硬度計-美國標準ASTM中關于鑄件硬度的要求及硬度計的選用方案

鑄造業是機械行業的一個重要分支，由于石墨的存在賦予鑄鐵優良的鑄造性能、切削加工性能、減磨性能、減振性能以及低的缺口敏感性。而且鑄造生產設備簡單, 制造成本低，因而在工業生產中得到廣泛應用。在各類機械產品中，按質量計算，鑄件所占比例高達50%以上。

鑄造件第一位的質量指標就是力學性能，測試工件力學性能的方法主要有兩個，其一是拉伸試驗，其二是硬度試驗。拉伸試驗測試的是工件的抗拉強度，屈服強度和伸長率，而硬度試驗反映的是在各自規定的條件下材料彈性、塑性、強度、韌性及磨損抗力等多種物理量的綜合性能。在美國鑄件標準中幾乎每一種產品都規定了拉伸試驗。多數產品規定了硬度試驗。

拉伸試驗設備復雜，投資較高，需要專業人員，需要制備試樣，試驗效率低，成本高。硬度試驗設備簡單，易于掌握，壓痕很小，可視為無損檢測，可直接測試成品或半成品工件。測試效率高，可用于對成批工件的逐件檢測。隨著硬度計制造技術的進步，各種便攜式儀器，特別是高精度便攜式儀器不斷出現，使得硬度測試實現了簡單、快捷和精確。使現場硬度檢測，生產線上的硬度控制及大工件的精確硬度檢測成為可能。

硬度試驗和拉伸試驗基本上都是檢測金屬抵抗塑性變形的能力。兩種試驗在某種程度上是檢測金屬相似的特性。二者的試驗結果是完全可以相互比較的，對于多數金屬材料，硬度值和抗拉強度值是可以通過查表相互換算的。因此在測試材料力學性能時，人們越來越多地選擇采用硬度試驗，而較少選用拉伸試驗。

作者研究整理了美國標準ASTM中關于鑄件硬度要求的規定。

本文主要有兩部分內容，第一，美國標準ASTM中典型鑄造產品關于硬度要求方面的規定。第二，在鑄造產品檢測中硬度計的選用方法。

一、美國標準ASTM中關于鑄件硬度的要求

1、灰口鐵鑄件（ASTM A48-92）

適用于主要考慮抗拉強度的一般工程用灰口鐵鑄件，鑄件根據不同鑄造試棒的抗拉強度分級。在此類鑄鐵件中，化學成分相對于抗拉強度來說是次要的。鑄件在訂貨或生產時，根據單獨鑄造的試樣性能分成若干個等級，每一等級采用一個數字后接一字母表示，數字表示單獨鑄造試棒的最小抗拉強度，字母表示試棒的規格。例如：灰口鐵鑄件，ASTM A48，30B級表示按標準ASTM A48生產的，最小抗拉強度為30千磅/英寸2（207MPa），試棒的公稱直徑為1.2英寸（30.5mm）。標準述及“在生產廠和購買方達成書面協議時，要求鑄件滿足硬度、化學成分、顯微組織、壓漏、X線檢驗無缺陷、尺寸、表面精度等要求是必要的”。

2、機動車用灰口鐵鑄件（ASTM A159-88）

適用于以砂模鑄造的，在汽車、拖拉機及相關工業中使用的灰口鐵鑄件。

訂貨合同應包括如下條款：

• 是否需要特殊熱處理。
• 進行硬度試驗的表面。
• 所要求的表面硬化深度和表面硬度。

硬度要求：

鑄造廠應采取必要的控制和檢驗技術以保證鑄件符合所規定的硬度范圍，布氏硬度按ASTM

E10試驗方法，在鑄件表面已經去除足夠厚度的材料后測試，以保證硬度讀數的代表性。除另有協議外，應采用10毫米的鋼球和3000公斤負荷。在鑄件上檢測硬度的面積及其位置應由供需雙方商定，并在圖紙上標出。

