锻造件的硬度要求和硬度计的选用

锻造业是现代工业生产的支柱产业，许多复杂、力学性能要求较高的零件都优先选用锻造制坯的方式来生产。与铸造件相比，锻造件组织细密，碳化物分布和流线分布合理，在硬度、塑性、韧性等方面都得到了廉顾，只有最为优越的综合力学性能。此外，零件经过锻造加工还可以节约金属材料，减小切销加工量，提高生产率。

锻造工件，一般作为机械零件的毛坯，为了消除锻造应力，便于随后的切削加工，锻造后要进行适当的热处理，机械加工后还要进行最终热处理。力学性能是锻造件最重要的性能指标。几乎所有的锻造件都要求进行拉伸试验，大部分锻造件都要求进行布氏硬度试验。经过机械加工和最终热处理后的工件要进行洛氏硬度试验，如果工件尺寸过大，无法进行洛氏硬度试验，可采用肖氏或里氏硬度试验代替。

作者收集整理了美国标准ASTM中关于锻造件硬度要求的部分规定。

本文主要有两部分内容，第一部分，列举出美国标准ASTM中典型锻造产品关于硬度要求方面的规定，第二部分，介绍在锻造产品上硬度计的选用方法。

美国ASTM标准中关于锻造件硬度的规定

1、用作压力容器构件的碳素钢锻造件（ASTM A266/A266M-90）

适用于供锅炉、压力容器及有关设备用的4个牌号碳素钢锻造件。需方可在锻造件上任何位置检验其布氏硬度，硬度值应在下列范围内：

级别                    布氏硬度允许范围（HB）

1                            121-170 

2和4                         137-197 

3                            159-207

2. 冷轧和热轧用合金锻钢轧辊（ASTM A427-87）

适用于黑色或有色金属扁平轧材的冷轧和热轧用均质淬硬合金锻钢轧辊。硬度要求.

生产厂应按供需双方一致同意的硬度范围提供轧辊。

硬度试验应检查每个轧辊的硬度，硬度值应在合同规定的范围内。可使用肖氏硬度计，洛氏硬度计或维氏硬度计测试。硬度试验步骤、试验数量及部位可由供需双方商定。为确保轧辊纵横方向均匀性，对于每个轧辊应进行足够数量的硬度试验。生产厂应提供一份硬度试验报告，钢号、轧辊、型号和硬度计的型号应写入报告。

3、 一般工业用碳素钢和合金钢锻造件（ASTM A668-90）

适用于非处理的和热处理的一般工业用碳素钢和合金钢锻造件。

抗拉试验：锻造件应符合下表所示的抗拉性能。

硬度试验：应在最终热处理后（A类锻造件除外）和粗加工后进行布氏硬度试验；重量等于或小于7000磅（3180公斤）的每个锻造件均应进行布氏硬度试验。

每个锻造件上硬度读数的平均值均应在下表规定的范围内。任何重量超过250磅（113公斤）锻造件的硬度允许偏差，A类到E类不得超过30HB，F类到J类，不得超过40HB，K类到N类不得超过50HB。

应在重量超过250磅（113公斤）的盘状件、环状件和空心锻造件的每个平面上进行两次硬度试验。这两次试验的部位应在半径的中部并应相距成180度。例如：在一面上3：00和9：00时钟位置，相反一面则在6：00和12：00的时钟位置。重量超过250磅（113公斤）的实心锻造件，应在锻造件的周边上至少进行4次硬度试验，每端2次，相距180度。对于重量等于或小于250磅（113公斤）的锻造件，应在能代表一炉钢或代表每一热处理炉批中所含的几炉钢的已断裂试样上进行布氏硬度试验，试验结果应在下表规定的硬度范围内。

如果需方有要求时，锻造件可仅根据硬度试验供货。机械性能要求

4.不锈钢及耐热钢锻造件（ASTM A473-91a）

适用于一般用途及低温或高温下使用的奥氏体、奥氏体—铁素体、铁素体和马氏体不锈钢和耐热钢锻造件。

机械性能要求

材料应符合下表中规定的室温机械强度要求。

对于铁素体及马氏体钢，需方可规定用符合下表的硬度要求取代拉伸试验。

马氏体牌号锻造件应能在热处理后达到下表规定的硬度要求。

机械性能要求

热处理及硬度要求

5、 减速机大小齿轮用碳素钢和合金钢锻造件（ASTM A291-90）

适用于大小齿轮用经正火和回火的碳钢锻造件及经淬火和回火的合金钢锻造件。

布氏硬度要求

锻造件的硬度应符合下表规定的要求，布氏硬度试验应在机械加工到需方订货的尺寸以及消除应力之后，在锻造件上准备好的部位上进行。

硬度试验的数量和位置。对于直径大于和等于8英寸（203毫米）的每个锻造件，应在切出齿的部位外表面上做4个布氏硬度试验，即在相隔180o角的每条螺旋线上各做两个试验。

