供货状态的模具钢主要是经过锻造的钢板、钢块或钢棒，一般以退火状态供货。某些塑料模具钢还以预硬状态（调质处理）供货，用户可直接加工成模具而不必进行后续热处理。模具钢按钢种分类可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，中国标准对于各种模具钢都规定了出厂硬度要求，要求对钢材的退火硬度和试样淬火硬度进行检验。
 
中国标准gb/t1298-1986《碳素工具钢技术条件》规定，退火状态供货钢材，对于t7-t13各种不同牌号，硬度值应分别小于187-217hbs，试样淬火硬度应大于62hrc。中国标准gb/t1299-2000《合金工具钢》规定，退火状态供货的钢材，对于不同的牌号，硬度值应小于某个数值或在某个硬度区间内，例如：9sicr硬度为197-241hbw，cr12硬度为217-269hbw，cr5mo1v硬度≤255hbw。试样淬火硬度根据不同的牌号，一般应在53-64hrc之间。中国标准gb/t9943-1988《高速工具钢棒技术条件》规定，退火钢材硬度应小于255-285hbs，淬火回火钢材硬度应大于63-66hrc。
 
按照标准的要求，出厂状态的模具钢应使用布氏硬度计，测试hbs（钢球压头）或hbw（硬度合金压头）硬度，并且只要材料具有足够的尺寸，应尽量采用3000kg力和10mm球的试验条件。然而模具钢材料尺寸通常都比较大，无法直接在布氏硬度计上测试，常用的办法是在钢材上截取一块样品，经适当加工之后在布氏硬度计上测试。在少数要求不高的场合，也有人用简易便携式布氏硬度计或锤击式布氏硬度计测试，但是，这些仪器误差太大，技术指标中给出的误差是±8%，实际应用中的误差常常超过10%，只能给出一个粗略的结果。
 
近年来，里氏硬度计被广泛应用，它测试快速，方便，测试值可自动转换成布氏硬度值，因此得到一定程度的应用。但是里氏硬度计采用的是动态硬度测试原理，影响仪器准确性的因素较多，对材料表面光洁度的要求也很高，硬度值转换的误差也较大，因此，其精度尽管常常高于简易便携式布氏硬度计和锤击式布氏硬度计，但是还要远低于常规的布氏和洛氏硬度计。好在模具钢材对硬度测试的精度要求也不高。
 
2008年国内出现了一种phb150型便携式布氏硬度计，这种仪器以剪力销控制试验力的大小，试验力的误差可控制在±0.5%以内。布氏硬度测试精度与台式布氏硬度计相同。仪器主要结构是一个c型框架，c型框架的开口尺寸是150mm，被测钢材只要能放到仪器开口之内都可以在现场快速测试布氏硬度。仪器试验力是1580kg，压头球面直径是φ7.26mm，f/d2值等于30，根据布氏硬度计的相似性原理，试验条件相当于3000kg力和10mm球。当模具钢块的厚度大于150mm时，仪器的测试头还可以取下来当作锤击式布氏硬度计使用。它只要接触钢块的一侧就可以测试，可以测试任意大的模具钢块。测试精度可达到±5%。

2009年国内又出现了一种phr系列大型便携式洛氏硬度计，这种仪器也可以用于模具钢材的硬度检测。供货状态的模具钢硬度在187-285hbs之间，可以用洛氏硬度计的hrb及hrc标尺来测试。测试后根据中国标准gb/t1172-1999 《黑色金属硬度与强度换算表》，经查表将洛氏硬度值换算成布氏硬度值，仍然具有相当高的精度。这种洛氏硬度计也是采用了一个c型架结构，c型架开口尺寸为200mm或500mm，模具钢的厚度只要小于这个尺寸就可以测试，经中国计量院检测，仪器测试精度可以达到1.0hrc，换算成布氏硬度的误差大约是5-7hbw。
 
完成了机械加工的模具钢材料要进行淬火回火处理，再经过精磨和抛光就可成为成品模具。淬火回火处理后的模具硬度检测更为重要，因为这时的材料硬度是一个非常重要的质量指标，它在很大程度上决定了成品模具的使用寿命。淬火回火的模具料要求使用洛氏硬度计，测试hrc洛氏硬度值。模具成品需要具有最佳的综合力学性能，既要有足够的硬度，同时还要有一定的韧性，而硬度和韧性是一对矛盾，为了在具有合理韧性的条件下，便模具具有较高的硬度，最佳的硬度值就会被限制在一个比较窄的范围内，通常只有2-4个hrc单位。
 