灰口鐵牌號、硬度范圍，采用10毫米鋼球，3000公斤力得到的布氏壓痕直徑（BID）的毫米數和冶金說明如下：

重負荷下的制動器圓轂和離合器磨擦片的牌號與硬度要求如下：

合金灰口鐵機動車凸輪軸的牌號為G4000d，鑄件硬度——按照供需雙方的商定，在支撐面上測定的硬度為241-321HB。

3、球墨鑄鐵鑄件（ASTM A536-84）

適用于由球墨鑄鐵制作的鑄件，這種鑄鐵含有球狀石墨，基本上沒有其他形式的石墨。

鑄件牌號按“抗拉強度——屈服強度——延伸率”來表示，例如：

牌號：80-55-06

代表抗拉強度80000磅/英寸2（552MPa），屈服強度55000磅/英寸2（379MPa），延伸率6.0%（2英寸或50mm）。

鑄件應進行適當的熱處理，如退火、正火、淬火并回火等。

在合同或訂貨單中有規定時，鑄件應滿足硬度、化學成分、顯微組織……等要求。

4、奧氏體球墨鑄鐵鑄件（ASTM A439-89）

適用于主要用于耐熱、耐腐蝕和耐磨的奧氏體球墨鑄鐵件。鑄件應進行消除應力、穩定性處理或退火等熱處理。鑄件的硬度要求如下：

鑄件的硬度檢測

5、等溫淬火球墨鐵鑄件（ASTM A897M-90）

適用于需要進行等溫淬火熱處理的球墨鐵鑄件。等溫淬火可以使同一鑄件的不同部位或同一爐鐵水鑄成的不同鑄件間的力學性能差異縮小。應用等溫淬火熱處理可以擴大在球墨鑄鐵件上可得到的性能范圍。各牌號鑄件的力學性能要求如下：
 

6、高溫用鐵素體球墨鑄鐵承壓鑄件（ASTM A395 M-88）

適用于高溫承壓用的球墨鑄鐵制造的閥門、法蘭盤、管配件、泵和其他管道配件。訂貨合同中應包括熱處理要求。鑄件的硬度要求如下：鑄件和試樣的硬度應在下列范圍：布氏硬度、3000kg力/10mm球，HB143-187。

7、珠光體可鍛鑄件（ASTM A220 M-88）

適用于從常溫到400℃條件下工作的一般工程用珠光體可鍛鑄鐵鑄件。如果購貨合同要求進行硬度試驗，則應說明可以接受的硬度范圍，試驗部位應清晰地示于附圖上。只要有可能，就應采用ASTM E10規定的布氏硬度試驗方法。并且應盡量采用3000kg力/10mm球的試驗條件，如果由于工件尺寸或形狀不允許，則可采用1500kg力/10mm球。在不能采用布氏硬度計的特殊情況下，可按照ASTM E18的規定，采用洛氏硬度試驗方法來代替。各級別珠光體可鍛鑄鐵件的力學性能如下：
 

8、鐵素體可鍛鑄鐵鑄件（ASTM A47M-90）

適用于常溫到400℃條件下工作的一般工程用鐵素體可鍛鑄鐵鑄件。典型零件抗拉試驗及硬度要求如下：
 

9、汽車用可鍛鑄鐵鑄件（ASTM A602-87）

適用于汽車工業和同類型工業產品所用的鐵素體、珠光體、回火珠光體和回火馬氏體級的可鍛鑄鐵鑄件。鑄件應進行熱處理。硬度要求鑄件應實行必要的控制和檢驗工序以保證符合規定的硬度范圍。硬度讀數應按照ASTM E10，從鑄件表面清除足夠厚度的材料之后測取，以保證硬度值的代表性。應由供需雙方協商一致并按圖紙所示，確定鑄件檢查硬度的表面或區域。鑄件力學性能如下：
 

