模具钢硬度测试方法及仪器选型

模具钢是模具工业的主要材料。根据模具的不同使用条件、环境和状态，模具钢应具有不同的特性。在工业生产中，模具的使用寿命和成品零件的精度、质量和外观性能关系到模具的设计技术和制造精度，也关系到机床的精度和制造操作。正确选择模具材料和正确实施热处理工艺也很重要。据数据显示，模具早期失效约10%是由于材料选择不当和材料内部缺陷造成的，约49%是由于热处理不当造成的。
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是复杂的。例如，热加工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变软或塑性状态的能力，并且在长期的工作环境中，模具的形状和尺寸精度保持不变。一般来说，冷加工模具的成品硬度通常为59至60HRC，热加工模具的硬度约为48HRC。
耐磨性也是成品模具的重要性能指标。当零件成型时，金属和模具型腔表面相对移动，型腔表面磨损，导致模具的尺寸、形状、精度和表面粗糙度发生变化并失效。模具的耐磨性取决于模具的热处理，特别是表面热处理。评估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。供应状态的模具钢主要是锻造钢板、钢块或钢筋，通常以退火状态供应。某些塑料模具钢也以预硬化状态（淬火和回火）供应，用户可以直接将其加工成模具，而不需要后续的热处理。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，要求对钢的退火硬度和样品淬火硬度进行检验。
我国GB/T标准1298-1986《碳素工具钢技术条件》规定，对于退火条件下供应的钢，对于T7、T8、T13等各种牌号，硬度值应小于187至217HBS，样品的淬火硬度应大于62HRC。GB/T标准1299-2000《合金工具钢》规定，对于退火状态下供应的不同等级的钢，硬度值应小于一定值或在一定硬度范围内。例如：9SiCr钢硬度为197～241HBW，Cr12钢硬度为217～269HBW，Cr5Mo1V钢硬度为&le；255磅。根据不同等级，样品的淬火硬度一般在53至64HRC之间。GB/T标准9943-1988《高速工具钢棒材技术条件》规定，退火钢的硬度应小于255～285HBS，调质钢的硬度宜大于63～66HRC。
根据标准要求，模具钢在出厂状态下应使用布氏硬度计测试HBS（钢球压头）或HBW（硬度合金压头）的硬度，只要材料有足够的尺寸，3000kg的力和10mm的球的测试条件。然而，模具钢材料通常尺寸较大，不能直接在布氏硬度计上进行测试。常用的方法是从钢中取样，经过适当处理后在布氏硬度计上进行测试。在少数要求较低的场合，有些人使用简单的便携式布氏硬度计或锤式布氏硬度仪进行测试。然而，这些仪器的误差太大，技术指标中给出的误差为&plusmn；8%，实际应用中的误差通常在10%以上，只能给出粗略的结果。近年来，里氏硬度计得到了广泛的应用。它的测试快速方便。测试值可以自动转换为布氏硬度值，因此在一定程度上得到了应用。然而，里氏硬度计使用动态硬度测试原理。影响仪器精度的因素有很多。对材料的表面光洁度要求也很高，硬度值转换的误差也很大。因此，其精度往往高于简单的便携式布氏硬度计和锤式布氏硬度仪，但远低于传统的布氏和洛氏硬度计。
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至285HBS之间。可以用洛氏硬度计的HRB和HRC标尺进行测试。试验后，通过查表将洛氏硬度值转换为布氏硬度值，其精度仍然相当高。这种洛氏硬度计也使用C型框架结构。C型架的开口尺寸为200mm和500mm。只要模具钢的厚度小于这个尺寸，就可以进行测试。该仪器的测试精度可达1.0HRC，换算成布氏硬度。误差约为5至7HBS
成品模具钢材料必须经过淬火和回火，然后精细研磨和抛光，成为成品模具。淬火和回火后的模具硬度测试更为重要，因为此时材料的硬度是一个非常重要的质量指标，它在很大程度上决定了成品模具的使用寿命。
调质模具钢材料需要洛氏硬度计和HRC洛氏硬度试验。成品模具钢需要有足够的硬度和一定的韧性。硬度和韧性是一对矛盾。为了具有合理的韧性，模具要有较高的硬度，最好的硬度值会被限制在相对较窄的范围内，通常只有2到3个HRC单位。
半成品模具的硬度测试是一个难以解决的问题。从来没有一个理想的解决方案。只有少数体积和重量较小的模具可以移动到台式洛氏硬度计上进行测试。在大多数情况下，常见的做法是在大致相同的工艺条件下制作工艺试件，并使用工艺试件的硬度来表示模具的硬度。然而，两者之间往往存在很大差异。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，然后将其转换为HRC洛氏硬度。尽管里氏硬度计的误差相对较大，但它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是模具行业。如前所述，半成品模具的合理硬度范围相对较窄，里氏硬度计无法满足这样的精度要求。但这是模具行业的现状，没有更好的解决方案。
有些模具要求型芯具有高韧性，而表面没有有效的高硬度和耐磨性，需要在表面进行渗碳或氮化处理，表面硬化的模具需要测试模具的表面硬度。
渗碳层通常很厚。当渗碳层的厚度大于0.8mm时，可以直接使用洛氏硬度计测试HRC硬度。当渗碳层的厚度为0.5至0.8mm时，可以使用洛氏硬度计的A标尺。标尺A的测试力很小，只有60kg（标尺C的测试力为150kg），这可以在模具表面产生浅压痕，不会穿透硬化层，使硬度测试更加准确。通过查阅表格，可以很容易地将测量的HRA硬度值转换为HRC硬度值。

当渗碳层较薄，如0.2至0.6mm时，可以使用表面洛氏硬度计。表面洛氏硬度计的测试力仅为15kg、30kg或45kg，可以在模具表面形成较浅的压痕，测量的硬度值也可以转换为HRC硬度值。
渗氮层通常很薄。表面洛氏硬度计可用于渗氮层厚度大于0.2mm的模具。厚度小于0.2mm的模具只能使用工艺试件。在大致相同的工艺条件下制作试样。试件的硬度代表氮化层的硬度。该试件的表面硬度可以在小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相对较窄的范围，通常只有2到4个HRC单位。因此，如何使用便携式仪器在现场快速准确地测试模具的硬度，对模具制造和使用单位具有重要意义。它可以提高模具的质量、制造水平，延长模具的使用寿命。更多关于：大截面预硬化2738塑料模具钢