模具材料及表面强化技术

第一篇 模具材料及热处理

1 绪论

1.1 模具在工业生产中的重要地位

1.1.1 模具在工业生产中的地位

1.1.2 模具在工业生产中的作用

1.2 模具生产的发展趋势

1.2.1 发展精密、高效、长寿命模具

1.2.2 发展高效、精密、数控自动化加工设备

1.2.3 模具制造的基本要求和特点

1.2.4 发展各种简易模具技术

1.3 模具材料的现状及发展趋势

1.4 模具选材、热处理及表面强化技术

1.4.1 模具选材及热处理

1.4.2 模具表面强化技术

1.5 本课程的性质和要求

2 模具的失效分析

2.1 失效分析

2.1.1 失效

2.1.2 失效分析

2.2 模具的服役条件与模具失效分析

2.2.1 模具的服役条件

2.2.2 模具失效分析

2.3 模具失效形式及失效机理

2.4 磨损失效

2.4.1 摩擦及磨损的概念

2.4.2 粘着磨损

2.4.3 磨粒磨损

2.4.4 腐蚀磨损

2.4.5 接触疲劳磨损

2.5 断裂失效

2.5.1 断裂分类

2.5.2 断口的宏观特征

2.5.3 韧性断裂的微观机制

2.5.4 脆性解理断裂的微观机制

2.5.5 准解理断裂

2.5.6 疲劳断裂的微观形貌

2.6 金属的断裂韧度

2.6.1 裂纹尖端应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc

2.6.2 脆性判据

2.6.3 影响断裂韧度的因素

2.7 变形失效

2.7.1 塑性变形失效

2.7.2 弹性变形失效

2.8 模具失效分析的重要性和基本内容

2.8.1 模具失效分析的重要性

2.8.2 模具失效分析的基本内容

2.9 影响模具失效的因素

2.9.1 模具结构

2.9.2 模具的机加工质量

2.9.3 模具材料

2.9.4 热处理

2.9.5 模具的服役条件

2.9.6 模具维护与管理

2.10 模具失效分析实例

案例1 Cr12钢冷冲模早期失效原因分析

案例2 5CrMnMo锻模使用中的失效分析与防止措施

思考题

3 冷作模具材料及热处理

3.1 冷作模具材料的分类及选用

3.1.1 冷作模具材料的分类

3.1.2 冷作模具材料的性能要求

3.1.3 冷作模具材料的选用

3.2 冷作模具材料的热处理

3.2.1 高碳非合金冷作模具钢的热处理

3.2.2 高碳低合金冷作模具钢的热处理

3.2.3 高耐磨冷作模具钢的热处理

3.2.4 冷作模具用高速钢的热处理

3.2.5 特殊用途冷作模具钢的热处理

3.3 新型冷作模具钢热处理案例

案例1 GD钢（7CrNiSiMnMoV）

案例2 65Nb钢（65Cr4W3Mo2VNb）

思考题

4 热作模具材料及热处理

4.1 热作模具材料的分类及选用

4.1.1 热作模具材料的分类

4.1.2 热作模具材料的特点及性能要求

4.1.3 热作模具钢的选用

4.2 热作模具材料的热处理

4.2.1 低耐热高韧性热作模具钢的热处理

4.2.2 中耐热韧性热作模具钢的热处理

4.2.3 高耐热性热作模具钢的热处理

4.2.4 奥氏体耐热模具钢的热处理

4.2.5 马氏体时效模具钢的热处理

4.3 新型热作模具钢热处理案例

案例1 5Cr2钢（5Cr2NiMoVSi）

案例2 H13钢（4Cr5MoSiV1）

案例3 3Cr2W8V钢制热挤压模具的热处理

案例4 5CrNiMo钢热锻模热处理工艺的改进

思考题

5 塑料模具材料及热处理

5.1 塑料模具材料的分类及选用

5.1.1 塑料模具材料的分类

5.1.2 塑料模具材料的性能要求

5.1.3 塑料模具材料的选用

5.2 塑料模具钢的热处理

5.2.1 非合金型塑料模具钢的热处理

5.2.2 渗碳型塑料模具钢的热处理

5.2.3 预硬型塑料模具钢的热处理

5.2.4 时效硬化型塑料模具钢的热处理

5.2.5 耐腐蚀塑料模具钢的热处理

5.2.6 整体淬硬型塑料模具钢的热处理

5.3 新型塑料模具钢及其热处理案例

案例1 25CrNi3MoAl钢

案例2 8Cr2S钢（8Cr2MnWMoVS）

思考题

6 其他模具材料

6.1 铸铁模具材料

6.1.1 铸铁模具材料概况

6.1.2 铸铁模具材料的应用

6.2 硬质合金和钢结硬质合金模具材料

6.2.1 硬质合金模具材料

6.2.2 钢结硬质合金模具材料

6.3 有色金属及合金模具材料

6.3.1 锌基合金模具材料

6.3.2 低熔点合金模具材料

思考题

第二篇 模具表面强化技术

7金属构件的表层残余应力

71残余应力的基本概念

711残余应力的性质及平衡条件

712残余应力的分类

713残余应力的极限

72残余应力的形成

721不均匀塑性变形引起的残余应力

722温度差异引起的残余应力

723焊接形成的残余应力

724金属的相变应力

73残余应力对金属构件性能的影响

731残余应力对疲劳强度的影响