10、耐磨鑄鐵（ASTM A532/A532M-87）

本標準適用于一組合金化的白口鑄鐵，以保證在采礦、選礦、泥土裝卸和制造工業中應用時的高耐磨性。 Ⅱ級和Ⅲ級合金經常按熱處理狀態訂貨，最大硬度為400HB。硬度測試可在鑄件原始表面的任何部位進行。壓痕可在鑄件的原始表面上做出，或深入原始表面1/8英寸。硬度按照下列ASTM標準規定的方法進行測試。優先選用的方法是采用碳化鎢球和3000公斤力的ASTM E10布氏試驗法。作為任選方法，可采用ASTM E18標準中的洛氏方法，采用洛氏C標尺，金剛石圓錐壓頭和150公斤力。采用下列公式將HRC測量值換算成HB當量值。 HB=0.363(HRC) 2-22.215(HRC)+717.8 耐磨鑄鐵鑄件的硬度要求如下：

二、硬度計在鑄造件上的應用

1、布氏硬度計

鑄造件的硬度檢測首選布氏硬度計，特別是晶粒比較粗大的灰口鐵鑄件，只能采用布氏硬度計，并且要盡量選用3000kg力，10mm球的試驗條件，當鑄件尺寸較小時，也可選用洛氏硬度計。

在鑄造件硬度檢測方面優先選用布氏硬度計的原因在于以下兩點：

a、鑄鐵件通常組織不均勻，晶粒較大，含有的碳、硅和其他雜質也比鋼材多，在不同的微小區域內或不同的點上硬度的大小會有所不同。而布氏硬度計的壓頭尺寸較大，壓痕面積較大，可以測出某一范圍內材料硬度的平均值，因此使用布氏硬度計測試精度較高，硬度值的分散性較小，測得的硬度值更能代表工件硬度的實際狀況。所以布氏硬度計在鑄造行業被廣泛應用。

b、抗拉強度是鑄件第一位的力學性能指標，幾乎所有的鑄造件標準中都有關于抗拉強度的要求。而鑄件的布氏硬度值和抗拉強度值具有非常密切的關系，二者的數值可以相互換算�；诣T鐵的抗拉強度可以由以下公式計算：

σb=1.82（HB）1.85

二者關系也可以通過查表得到。通過測試布氏硬度值可以快速、方便地得到工件的抗拉強度值。從而提高檢測效率、降低試驗成本。

2、洛氏硬度計

洛氏硬度計也常用于鑄鐵的硬度試驗。凡是晶粒較細的工件，如果沒有足夠的面積作布氏硬度試驗，也可以進行洛氏硬度試驗，對于珠光體可鍛鑄鐵，冷硬鑄鐵和鑄鋼件，可以采用HRB或HRC標尺，如果材質不均勻，應測出幾個讀數，取其平均值。

洛氏硬度計測試快速，方便，壓痕小，可以直接測試成品工件，適于對成批生產的成品或半成品工件的逐件檢測。

3、肖氏硬度計

在個別情況下，一些型體較大的鑄造件，不允許切割試樣，也不能另外鑄造用于硬度測試的試驗塊，這時硬度檢測會遇到困難。對于這種情況，常用的辦法是，在鑄件進行精加工之后在光潔的表面上用便攜式的肖氏硬度計測試硬度。例如冶金行業廣泛應用的軋輥標準中就規定要使用肖氏硬度計測試硬度。

肖氏硬度計由于采用了動態硬度檢測原理，影響硬度測試結果的因素較多，測試精度遠低于采用靜態的壓痕硬度測試原理的布氏硬度計和洛氏硬度計。由于這個原因，在軋輥標準中還推薦采用一種硬度對比輥，硬度對比輥起到一個標樣的作用，其硬度值是依靠切割試樣的辦法得到精確測試的。使用肖氏硬度計測試軋輥之后，要在對比輥上核對肖氏硬度計的檢測精度。

