模具热处理质量检验

摘要：概述了模具热处理质量检验的内容和方法，介绍了冷作模具热处理、热作模具热处理、模具渗氮及软氮化、模具渗硼等工艺的质量检查要点，重点阐述了模具热处理的硬度检查。

关键词：模具热处理  质量检验  硬度测试

1、模具热处理质量的检查内容和方法

模具热处理质量检查内容包括模具材料检查、外观检查、变形检查、硬度检查、金相检验以及其他力学性能检验等内容。

1.1模具材料检查

模具材料检查属热处理生产现场检查。检查材料成分与图纸标定材料牌号是否相符，常采用火花鉴别辅之以点滴试验法，若发现异常，应进一步进行化学成份分析或作光谱分析以确定其真实成份。火花鉴别模具材料时应注意：磨削部位不影响模块外观、光洁度、精度及使用为原则。点滴试验比较成熟可靠的有Mn、Mo、Cr、Ni四种合金元素。占滴试验的测试面必须打磨光并清除油污保持清洁，若工作环境温度较低（如寒冷的冬季）则试件、试剂、吸水纸等均应加温或延长反应时间。

1.2模具热处理后的外观检查

一般热处理工件均用肉眼或低倍放大镜观察表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、腐蚀、锈斑等。重要工件检查裂纹可用磁力、渗透、超声等探伤方法。对表面允许喷砂的工件可浸油后喷砂直接观察。

1.3变形检查

（1）模孔、槽尺寸使用千分尺、卡尺、内径千分表等检查，以比较淬火前后的相关尺寸确定其变形量，对于小型精密模具，用工具显微镜或投影仪进行检查。

（2）薄板类工件用塞尺在平板上检查其翘曲量。

（3）长杆类、芯杆类工件（如冲头、顶杆、定位轴、导住、复位杆等）用顶尖或V型铁支持两端，使用百发有测量其振摆量，细小杆件可用塞尺在平板上测量弯曲量。

1.4硬度检查

所有热处理工件，均应根据图纸要求或工艺规定进行硬度检查。

一般正火、退火、调质零件的硬度检查用布氏试验机检查，淬火工件用洛氏硬度法检查，表面硬化工件硬化层硬度的测试，则用维氏硬度或显微硬度法检查，大型工件硬度测试，则可用锤击式布氏、肖氏或里氏硬度测试法检查。

1.5金相检查

在以下情况下进行金相抽检或检验。

（1）工艺规定必须进行金相检验时。

（2）当对某批或某工件的内在组织提出怀疑时。

（3）当变更工艺后由试生产转入正式生产前。

1.6其他力学性能检测

凡设计要求热处理后必须保证其某一力学性能指标（如冲击韧度、断裂韧度等）的工件，应先选取与模块牌号相同的材料做成标准试样，并与模块进行相同的热处理后送检。

2、冷作模具热处理质量检验

2.1外观检验

（1）模具表面不得有磕碰、划伤、烧毁及严重的氧化、脱碳、麻点、腐蚀及锈蚀现象。

（2）表面不得有各种裂纹，必要时用磁力，渗透等探伤手段检查。

（3）淬火、回火后模具必须清洗干净、孔、槽不得有各种盐溃、油腻等附着物。

（4）火焰淬火模具表面应无烧熔、氧化、裂纹等缺陷。

2.2变形检查

（1）凸凹模具零件热处理后变形量不得超过规定磨量的2/3。

（2）模具热处理后允许变形范围及中心孔距允许变形范围可参考表1。

表1  模具允许变形量

2.3硬度检查

（1）模具毛坯退火后硬度要求：碳素工具钢180-207HB；低合金工具钢207-241HB；中高合金工具钢217-255HB。

（2）凸凹模具零件淬火后应100%进行硬度检查，批量大者应40%硬度检查，60%用锉刀检查。

（3）冲裁类冷冲模具在离刃口5mm以内硬度必须达到设计要求，不得有软点；冷镦、冷挤、拉伸及压弯类模具，主要受力工作面及R处硬度必须达到设计要求。

（4）碳素工具钢小凸模尾部固定部分应控制在30-40HRC，其余部分淬硬必须达到设计要求。

（5）火焰表面淬火的大型模具，工作面硬度应不低于规定值上限，一般不允许有回火带及低硬区。可用里氏硬度仪对大型火焰淬火模面进行硬度分布差异测定。结构及形状复杂者允许有≤20mm低硬度区，但硬度值不低于10HRC。