机械性能要求

6、用作管道构件的碳素钢锻造件（ASTM A105/A105M-87a

适用于室温和高温作业的压力系统所用碳素钢锻造管道构件，包括法兰、管配件、阀门及类似部件。按本标准制造的锻造件之最大重量限定为10000磅（4540公斤）。

拉伸试验

如果锻造件太小，可以仅根据硬度试验进行验收，每批锻造件应任意采取百分之一或十个锻造件（取较小值），按照ASTM A370标准中的布氏硬度试验方法制备试样，并进行试验，压痕的位置应由生产厂选定，但应选择足以代表整个锻造件的位置。一个锻造件应有一个压痕，但也可以另外压出若干个附加压痕，以确定有代表性的硬度值。所有锻造件的硬度应在HB137-187之间。

硬度试验

每一连续式或批式工件，应最少用2个锻造件做硬度试验，以保证锻造件硬度在下表规定的范围内。试验应按照ASTM A370标准进行，需方可在锻造件的任何位置上测量硬度，以验证是否符合规定，但是这种试验不得影响锻造件的使用。

需方可以在交货的任何一个或全部锻造件上，在锻造件的任何位置上，检验其硬度，并且硬度值应在HB137-187之间。不在规定硬度范围之内的任何锻造件都应拒收。

机械性能要求

7、高温作业管道锻造或轧制合金钢管法兰及锻制的管配件、阀门和部件（ASTM A182/A182M-91）

适用于压力系统用低合金钢和不锈钢锻制的管道配件，包括法兰、阀门及类似部件。

硬度试验

按规定用批式或连续式热处理炉处理过的锻造件，每批应最少取两个试样，按照ASTM A370标准进行硬度试验，以保证锻造件的硬度在下表规定的每个牌号的硬度范围内。需方可以在锻造件任何部位测试，以证实是否符合要求，但是这种试验不得导致锻造件不能使用。

当符合一定的规定可以减少拉伸试验次数时，应在规定锻造件上或试样上进行附加的硬度试验，在整个一批锻造件中分散进行。用批式热处理炉处理的锻造件，每批至少检验8个试样，连续式炉热处理的锻造件，每小时至少检验一个试样，如批式炉的一批锻造件不足8个，则每个锻造件都应试验，如果任何一个试验超出了规定的硬度范围，整批锻造件应重新

进行热处理，并执行铁素体和马氏体牌号钢（每炉钢应以每个热处理装炉批进行一个拉伸试验）的规定。

当需方提出要求时，每个锻造件均应进行硬度试验，硬度值应符合下表规定。

8、渗碳用合金钢锻造件（ASTM A837-90）

适用于渗碳用途的合金钢锻造件。

硬度要求

锻造件的最大硬度值为229HB。

硬度试验应在按照需方订货要求进行的机加工后，在锻造件预备表上进行。

对于非齿轮用途的锻造件，其硬度试验的数量和部位可由供需双方商定。

对于直径大于或等于8英寸（205毫米）的齿轮用锻造件，应在切齿部位的外表面上做四个布氏硬度试验，即在相隔180o角的每条螺旋线上各做两个试验，而且在这两条螺旋线上做的试验应相隔90o角。

对于直径小于8英寸的锻造件，应做两个布氏硬度试验，即在相隔180o角的每条螺旋线上各做一个试验。对于中空圆柱形锻造件，在相隔180o角的每一端都做一个硬度试验。硬度试验应在齿部直径的1/4面宽度进行。

锻造件硬度的检验方法

为了消除加工应力，调整组织，细化晶粒，为随后进行的切削加工准备良好的条件，锻造件加工之后都要进行适当的热处理，热处理方法包括退火，正火，正火及回火，淬火及回火等。为了保证热处理效果，工件的硬度值大多被规定在某一个硬度范围之内，少数被规定在某一个硬度值以下。硬度试验方法多数规定采用布氏硬度计，少数采用洛氏硬度计，个别

大型工件可采用肖氏硬度计或里氏硬度计。

众所周知，锻造件的硬度检验主要采用布氏硬度计，标准中或用户的图纸上要求的也几乎都是布氏硬度值，多种类型的锻造件都要求进行逐件检测，每个工件还要求检测多个点。

对于小型锻造件，可以直接在台式的布氏硬度计上检测。大中型锻造件，无法搬到台式机上测试，其硬度测试方法有两类，其一是采用便携式布氏硬度计，其二是采用其他便携式硬度计，测量后再换算成布氏硬度值。