4、里氏硬度計

目前，在鑄造件硬度檢測上里氏硬度計被廣泛使用。里氏硬度計是對肖氏硬度計的改進。它也是采用動態硬度測試原理，利用計算機技術實現了硬度計的小型化，電子化，使用簡單方便，測試結果可方便地換算成布氏硬度值，因而得到廣泛歡迎。

但是，同肖氏硬度計一樣，里氏硬度計的精度也不高，影響測試精度的因素較多，要求工件表面具有較高的光潔度，并且缺乏權威的硬度換算表，硬度換算也會帶來較大誤差。因此里氏硬度計的測量結果常常被人們作為參考值在國內使用，里氏硬度計主要用于對工件硬度要求范圍較寬的場合。另外，里氏硬度計作為非正規的硬度檢測方法，在國際標準化組織中沒有得到廣泛認可，在國外鑄造件的產品標準中也沒有被采用。在國際貿易中，里氏硬度計的測量結果不會被多數外商接受。

許多鑄造件都是中大型工件、有些重達幾噸，無法搬到臺式的硬度計上測試。鑄件的精確硬度測試主要采用單獨鑄造的試驗棒或鑄件上附帶的試驗塊。然而，無論是試驗棒還是試驗塊都無法完全代替工件本身，即使是同一爐鐵水，鑄造工藝和熱處理條件也相同，因為尺寸大小的巨大差異，會造成二者加熱速度，特別是冷卻速度不同，很難讓二者具有完全相同的硬度，由于這個原因許多客戶更關心和相信工件本身硬度。這樣就要求有一種便攜式的精確硬度計來測試鑄件硬度。

5、便攜式布氏硬度計

早期使用的便攜式硬度計是錘擊式布氏硬度計。這種儀器簡單、方便、價廉，但是精度不高。只能在要求較低時，作為半定量檢測方法來使用。

2008年, 公司生產出一種PHB150型高精度便攜式布氏硬度計_產品詳情>>。這種儀器采用剪力銷精確控制試驗力，試驗條件F/D2=30，相當于3000kg力，10mm球。試驗力誤差小于1%，硬度測試精度遠高于肖氏硬度計和里氏硬度計，這種儀器為鑄造件布氏硬度的現場精確檢測提供了一種新的先進手段。該儀器的測試頭取下來后還可以作為錘擊式硬度計使用，精度遠高于現有的錘擊式布氏硬度計。

6、便攜式大型洛氏硬度計

2008年，公司研制生產了PHR系列大型便攜式洛氏硬度計_產品詳情>>，儀器最大開口寬度達500mm，可以測試厚度小于500mm的鑄件，儀器重量只有8.7kg。便攜式洛氏硬度計可用于珠光體可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵及鑄鋼工件的現場精確硬度檢測。其測試誤并小于1.5HRC，與臺式的洛氏硬度計相同，符合洛氏硬度計的國家標準。測試精度之高，可測試的工件尺寸之大，在國內外都是獨一無二的。

7、便攜式布洛硬度計

2008年，公司還研制了PHBR系列便攜式布洛硬度計_產品詳情>>，該儀器將布氏硬度計的功能加到PHR系列洛氏硬度計上，使其具有布洛兩種硬度測試功能。該儀器有小型、大型和鏈式三個類型，共8種規格。儀器符合國內外關于布氏、洛氏硬度試驗的標準，測試精度高，測試值不需換算就符合大多數金屬零件的產品標準或圖紙要求，可以解決工業領域內遇到的大多數金屬硬度測試問題。該儀器十分適于檢測鑄件硬度。

公司生產的幾種便攜式硬度計，為鑄造行業提供了非常重要的檢測手段，使大型鑄造毛坯和精加工件的精確硬度檢測成為可能。儀器的測試原理符合大多數鑄件產品標準的規定。測量結果在國內外貿易中也容易得到接受。這些儀器的采用必將有助于我國鑄造產品的質量提升和鑄造產業的技術進步。