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第一篇　模具材料及热处理1

1 绪论1

1.1　模具在工业生产中的重要地位1

1.1.1　模具在工业生产中的地位1

1.1.2　模具在工业生产中的作用2

1.2　模具生产的发展趋势2

1.2.1　发展精密、高效、长寿命模具2

1.2.2　发展高效、精密、数控自动化加工设备3

1.2.3　模具制造的基本要求和特点3

1.2.4　发展各种简易模具技术4

1.3　模具材料的现状及发展趋势4

1.4　模具选材、热处理及表面强化技术6

1.4.1　模具选材及热处理6

1.4.2　模具表面强化技术6

1.5　本课程的性质和要求6

2　模具的失效分析8

2.1　失效分析8

2.1.1　失效8

2.1.2　失效分析9

2.2　模具的服役条件与模具失效分析9

2.2.1　模具的服役条件9

2.2.2　模具失效分析10

2.3　模具失效形式及失效机理10

2.4　磨损失效10

2.4.1　摩擦及磨损的概念10

2.4.2　粘着磨损11

2.4.3　磨粒磨损12

2.4.4　腐蚀磨损13

2.4.5　接触疲劳磨损14

2.5　断裂失效15

2.5.1 断裂分类15

2.5.2　断口的宏观特征16

2.5.3　韧性断裂的微观机制19

2.5.4　脆性解理断裂的微观机制19

2.5.5　准解理断裂21

2.5.6　疲劳断裂的微观形貌21

2.6　金属的断裂韧度22

2.6.1　裂纹尖端应力场强度因子K1及断裂韧度K1c22

2.6.2　脆性判据23

2.6.3　影响断裂韧度的因素23

2.7　变形失效24

2.7.1　塑性变形失效24

2.7.2　弹性变形失效25

2.8　模具失效分析的重要性和基本内容25

2.8.1　模具失效分析的重要性25

2.8.2　模具失效分析的基本内容25

2.9　影响模具失效的因素27

2.9.1　模具结构27

2.9.2　模具的机加工质量28

2.9.3　模具材料28

2.9.4　热处理28

2.9.5　模具的服役条件28

2.9.6　模具维护与管理30

2.10　模具失效分析实例30

案例1　Cr12钢冷冲模早期失效原因分析30

案例2　5CrMnMo锻模使用中的失效分析与防止措施32

思考题34

3　冷作模具材料及热处理35

3.1　冷作模具材料的分类及选用35

3.1.1　冷作模具材料的分类35

3.1.2　冷作模具材料的性能要求37

3.1.3　冷作模具材料的选用39

3.2　冷作模具材料的热处理44

3.2.1　高碳非合金冷作模具钢的热处理44

3.2.2　高碳低合金冷作模具钢的热处理45

3.2.3　高耐磨冷作模具钢的热处理46

3.2.4　冷作模具用高速钢的热处理48

3.2.5　特殊用途冷作模具钢的热处理49

3.3　新型冷作模具钢热处理案例49

案例1 GD钢（7CrNiSiMnMoV）49

案例2　65Nb钢（65Cr4W3Mo2VNb）53

思考题56

4　热作模具材料及热处理57

4.1　热作模具材料的分类及选用57

4.1.1　热作模具材料的分类57

4.1.2　热作模具材料的特点及性能要求59

4.1.3　热作模具钢的选用60

4.2　热作模具材料的热处理65

4.2.1　低耐热高韧性热作模具钢的热处理65

4.2.2　中耐热韧性热作模具钢的热处理66

4.2.3　高耐热性热作模具钢的热处理67

4.2.4　奥氏体耐热模具钢的热处理69

4.2.5　马氏体时效模具钢的热处理70

4.3　新型热作模具钢热处理案例72

案例1 5Cr2钢（5Cr2NiMoVSi）72

案例2 H13钢（4Cr5MoSiV1）73

案例3　3Cr2W8V钢制热挤压模具的热处理75

案例4　5CrNiMo钢热锻模热处理工艺的改进77

思考题78

5　塑料模具材料及热处理80

5.1　塑料模具材料的分类及选用80

5.1.1　塑料模具材料的分类80

5.1.2　塑料模具材料的性能要求82

5.1.3　塑料模具材料的选用83

5.2　塑料模具钢的热处理86

5.2.1　非合金型塑料模具钢的热处理86

5.2.2　渗碳型塑料模具钢的热处理87

5.2.3　预硬型塑料模具钢的热处理88

5.2.4　时效硬化型塑料模具钢的热处理88

5.2.5　耐腐蚀塑料模具钢的热处理89

5.2.6　整体淬硬型塑料模具钢的热处理90

5.3　新型塑料模具钢及其热处理案例90

案例1　25CrNi3MoAl钢90

案例2 8Cr2S钢（8Cr2MnWMoVS）92

思考题95

6　其他模具材料96

6.1　铸铁模具材料96

6.1.1　铸铁模具材料概况96

6.1.2　铸铁模具材料的应用96

6.2　硬质合金和钢结硬质合金模具材料98

6.2.1　硬质合金模具材料98

