模具钢的硬度测试方法和仪器选择

模具钢是模具行业的主要材料。根据模具不同的使用条件、环境和状态，模具钢应具有不同的特性。在工业生产中，模具的使用寿命以及成品零件的精度、质量和外观性能都与模具的设计技术和制造精度、机床精度以及制造工艺有关。正确选择模具材料和正确实施热处理工艺也很重要。数据显示，模具早期失效约有10%是由材料选择不当和材料内部缺陷造成的，约有49%是由热处理不当造成的。

硬度是模具材料和成品模具的重要性能指标。模具在工作时的应力状态复杂。例如，热作模具通常在交变温度场下承受交变应力，因此应具有良好的防止模具软化或塑性化的能力，并在长期工作环境下保持模具的形状和尺寸精度不变。一般来说，冷作模具的成品模具硬度通常为59～60HRC，热作模具约为48HRC。

耐磨性也是成品模具的重要性能指标。零件成形时，金属与模具型腔表面发生相对运动，型腔表面会磨损，导致模具的尺寸、形状、精度和表面粗糙度发生变化而失效。模具的耐磨性取决于模具的热处理，特别是表面热处理。评价模具耐磨性的主要依据是硬度。

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测试、热处理半成品模具的硬度测试以及热处理后需要高耐磨性的模具的表面硬度测试。供应状态下的模具钢主要是锻造钢板、钢块或钢棒，一般以退火状态供应。某些塑料模具钢也以预硬状态（淬火和回火）供应，用户可以直接加工成模具，无需后续热处理。模具钢按钢种可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。我国GB标准规定了各种模具钢的出厂硬度要求，要求检验钢的退火硬度和试样淬火硬度。

我国GB/T标准1298-1986《碳素工具钢技术条件》规定，对于退火状态供应的钢材，对于T7、T8、T13等各种牌号，硬度值应小于187～217HBS，试样的淬火硬度应大于62HRC。GB/T标准1299-2000《合金工具钢》规定，对于不同牌号的退火状态供应的钢材，硬度值应小于某一数值或在某一硬度范围内。例如：9SiCr钢硬度为197～241HBW，Cr12钢硬度为217～269HBW，Cr5Mo1V钢硬度≤255HBW。不同牌号的试样淬火硬度一般在53～64HRC之间。GB/T标准9943-1988《高速工具钢棒技术条件》规定，退火钢的硬度应小于255～285HBS，淬火回火钢的硬度应大于63～66HRC。

根据标准要求，出厂状态的模具钢应采用布氏硬度计测试HBS（钢球压头）或HBW（硬质合金压头）的硬度，只要材料尺寸足够大，即可采用3000kg力及10mm钢球的测试条件。但模具钢材料通常尺寸较大，不能直接在布氏硬度计上测试。常用的方法是从钢材上取样，经适当加工后在布氏硬度计上测试。在少数要求较低的情况下，有人采用简易便携式布氏硬度计或锤击式布氏硬度计进行测试。但这些仪器的误差过大，技术指标中给出的误差为±8%，实际应用中的误差往往超过10%，只能给出粗略的结果。

近年来，里氏硬度计得到广泛应用。其测试快速方便，测试值可自动换算成布氏硬度值，因此得到了一定程度的应用。但是，里氏硬度计采用动态硬度测试原理，影响仪器精度的因素很多，对材料表面光洁度的要求也很高，硬度值换算误差也较大。因此，其精度往往高于简易便携式布氏硬度计和锤击式布氏硬度计，但远低于常规布氏和洛氏硬度计。

洛氏硬度计可用于模具钢的硬度测试。供应状态下模具钢的硬度在187～285HBS之间，可用洛氏硬度计的HRB和HRC标尺进行测试。测试后，查表将洛氏硬度值换算成布氏硬度值，精度仍然相当高。这种洛氏硬度计也采用C型架结构，C型架的开口尺寸为200mm和500mm，只要模具钢的厚度小于此尺寸，即可进行测试。仪器的测试精度可达1.0HRC，换算成布氏硬度，误差约为5～7HBS。

成品模具钢材料必须经过淬火回火，然后精磨抛光，成为成品模具。淬火回火后模具的硬度测试更为重要，因为此时材料的硬度是一个非常重要的质量指标，在很大程度上决定了成品模具的使用寿命。
淬火回火的模具钢材料需要洛氏硬度计和HRC洛氏硬度测试。成品模具钢需要具有足够的硬度和一定的韧性。硬度和韧性是一对矛盾。为了兼顾一定的韧性，模具具有较高的硬度，最佳硬度值将被限制在一个相对较窄的范围内，通常只有2～3HRC单位。

半成品模具的硬度测试是一个难题，一直没有理想的解决办法。只有少数体积和重量较小的模具才能搬到台式洛氏硬度计上进行测试。大多数情况下，常用的做法是在大致相同的工艺条件下制作工艺试样，用工艺试样的硬度来代表模具的硬度。但两者之间往往存在较大的差异，这种方法并不理想。

里氏硬度计为半成品模具的硬度测试提供了一种解决方案。可以测试模具的里氏硬度，然后换算成HRC洛氏硬度。虽然里氏硬度计误差相对较大，但仍然是模具行业最常用的硬度测试方法。据了解，里氏硬度计应用最广泛的领域就是模具行业。如前所述，半成品模具的合理硬度范围比较窄，里氏硬度计无法满足这种精度要求。但这却是模具行业的现状，也没有更好的解决办法。

有些模具要求芯部具有较高的韧性，而表面不需要有效的高硬度和耐磨性，需要在表面进行渗碳或氮化处理，表面硬化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，可以直接使用洛氏硬度计测试HRC硬度。当渗碳层厚度为0.5～0.8mm时，可以使用洛氏硬度计的A级。A级的试验力较小，只有60kg（C级的试验力为150kg），可在模具表面形成较浅的压痕，不会穿透硬化层，使硬度测试更准确。测得的HRA硬度值可通过查表方便地换算成HRC硬度值。

当渗碳层较薄，例如0.2～0.6mm时，可以使用表面洛氏硬度计。表面洛氏硬度计的试验力只有15kg、30kg或45kg，可在模具表面形成更浅的压痕，测得的硬度值也可换算成HRC硬度值。

氮化层通常较薄。对于氮化层厚度大于0.2mm的模具，可以使用表面洛氏硬度计。厚度小于0.2mm的模具只能使用工艺试样。在近似相同的工艺条件下制作试样。试样的硬度代表氮化层的硬度。此试样的表面硬度可在小型载荷维氏硬度计上测量。

硬度是模具钢最重要的性能之一。模具的热处理质量和使用性能通常以硬度为判断依据。为了兼顾韧性等其他性能，模具硬度的最佳范围是一个相对较窄的范围，通常只有2～4HRC单位。因此，如何在现场利用便携式仪器快速准确地测试模具硬度，对模具制造和使用单位具有重要意义。它可以提高模具质量，提高制造水平，延长模具使用寿命。更多信息：大截面预硬化2738塑料模具钢