模具硬度檢測(cè)方法
發(fā)布者： 源晟鍵 時(shí)間：10/7/2019 5:08:47 PM
模具硬度檢測(cè)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(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59-60HRC，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。
模具硬度的測(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硬度檢測(cè)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)。
1.模具鋼硬度檢測(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。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(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)。
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(duì)于T7-T13各種不同牌號(hào)，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(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(hào)，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(cè)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(cè)試，常用的辦法是在鋼材上截取一塊樣品，經(jīng)適當(dāng)加工之后在臺(tái)式布氏硬度計(jì)上測(cè)試。在少數(shù)要求不高的場(chǎng)合，也有人用錘擊式布氏硬度計(jì)測(cè)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(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很高，硬度值轉(zhuǎn)換的誤差也較大，特別是測(cè)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(cè)試精度與臺(tái)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(cè)鋼材只要能放到儀器開口之內(nèi)都可以在現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)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(cè)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(cè)試，可以測(cè)試任意大的模具鋼塊。測(cè)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(dòng)操作產(chǎn)生3000kg試驗(yàn)力，儀器測(cè)量范圍16~650HBW，可以在車間現(xiàn)場(chǎng)使用，操作簡單，攜帶方便，采用3000kg力、10mm球，測(cè)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(tái)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(cè)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(cè)，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(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(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5-7HBW。
2.模具硬度檢測(cè)
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(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，為了保證模具韌性與硬度的最佳配合，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2-4個(gè)HRC單位。
半成品模具的硬度檢測(cè)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(tái)式洛氏硬度計(jì)上檢測(cè)。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(cè)提供了一個(gè)解決方案，可以先測(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，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)頭固定在鋼鐵材料上，被測(cè)件無需移動(dòng)，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(cè)試，測(cè)試誤差不大于1.5HRC，與臺(tái)式洛氏硬度計(jì)相同。這是一種非常適合對(duì)模具硬度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)精確檢測(cè)的儀器。
3.模具表面硬度檢測(cè)
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(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0.5-0.8mm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(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0.2-0.6mm，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(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(cè)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(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(chǎng)快速測(cè)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(cè)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(cè)儀器。
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