2.4金相组织检验

（1）模具毛坯退火后其金相组织要求如表2。

表2  模具毛坯退火组织要求

碳素工具钢退火后的珠光体组织按GB1298-77第一级别图（2）评定；网状碳化物按GB1298-77第二级别图（2）评定。

合金工具钢退火后的珠光体组织按GB1299-77第二级别图（3）评定。

轴承钢退火后的珠光体组织为2-5级（按YB9-68第六级别图（4）评定），网状碳化物应≤3级（按YB9-68第六级别图（4）评定）。

高速工具钢和Cr12型钢退火后应检查共晶碳化物不均匀度（可根据锻件标准图片企业标准或上海工具厂标准评定）。

（2）淬火后马氏体等级按《JB2406-79，工具钢热处理金相检验标准》第十、第九级别图评定，要求碳素工具钢≤3级，高碳合金工具钢≤2级，中合金工具钢≤4级。

3、热作模具热处理质量检验

热作模具热处理后质量检验包括硬度、变形、外观检查等。

3.1外观检查

模具表面不应有肉眼可见的裂纹，尤其是工作面不应有明显磕碰伤痕。

3.2变形检查

模面变形是指模面的平面度，用平尺观测模面平面度，并用塞尺测量。锤锻模及压力机模面允许变形量如表3、表4。

表3  锤锻模模面允许变形量

表4  压力机模具允许变形蛳

压铸模平面允许变形量≤0.15mm。

3.3硬度检验

首先将检验部位磨光或抛光，一般用面氏或洛氏硬度计检查，根据情况亦可用肖氏或里氏硬度检查，模面硬度的检验部位应在型腔附近的平面上，当采用里氏硬度检查时，可测试型腔的内表面硬度。

4、渗氮（氮化）及氮碳共渗软氮化模具的质量检查

4.1外观检查

氮化或软氮化模具表面应为均匀一致的颜色，无花斑、无锈透、无碰伤。

4.2变形检查

工件弯曲、翘曲、扭曲变形，圆度及胀缩均应符合技术要求。

4.3硬度检查

使用小负荷维氏硬度或显微硬度检测同炉试样的渗层硬度，小模块可直接上机测试，其硬度符合表5要求。

4.4渗层组织检查

渗氮扩散层中，氮化物形状以符合氮化物形状级别图五级标准中的1-3级为合格（按GB11354-89钢铁零件渗氮层深度和金相组织检验标准评定）。

表5  模具气体软氮化渗层深度及硬度

渗氮层组织不应有网状氮化物和鱼骨状氮化物，允许有少量脉状组织。

渗氮后一般不再进行磨削加工，其化合物厚度一般应不大于0.03mm。

4.5抗蚀性检验

抗蚀渗氮（用于腐蚀性较强的塑料成型模具）应做抗蚀性检验。

抗蚀渗氮的工件应检验化合物层厚度及抗蚀性能。渗层厚度测量按JB2849-80《钢铁零件渗氮层金相检验标准》执行。对于合金结构和工具钢，在试样腐蚀后，可使用100倍显微镜测量其渗层深度，对于渗层深度难以显示的材料，可采用显微硬度梯度法确定。抗蚀性能检验可将工件或试样浸入6%-10%（质量比）的硫酸铜水溶液中保持1-2min，检验表面有无铜的沉积，如无沉积则为合格。也可将工件或试样浸入每升溶有10g赤血盐和10g氯化钠的蒸馏水中1-2min，表面若无蓝色印迹即为合格。检验后须立即用水清洗。

5、渗硼模具质量检验

渗硼件质量检验遵循JB4215-86硼砂熔盐渗硼标准中第5条规定。

本文补充另一种浸蚀剂的配方及操作要点：

苦味酸5g，NaOH25g，H₂O100g。制备好的试样保存在不锈钢封闭容器内，浸蚀温度为35-40℃，时间30s左右。FeB着成浅蓝色，Fe₂B着成黄色，当浸蚀时间缩短时，FeB呈棕色，Fe₂B呈浅黄色。