锻造件一般只是机械零件的毛坯，锻造件生产出来之后还要送到机械加工厂进行切削加工，切削加工之后要进行最终热处理。最终热处理的方式包括正火，淬火-回火，渗碳，渗氮，局部高频淬火等。最终热处理后的工件有些可以作为机械零件直接使用，有些还要进行磨削等最终加工，然后作为机械零件使用。

以锻造件毛坯为原料加工成的机械零件，与以其他方法（例如挤压，轧制，铸造等）得到原料加工成的机械零件相比，具有最好的终合力学性能。这些工件要有良好的韧性，又要达到规定的硬度，具有工件在使用条件下必须具备的强度，耐磨性，表面硬度或局部硬度等性能。因此，最终热处理后的工件还要进行精确硬度检测，使用的硬度计应该是洛氏硬度计。工件较小时可用台式洛氏硬度计，工件较大，较重或较长时应采用便携式洛氏硬度计。当没有便携式洛氏硬度计或对硬度检测精度要求不高时，可使用肖氏硬度计、里氏硬度计或锤击式布氏硬度计。

目前国内外比较成熟的便携式布氏硬度计主要有以下几种：

1、液压式便携布氏硬度计

这种仪器采用液压原理，依靠手动加压的方式产生3000kg试验力。仪器有一个释压阀，每当压力达到3000kg时，释压阀开放，压力就会落下来，仪器说明中规定，要加压三次，让压力表指针三次冲击3000kg数值，以此来代替布氏硬度试验方法中关于3000kg力，加压15秒钟的规定。美国标准ASTM E110规定了这种试验方法。

上述三次加压的办法所产生的效果与标准中规定的3000kg力，加压15秒钟所产生的效果是不可能完全相同的，并且加力的速度不同，效果也会有所不同。因此这种仪器的精度要低于台式机。尽管如此，这种仪器还是得到了相当广泛的应用，其测试精度对锻造件来说已经能够满足要求。

这种仪器目前国内还没有生产，国外典型仪器是美国公司生产的KING型，英国富臻公司生产的134型和美国沃伯特公司生产的WHB120型。

2、剪销式便携布氏硬度计

这种仪器通过一个手柄，驱动一个精密丝杠系统施加试验力，利用一个剪力销精确控制试验力的大小，仪器采用1580kg的试验力，当试验力达到1580kg时剪力销折断，试验力卸除。这种仪器当试验力达到1580kg时剪力销折断，试验力会瞬间消失，不可能维持标准规定的15秒钟的时间。为了补偿这一差异，仪器生产厂根据布氏硬度试验原理中的公式经过大量对比试验，建立了数学模型，自制了布氏硬度表，根据试验后的压痕直径通过查表就可得到相应的布氏硬度值。仪器压头直径Φ7.26mm，试验条件F/D2=30，等效于3000kg力和10mm球的试验条件。仪器试验力误差小于1%，布氏硬度测试精度为2-3%。

这种仪器国内已经有生产，沈阳天星试验仪器有限公司生产的PHB150型和PHB300型就是这种原理的仪器。国外生产的这类仪器是瑞士ERNST生产的STE型。

3、锤击式布氏硬度计

锤击式布氏硬度计是依靠锤击将钢球同时压入试样及标准硬度块表面，将试样压痕直径与标准硬度块压痕直径相比较来确定试样的布氏硬度值。这是一种简单的动态硬度计。该硬度计可以近似而迅速地确定锻造件硬度。该仪器结构简单，使用方便，误差一般大于10%。

4、携带式简易布氏硬度计

这是一种简易的动态硬度测试仪器。该仪器采用一支弹簧给钢球施加冲击力，使其压入试样表面而得到压痕，测出压痕直径后查表得到布氏硬度值，该仪器的误差也是大于10%。

5、剪销式锤击布氏硬度计

剪销式便携布氏硬度计，其测头部分可以方便地取下来作为锤击式布氏硬度计使用，由剪销精确控制试验力，测试精度可达到±5%，其精度明显高于其他锤击式布氏硬度计，这种仪器只要接触工件的一侧即可测试，可测试任意大的工件，十分适于在生产现场对一般锻造件做逐件检测，每次测试只需消耗一支廉价的剪销即可。

