在工业生产中,模具钢是模具工业的主体材料,模具的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。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,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也是硬度。
模具钢用硬度计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,要求高耐磨性的模具表面热处理后的表面硬度检测。模具钢材料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。时代里氏硬度计被广泛应用,它测试,方便,测试值可自动转换成布氏硬度值,得到一定程度的应用。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*佳的综合力学性能,既要有足够的硬度,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,*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。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,再换算成HRC洛氏硬度。里氏硬度计测量是目前模具行业应用*为普遍的硬度测试方法,时代里氏硬度计应用*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。这就是目前模具行业的现状,没有更好的解决办法。对于进行了表面的渗碳、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。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。
硬度是模具钢*重要的性能,为了照顾到韧性等其他性能,模具硬度的*佳范围是一个比较窄的区间,如何能在现场使用时代便携式硬度计、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。
布氏硬度的检测方法
布氏硬度检测方法*初是在1899~1900年间由瑞典工程师布利奈尔在研究热处理对轧钢组织影响时提出来的。这种方法使用*早,由于其压印痕较大,硬度值受试样组织显微偏析及成分不均匀的影响轻微,检测结果分散度小,复现性好,能比较客观的反映出材料的客观硬度。这正是布氏检测方法成为*广泛和常用的硬度检测方法之一的原因。
在规定的检测力(F)作用下,将一定直径(D)的硬质合金球压入试样表面,保持一定时间,去除检测力。测量试样表面上所压印痕直径(d)。根据d可以计算处压痕凹印面积(A)。布氏硬度值是检测力除以压痕球形表面积(A)所得的商。单位为9.807值低;则硬度值高。
在进行布氏硬度试验时,照常理分析,即用同一球体对应同一试样,当变换试验力时,凹印面积会有变化,试验力大压痕深,凹印面积大;试验力小压痕浅,凹印面积小,但单位面积上的抗力应是相同的,即布氏硬度值应为常数。对于不同硬软的试样,当变换试验力时应有对应的差值,保证不同材料的可比性。实际上,在硬度检测中试验力与球任意变换时,直径的变化与凹印面积的变化在球冠与接近球径处是非线性关系的,对于硬软差异大的材料,压头压入深浅不同其应力状况也是复杂的。上述理想状况不存在。也就是说,在布氏硬度试验中,不能任意选择压头和试验力,必须遵守一定的规则,这就提出了相似原理问题。
GB231―63《金属布氏硬度试验方法》中规定的K值为30、10、2.5三种,球径φ10mm、φ5mm、φ2.5mm,GB231—84中K值规定为30、15、10、5、2.5、1.25、1共7种。球径增加φ2mm和φ1mm共5种。新颁布的《金属硬度试验》GB/T231.1—2002等效采用**标准ISO6506—1:1999。与原GB231—84比较,取消了用钢球压头和直径φ2mm球压头以及K值为1.25关系进行试验的规定,将“试样厚度至少应为压痕深度的10倍”改为“试样厚度至少应为压痕深度的8倍”;将“两相邻压痕中心距离至少为压痕平均直径的4倍”改为“两相邻压痕中心距离至少为压痕平均直径的3倍。钢类的0.12F/D2仅用30的比率。增加了对布氏硬度计的日常检查方法内容。
执行新标准GB/T231.1—2002内容中规定使用硬质合金(碳化钨)球,在执行中因为众多现行使用的硬度计要全部更换上硬质合金球,必然会有一个过渡期在过渡期中使用钢球压头时,则在用符号表示其测试结果时仍应写明HBS符号。
由于布氏硬度检测采用的压力大,压头球径大,压痕直径大,它适合具有大晶粒金属材料的硬度测定。例如铸铁、有色金属及其合金,各种退火、调质处理后以及大多数出厂供货的钢材等。特别是对于较软的金属,如纯铝、铜、铅、锡、锌等及其合金,测定出的硬度是很准确的。此种方法具有高的测量精度,复现性和代表性好。
它的不足之处是:操作时间较长,对不同硬软材料试样要选择和更换压头及检测力,压痕测量也稍费时。