若需同时显示渗硼层组织与基体显微组织时，经三钾试剂浸蚀后（或经苦味酸试剂浸蚀后），再用3%（质量比）硝酸酒精溶液腐蚀即可显示基体组织。

浸蚀操作时，试样在浸蚀前后的水洗及酒精冲洗工作一定要严格操作，试样的腐蚀往往不是一次就能成功，而需反复抛光、浸蚀，有时达数次方可取得满意效果。

6、模具的硬度检验

硬度检验是模具热处理最通用的检验方法，这不仅因为硬度检查具有直观、方便、经济、实用等特点，更重要的是因为模具设计对热处理除了变形量要求外，往往仅限于硬度指标。除此之外，硬度与强度还有一定的对应换算关系，而强度测试却比硬度测试复杂得多。例如有的标准件（螺栓40Cr?12.9级）热处理就是根据其硬度与强度的对应关系在热处理后测试其硬度，而很少测试其强度。

6.1硬度及测试方法概述

硬度是固体材料抵抗弹、塑性变形或破坏的能力。它不是一个单纯的物理或力学量，它是代表着弹、塑性、塑性形变强化率、强度和韧度等一系列不同物理量组合起来的一种综合性指标。从理论上讲，用不同测试方法所得的硬度之间并无简单准确的相互关系作为换算的基础。文献上所列的换算公式和对照表，仅仅是根据对同类金属材料在相同状态下和一定硬度范围内进行比较分析而归纳出来的经验关系。这些换算关系式对照表有一定的实用价值，但在要求比较准确时便不宜采用。

硬度测试方法按其施加负荷的方式可分为静负荷测试和动负荷测试法两种。前者是在静负荷作用下把压头（测试头）压入材料一定深度来测定硬度的一种测试方法，如布氏、洛氏、表面洛氏、维氏、显微硬度法等；而后者则是在动负荷作用下使压头冲击（或打击）材料体以测定其硬度值的一种方法，如冲击布氏、肖氏、里氏硬度法。一般说来，静负荷测试法适用于上机方便的小工件或随炉专用试样，而动负荷测试法则适用于现场测试上机不便的大型工件。

6.2布氏硬度测试仅适用于模具毛坯

由于布氏硬度是以一定直径的淬火钢球或硬质合金球为压头，在一定负荷作用下压入试件表面，经一定的负荷保持时间（10-15s，下文简称为保荷时间）后卸去负荷，形成球缺装压痕，以试验载荷除以由压痕直径求得的压痕表面积所得的商值为示值，故其与其他硬度试验方法相比，压痕较大，可用来测定硬度不均匀材料（如铸件、粉末冶金件、钢料原材、轧材、锻材等），可求出其平均硬度值。同时由于其使用的压头为淬火钢球（硬度示值为HBS）或硬质合金球（示值为HBW），故对淬硬材料而言，因在测试时由于压头的变形问题，所以很难测得准确的硬度值。故布氏硬度测试仅适用于退火、正火、调质等毛坯件。

布氏硬度测试范围为：用钢球压头时小于450HB的材料，用硬质合金球时小650HB的材料。

布氏硬度测试法已在GB231-84中详加规定，本文只强调以下两点，其他内容不予赘述。

（1）对于大型工件，由于上机困难，可使用锤击式简易布多硬度计测试。

（2）布氏硬度有两种压头，其示值分别为HBS（淬硬钢球）和HBW（硬质合金球）表示，但硬度值低于320时，往往省略了S或W，均以HB表示，所以我们通常看到的布氏硬度示值为HB，当硬度值＞320时仍以HB表示则是不规范、不准确的。

6.3洛氏硬度有30种标尺

洛氏硬度测试是用表6所示的金钢石或球状压头，施加预载荷，然后再加主载荷，当卸去主载而复原至预载状态时，可根据两次预载下压头压入深度之差h由表6中的硬度宣言式求得示值。预载荷为10kg的硬度叫做洛氏硬度，预载荷为3kgf的硬度叫做表面洛氏硬度。

洛氏硬度共有30种标尺，JIS规定了表6所示的13种。

表6  洛氏硬度和表面洛氏硬度的主要标尺

洛氏硬度测试法已在我国的GB230-83中详加规定，本文不予重述，值得强调的是以下几点：

（1）尽管洛氏硬度有多种标尺，但常用的为A、B、C三种标尺，用金刚石压头时以C标度示值，用球状压头时，不管球径如何，均以B标度示值。

（2）洛氏硬度试验机的示值因金刚石压头的不同而发生变化，因此在换用压头时要用标准硬度块予以校准，对高硬度工件或用金刚石小面积载样台测试后也要用标准硬度块校准。

（3）试验载荷的施加速度和保荷时间要调整到使标准硬度块的实测值与标度值一致，例如：在测定60HRC的标准块时，如试验载荷加载时压头压入试件所需时间为2-3s，则保荷时间2-6s。