6.2.2　钢结硬质合金模具材料102

6.3　有色金属及合金模具材料104

6.3.1　锌基合金模具材料104

6.3.2　低熔点合金模具材料106

思考题111

第二篇　模具表面强化技术112

7　金属构件的表层残余应力114

7.1　残余应力的基本概念114

7.1.1　残余应力的性质及平衡条件114

7.1.2　残余应力的分类114

7.1.3 残余应力的极限114

7.2　残余应力的形成114

7.2.1　不均匀塑性变形引起的残余应力114

7.2.2　温度差异引起的残余应力114

7.2.3　焊接形成的残余应力116

7.2.4　金属的相变应力116

7.3　残余应力对金属构件性能的影响117

7.3.1　残余应力对疲劳强度的影响117

7.3.2　残余应力对静载强度的影响117

7.3.3　残余应力对加工精度的影响117

7.3.4　残余应力对刚度的影响118

7.3.5　残余应力对应力腐蚀的影响118

7.4　残余应力的测量119

7.4.1　应力释放法119

7.4.2　物理方法120

思考题121

8　金属表面形变强化122

8.1　金属表面形变强化的机理及主要方法122

8.1.1　表面形变强化原理122

8.1.2　表面形变强化的主要方法122

8.2　喷丸强化123

8.2.1　喷丸强化用的设备123

8.2.2　喷丸材料123

8.3　喷丸强化工艺参数对材料疲劳强度的影响124

8.3.1　喷丸表层的残余应力124

8.3.2　喷丸表面质量及影响因素125

8.4　表面形变强化在模具表面强化工艺中的应用125

思考题125

9　表面淬火126

9.1　感应加热表面淬火126

9.1.1　感应加热基本原理126

9.1.2　感应加热表面淬火工艺127

9.1.3　超高频感应加热表面淬火127

9.1.4　双频感应加热淬火和超音频感应加热淬火128

9.1.5　冷却方式和冷却介质的选择129

9.1.6　感应加热淬火件的质量检验129

9.2　火焰加热表面淬火130

9.2.1　火焰特性130

9.2.2　火焰加热表面淬火方法130

9.2.3　工艺参数选择130

9.2.4　火焰淬火的质量检验130

9.2.5　火焰淬火的安全技术要求131

9.3　其他表面淬火方法简介131

9.3.1　电解液淬火131

9.3.2　接触电阻加热淬火132

9.3.3　浴炉加热表面淬火132

9.4　表面淬火方法在模具表面强化工艺中的应用132

思考题133

10　热扩渗技术134

10.1　热扩渗技术的基本原理与分类134

10.1.1　热扩渗技术的基本原理134

10.1.2　渗层形成机理135

10.1.3　热扩渗速度的影响因素135

10.1.4　扩渗层的组织特征135

10.1.5　热扩渗工艺的分类136

10.2　渗碳137

10.2.1　渗碳的目的及意义137

10.2.2　渗碳方法137

10.2.3　渗碳工艺138

10.2.4　渗碳后的热处理138

10.2.5　渗碳热处理后的组织与性能139

10.2.6　渗碳在模具表面强化工艺中的应用139

10.3　渗氮141

10.3.1　渗氮的目的及意义141

10.3.2　渗氮方法141

10.3.3　渗氮工艺142

10.3.4　渗氮工件的预处理143

10.3.5　渗氮后的组织与性能143

10.3.6　渗氮在模具表面强化工艺中的应用143

10.4　碳氮共渗145

10.4.1　碳氮共渗的特点及分类145

10.4.2　碳氮共渗方法145

10.4.3　碳氮共渗在模具表面强化工艺中的应用146

10.5　渗硼147

10.5.1　渗硼的特点及分类147

10.5.2　渗硼方法147

10.5.3　渗硼层的组织149

10.5.4　渗硼在模具表面强化工艺中的应用149

10.6 渗金属149

10.6.1　渗金属的特点及分类149

10.6.2　气体渗金属方法150

10.6.3　液体渗金属方法150

10.6.4　固体渗金属方法151

10.6.5　渗金属法在模具表面强化工艺中的应用153

思考题154

11　等离子体扩渗技术155

11.1　离子渗氮155

11.1.1　离子渗氮的主要特点155

11.1.2　离子氮化原理155

11.1.3　离子渗氮设备155

11.1.4　离子渗氮工艺156

11.2　离子渗碳、离子碳氮共渗156

11.2.1　离子渗碳原理及优点156

11.2.2　离子碳氮共渗、离子氮碳共渗157

11.3　等离子体扩渗技术在模具表面强化工艺中的应用157

案例 离子氮化-PECVD TiN膜复合处理提高切边模具寿命研究157

思考题157

12　激光表面处理技术158

12.1　激光表面处理设备158

12.1.1　激光的产生158