成品、半成品模具的硬度测试是一个难于解决的问题。一直没有一个较为理想的解决方案。只有少数体积和重量较小的模具可以搬到台式洛氏硬度计上测试。而大多数情况下的通常做法是，在近似相同的工艺条件下制作一个工艺试片，用工艺试片的硬度代表模具的硬度，然而二者之间常常还存在较大的差异，这种方法也不够理想。
 
里氏硬度计为成品、半成品模具的硬度测试提供了一个解决方案，可以先测试模具的里氏硬度，然后再换算成hrc洛氏硬度。尽管里氏硬度计误差较大，但是还是目前模具行业应用最为普遍的硬度测试方法，据了解，里氏硬度计应用最广泛的领域就是模具行业。如前面所述，成品、半成品模具合理的硬度范围是比较窄的，里氏硬度计不能满足这样的精度要求。但是这就是目前模具行业的现状，没有更好的解决办法。
 
phr系列大型便携式洛氏硬度计恰好可以解决上述问题。这种仪器使用起来简单方便，精度可达到±1.0hrc，远高于里氏硬度计。仪器开口尺寸目前是200mm和500mm（国外同类仪器的最大尺寸只有200mm）。实测数据表明，仪器的测试精度与c型框架的大小无关。原则上可以制造开口尺寸更大的仪器，可以测试更大的模具。许多模具真正需要测试硬度的型腔距模具边缘要有一定的距离，为了适应模具行业的这一特点，phr系列大型洛氏硬度计在设计时特别加大了c型框架的深度，最大深度可达到300mm，这样只要模具的型腔距模具边缘的距离小于300mm，就都可以使用这种仪器。
 
2009年，国内又生产了一种phr-100型磁力式洛氏硬度计。这种仪器利用两个磁力吸盘将洛氏硬度计测头固定在钢铁工件表面，无需移动工件，只要接触工件一侧既可完成硬度检测，仪器完全按照洛氏硬度试验国家标准设计，测试精度符合国家标准gb/t230-2004，经中国计量院检测，误差不大于1.5hrc。只要工件有足够的试验面积（平面≥60mm×180mm,可扩展到≥20mm×180mm；曲面直径≥φ100mm，可扩展到≥φ50mm），就可实现现场的精确硬度检测。这是一种全新的硬度计，国外还没有出现。这种仪器非常适合测试模具硬度，仪器测试快速，简便，重现性好，精度远高于里氏硬度计。
 
一些要求心部具有一定的韧性，表面又要求具有高的硬度和耐磨性的模具，要进行表面的渗碳、渗氮或激光淬火处理，表面硬化处理的模具需要测试模具的表面硬度。渗碳层通常较厚，当渗碳层厚度大于0.8mm时，可直接用洛氏硬度计，测试hrc硬度。当渗碳层厚度在0.6-0.8mm时，可以采用洛氏硬度计的a标尺。a标尺的试验力较小，只有60kg（c标尺试验力是150kg），可以在模具表面压一个较浅的压痕，不至于将硬化层压透，硬度测试更准确。测得的hra硬度值可方便地通过查表换算成hrc硬度值。对于较薄的渗碳层或渗氮层，只要厚度大于0.1mm，都可以采用表面洛氏硬度计。表面洛氏硬度计的试验力只有15kg、30kg或45kg。表面洛氏硬度压痕更小，例如，模具硬度为60hrc时，表面洛氏硬度值为90.6hr15n，压痕深度等于（100-90.6）x0.001mm=0.009mm，这样的压痕肉眼几乎难于分辨。因此表面洛氏硬度计还可以测试成品模具，测得的硬度值也可以换算成hrc硬度值。
 
目前，有一种磁力式表面洛氏硬度计正在研制。这种仪器结构如phr-100型，但是更加小巧轻便，重量小于2.5kg，测试面积要求为：平面：≥40-120mm，曲面直径≥φ50mm。仪器精度符合国家标准gb/t230-2004，与台式机相同，仪器非常适于测试大中型模具上的渗氮层，激光淬火层等较薄硬化层的硬度，也适于成品、半成品模具以及成品轴类、轧辊等要求压痕尽量小的场合。
 
当渗氮层厚度小于0.1mm时就只能利用工艺试片了。在与模具相同的工艺条件下做一块试片，以试片上硬化层的硬度代表模具渗氮层硬度，将试片放到小负荷维氏硬度计上测出表层硬度值既可。
 
硬度是模具钢最重要的性能。模具的热处理质量和使用性能通常都以硬度作为判断的依据。为了照顾到韧性等其他性能，模具硬度的最佳范围是一个比较窄的区间，因此，如何能在现场使用便携式仪器快速、精确地测试模具硬度在模具制造和使用单位具有十分重要的意义。它可以提升模具产品的质量，提升模具制造的技术水平，延长模具寿命。