（4）实际测试时，保荷时间以示值指针基本停止移动为准。推荐以下3种情况的保荷时间：

①对施加主载荷后不随时间继续变形的试件，保持≤2s。

②对施加主载荷后随时间缓慢变形的试件，保持6-8s。

③对施加主载荷后随时间明显继续变形的试件，保持20-25s。

（5）试验应在20±10℃的温度范围进行。

（6）在圆柱面或球面上测得的洛氏硬度值应按有关文献上介绍的修正表数据予以修正（补加修正值），表中范围内未列出的其它直径和硬度值可用插入法求得修正值。

（7）更换压头或载样台、载样台大幅度上、下移动后开始测定时均应预测两次以上，然后进入正式试验。

（8）标准硬度块用完后即行报废，不得翻面使用，更不允许将压痕磨平后使用。

6.4维氏硬度适用于测定硬化层硬度

由高频淬火、火焰淬火、渗碳、渗硼、渗氮、PVC、CVD、TD处理、施镀等方法所形成的硬化层比较薄，要对硬化层进行硬度测试，一般用维氏硬度法（包括小负荷硬度法或显微硬度法）。

维氏硬度测试一般按GB4340-84执行，试件表面粗糙度≤0.2μm，试件或检测层厚度应≥1.5d（d为压痕对角线长度），施加载荷时间为2-8s，保荷时间：对黑色金属为10-15s，有色金属为30±2s，相邻两压痕中心距或任一压痕中心距试件边缘距离：黑色金属为≥2.5d，有色金属为≥5d。压痕两对角线之差不应超过对角线长度的2%。

维氏硬度测试法虽具有一个从最软到极硬的统一硬度标度，并且是较精确的测试方法，可以测量极薄极小的试件，甚至金相组织中各相的硬度，但其操作甚为繁琐，所以不宜采用作常规测试。

6.5肖氏硬度测试适用于大型零件

静负荷硬度测试法均把试年置于试验机载样台上测试，这样试件的最大尺寸使受到试验机机架尺寸的结束，对布氏、洛氏和维氏硬度试验而言，可测试的工件厚度为170-220mm，宽度为220-320mm（从载样台中心起，其进深为110-160mm），一般来说，随着试件尺寸的增大，由于其质量增大，同时被测部位又往往不在工件几何中心，从而使其上机测试很不方便。尽管有些工件可采用加装配重平衡块的办法来测试，但不仅操作困难，而且会形成一定的事故隐患，因工件失稳滑（坠）落会造成人机伤害事件，在此情况下可采用肖氏硬度试验法测试。

肖氏硬度是一种便携的回跳式动态负荷硬度测试，它以一定重量的冲头从一定高度自由下落到被测表面上，靠冲头中残留的储能使冲头反弹，以回跳高度确定其被测工件的硬度示值，因此，测试时需将硬度计垂直放于被测工件表面，保证冲头垂直下落。HS-D型肖氏硬度度可直接从表盘中读出示值。

肖氏硬度操作简单，可对其他硬度试验所不能测试的大型试件进行测试，压痕较浅，适用于成品的硬度测试。肖氏硬度只有一种标尺，便于软硬金属之间的比较。

肖氏硬度测试法按GB4341-84规定进行，本文需要强调的是：

（1）试件表面粗糙度值小于Ra3.2μm。

（2）试件应牢固地固定，为使试件的底面与载样台紧密接触，应转动手轮使测量筒下端紧压于试件之上，压紧力为20kgf。

（3）考虑硬化效应，试件同一位置不得进行二次测试。

（4）试件应无磁性。

6.6里氏硬度测试

里氏硬度（HL）是一种新型的反弹式动负荷硬度测试法，其冲击体不是靠自由下落储能回跳，而是用标准弹簧力打向被测工件表面，因此，其测量角度可任意，精确度较高。里氏硬度计体积很小，便于携带，常用于大型铸锻件、永久组装部件、难以接近或有限空间处零件的现场硬度测试，也可用于大型工件的硬度分布差异测试。里氏硬度计配有便携式微机联用系统，可自动换算成洛氏、布氏、维氏或肖氏硬度，并可直接打印出测量结果。

HLD型里氏硬度的测量范围见表7，被测表面粗糙度值应达到Ra≤2μm，表面清洁无油污，被测工件重要≥100g，厚度≥2mm，硬化层深度＞0.8mm。

表7  HL-D型里氏硬度计的测量范围

作者：重庆市华骏机电制造有限公司生产技术中心   杨凌平