12.1.2　激光器159

12.1.3　激光处理用的外围设备160

12.2　激光表面改性工艺161

12.2.1　激光表面相变硬化161

12.2.2　激光表面熔覆与合金化163

12.2.3　激光表面非晶化与熔凝168

12.2.4　激光冲击硬化170

12.3　复合表面改性技术171

12.3.1　黑色金属复合表面改性技术171

12.3.2　有色金属复合表面改性处理171

思考题172

13　电子束表面处理技术173

13.1 电子束表面处理原理与设备173

13.1.1　电子束表面处理原理173

13.1.2　电子束表面处理设备173

13.2　电子束表面处理工艺174

13.2.1 电子束表面处理工艺的特点174

13.2.2　电子束表面相变强化174

13.2.3　电子束表面熔凝175

13.2.4　电子束表面合金化175

13.2.5　电子束表面非晶化176

13.3 电子束表面改性技术在模具表面强化工艺中的应用176

案例1 Cr12Mo1V1（D2）模具钢电子束表面改性研究176

案例2　几种典型电子束表面改性处理实例与效果178

思考题178

14　电镀与化学镀179

14.1 电镀179

14.1.1　电镀基本知识179

14.1.2　常用金属及合金电镀181

14.1.3 电镀技术在模具表面强化工艺中的应用183

14.2 电刷镀185

14.2.1　电刷镀基本原理186

14.2.2　常用金属电刷镀190

14.2.3 电刷镀技术在模具表面强化工艺中的应用191

14.3　化学镀193

14.3.1　化学镀的基本原理193

14.3.2　常用金属化学镀193

14.3.3　化学镀技术在模具表面强化工艺中的应用195

思考题196

15　气相沉积技术197

15.1 化学气相沉积（CVD）197

15.1.1　化学气相沉积设备197

15.1.2　沉积过程197

15.1.3　工艺要求198

15.1.4　化学气相沉积在模具表面强化工艺中的应用198

15.2　物理气相沉积（PVD）199

15.2.1　物理气相沉积的分类199

15.2.2　真空蒸发镀膜200

15.2.3　阴极溅射202

15.2.4　离子镀203

15.2.5　物理气相沉积在模具表面强化工艺中的应用204

思考题206

16　堆焊技术207

16.1 概述207

16.1.1　稀释率207

16.1.2　熔合比207

16.1.3　熔合区的成分、组织与性能207

16.1.4　热循环的影响208

16.1.5　热应力208

16.1.6　堆焊工艺的主要应用208

16.2　堆焊合金的种类及选择208

16.2.1　铁基堆焊合金209

16.2.2　镍基堆焊合金211

16.2.3　钴基堆焊合金211

16.2.4　堆焊合金的选取原则212

16.3　堆焊方法的分类及选择212

16.3.1　堆焊方法的分类及特点212

16.3.2　堆焊方法的选择214

16.4　堆焊技术在模具表面强化工艺中的应用216

案例1　电渣堆焊锤锻模216

案例2　大型镶块式修边模具的堆焊218

思考题219

17　热喷涂与热喷焊220

17.1　热喷涂概述220

17.1.1　热喷涂的基本原理220

17.1.2　热喷涂涂层的结合机理220

17.1.3　热喷涂技术的特点221

17.2　热喷涂方法分类及一般工艺流程221

17.2.1　热喷涂方法分类及特点221

17.2.2　热喷涂的一般工艺流程223

17.3　热喷涂材料的性能要求及分类224

17.3.1　热喷涂材料的性能要求224

17.3.2　热喷涂材料的分类225

17.3.3　热喷涂材料的选取原则226

17.4　热喷焊工艺及特点227

17.4.1　热喷焊工艺的一般特点227

17.4.2　热喷焊工艺的一般工艺流程228

17.4.3　热喷焊工艺在模具表面强化中的应用228

思考题229

18　离子注入与电火花表面强化230

18.1 离子注入230

18.1.1　离子注入原理230

18.1.2　离子注入特征230

18.1.3　离子注入提高表面性能的机理231

18.2　离子注入在提高模具使用寿命方面的应用232

案例1　铝型材热挤压模具的离子注入232

案例2　注塑模具的离子注入232

案例3　一些常用工模具的离子注入改性效果233

18.3　电火花表面强化技术233

18.3.1　电火花表面强化原理233

18.3.2　电火花表面强化过程233

18.3.3　电火花表面强化特点及强化层特征234

18.4 电火花表面强化技术在模具表面强化工艺中的应用235

案例1　煤车弹簧三角盖落料冲裁模电火花表面强化235

案例2　用电火花强化工艺修复锻模磨损表面236

思考题237

参考文献238