当锻造件较大，不便移动，并且不可分割，不能在台式的布氏硬度计上测试时，还常常采用便携式的肖氏硬度计和里氏硬度计。

6、肖氏硬度计

肖氏硬度计采用动态硬度测试原理，让一个钢球从某一高度下落，冲击到试样表面，在这种冲击的作用下，试样表面发生塑性变形，吸收了部分能量，剩余能量使钢球弹回。试样越硬，变形越小，反弹高度越高。测试出钢球反弹的最大高度，即可得到试样硬度。

肖氏硬度计是便携式仪器，可以测试各种大型工件，但是这种仪器要求垂直使用，要求工件表面光洁度较高，影响测试精度的因素较多，误差也较大，其精度应在台式机的和老的锤击式布氏硬度计之间。锻钢轧辊的硬度测试普遍采用肖氏硬度计。

7、里氏硬度计

里氏硬度计是最近十几年发展起来的仪器。它是对肖氏硬度计的改进，也是采用钢球冲击试样表面，它测量的是钢球在距试样表面1mm处的反弹速度和下落 速度之比。这种仪器是电子式的，带有计算机，可以不必竖直使用，测试值可以自动换算成布氏，洛氏或肖氏硬度值。仪器小巧，使用非常方便，可以测试工件的不同部位，测试精度高于肖氏硬度计，远低于布氏，洛氏硬度计。

里氏硬度计也是要求工件表面光洁度较高，影响其测试精度的因素也较多，其换算成布氏硬度的误差也较大。尽管如此，由于其操作简单，使用方便，还是被人们迅速接受，在锻造件特别是精加工后的工件硬度测试方面被大量采用。

大型工件通常不便移动，又不允许切割，而对硬度检测精度要求又较高。以往在世界范围内都缺乏高精度的用于大型工件的便携式洛氏硬度计可以使用。不得已，人们只好用精度较低的肖氏硬度计。后来，肖氏硬度计经过改进，生产出来了里氏硬度计，而里氏硬度计的主要缺点还是精度较低，特别是工件表面不光滑时精度更低。大型工件的精确硬度检测一直是一个困扰人们的难题。

然而，现在情况不同了。

8、大型便携式洛氏硬度计

2008年，沈阳天星试验仪器有限公司生产出了PHR系列大型便携式洛氏硬度计，仪器的开口尺寸分别是200mm×100mm，200mm×250mm，500mm×300mm(宽×深)。仪器精度与台式的150A型相同，可以满足国家标准GB/T 230的规定，经中国计量院测试，仪器误差小于1.5HRC，最低可达到1.0HRC。可以测试最终热处理之后的以锻造件毛坯为原料的各种大型工件，可以测试板状、块状、管状、轴类以及其他形状的工件，仪器外形如大型千分尺一样，只要能够将仪器稳固地安装在工件上，并且能让测头垂直于工件表面，原则上任何工件都可以测试。

9、链式便携式洛氏硬度计

2008年，沈阳天星试验仪器有限公司还生产了PHR系列链式洛氏硬度计，这种仪器专门用于测试轴类、管类、环类等具有圆柱形表面或其他曲面的大型工件。仪器测试范围按工件直径划分，分别为：200-450mm，400-850mm，800-1600mm。直径在1600mm以下的工件都可以测试，如果有需求的话，原则上还可以制造尺寸更大的仪器。这种仪器与PHR C型便携式洛氏硬度计使用相同的测量头，具有相同的测试精度，经中国计量院测试，误差小于1.5HRC。

10、便携式布洛硬度计

2008年，沈阳天星试验仪器有限公司还研制了PHBR系列便携式布洛硬度计，该仪器将布氏硬度计的功能加到PHR系列洛氏硬度计上，使其具有布洛两种硬度测试功能。该仪器有小型、大型和链式三个类型，共8种规格。仪器符合国内外关于布氏、洛氏硬度试验的标准，测试精度高，测试值不需换算就符合大多数金属零件的产品标准或图纸要求，可以解决工业领域内遇到的大多数金属硬度测试问题。该仪器十分适于检测铸件硬度。

沈阳天星生产的几种便携式硬度计，为铸造行业提供了非常重要的检测手段，使大型铸造毛坯和精加工件的精确硬度检测成为可能。仪器的测试原理符合大多数铸件产品标准的规定。测量结果在国内外贸易中也容易得到接受。这些仪器的采用必将有助于我国铸造产品的质量提升和铸造产业的技术进步。

PHBR大型布洛硬度计和链式布洛硬度计的制造成功，为大工件的精确硬度检测提供了急需的检测手段，这种仪器的应用会提升大工件的产品质量和工艺水平，会促进重型机械、大工件生产等领域的技术进步。