732残余应力对静载强度的影响

733残余应力对加工精度的影响

734残余应力对刚度的影响

735残余应力对应力腐蚀的影响

74残余应力的测量

741应力释放法

742物理方法

思考题

8金属表面形变强化

81金属表面形变强化的机理及主要方法

811表面形变强化原理

812表面形变强化的主要方法

82喷丸强化

821喷丸强化用的设备

822喷丸材料

83喷丸强化工艺参数对材料疲劳强度的影响

831喷丸表层的残余应力

832喷丸表面质量及影响因素

84表面形变强化在模具表面强化工艺中的应用

思考题

9表面淬火

91感应加热表面淬火

911感应加热基本原理

912感应加热表面淬火工艺

913超高频感应加热表面淬火

914双频感应加热淬火和超音频感应加热淬火

915冷却方式和冷却介质的选择

916感应加热淬火件的质量检验

92火焰加热表面淬火

921火焰特性

922火焰加热表面淬火方法

923工艺参数选择

924火焰淬火的质量检验

925火焰淬火的安全技术要求

93其他表面淬火方法简介

931电解液淬火

932接触电阻加热淬火

933浴炉加热表面淬火

94表面淬火方法在模具表面强化工艺中的应用

思考题

10热扩渗技术

101热扩渗技术的基本原理与分类

1011热扩渗技术的基本原理

1012渗层形成机理

1013热扩渗速度的影响因素

1014扩渗层的组织特征

1015热扩渗工艺的分类

102渗碳

1021渗碳的目的及意义

1022渗碳方法

1023渗碳工艺

1024渗碳后的热处理

1025渗碳热处理后的组织与性能

1026渗碳在模具表面强化工艺中的应用

103渗氮

1031渗氮的目的及意义

1032渗氮方法

1033渗氮工艺

1034渗氮工件的预处理

1035渗氮后的组织与性能

1036渗氮在模具表面强化工艺中的应用

104碳氮共渗

1041碳氮共渗的特点及分类

1042碳氮共渗方法

1043碳氮共渗在模具表面强化工艺中的应用

105渗硼

1051渗硼的特点及分类

1052渗硼方法

1053渗硼层的组织

1054渗硼在模具表面强化工艺中的应用

106渗金属

1061渗金属的特点及分类

1062气体渗金属方法

1063液体渗金属方法

1064固体渗金属方法

1065渗金属法在模具表面强化工艺中的应用

思考题

11等离子体扩渗技术

111离子渗氮

1111离子渗氮的主要特点

1112离子氮化原理

1113离子渗氮设备

1114离子渗氮工艺

112离子渗碳、离子碳氮共渗

1121离子渗碳原理及优点

1122离子碳氮共渗、离子氮碳共渗

113等离子体扩渗技术在模具表面强化工艺中的应用

案例离子氮化PECVD　TiN膜复合处理提高切边模具寿命研究

思考题

12激光表面处理技术

121激光表面处理设备

1211激光的产生

1212激光器

1213激光处理用的外围设备

122激光表面改性工艺

1221激光表面相变硬化

1222激光表面熔覆与合金化

1223激光表面非晶化与熔凝

1224激光冲击硬化

123复合表面改性技术

1231黑色金属复合表面改性技术

1232有色金属复合表面改性处理

思考题

13电子束表面处理技术

131电子束表面处理原理与设备

1311电子束表面处理原理

1312电子束表面处理设备

132电子束表面处理工艺

1321电子束表面处理工艺的特点

1322电子束表面相变强化

1323电子束表面熔凝

1324电子束表面合金化

1325电子束表面非晶化

133电子束表面改性技术在模具表面强化工艺中的应用

案例1Cr12Mo1V1(D2)模具钢电子束表面改性研究

案例2几种典型电子束表面改性处理实例与效果

思考题

14电镀与化学镀

141电镀

1411电镀基本知识

1412常用金属及合金电镀

1413电镀技术在模具表面强化工艺中的应用

142电刷镀

1421电刷镀基本原理

1422常用金属电刷镀

1423电刷镀技术在模具表面强化工艺中的应用

143化学镀

1431化学镀的基本原理

1432常用金属化学镀

1433化学镀技术在模具表面强化工艺中的应用

思考题

15气相沉积技术

151化学气相沉积（CVD）

1511化学气相沉积设备

1512沉积过程

1513工艺要求

1514化学气相沉积在模具表面强化工艺中的应用

152物理气相沉积（PVD）

1521物理气相沉积的分类

1522真空蒸发镀膜

1523阴极溅射

1524离子镀

1525物理气相沉积在模具表面强化工艺中的应用

思考题

16堆焊技术

161概述

1611稀释率

1612熔合比

1613熔合区的成分、组织与性能

1614热循环的影响

1615热应力

1616堆焊工艺的主要应用

162堆焊合金的种类及选择

1621铁基堆焊合金

1622镍基堆焊合金

1623钴基堆焊合金

1624堆焊合金的选取原则

163堆焊方法的分类及选择

1631堆焊方法的分类及特点

1632堆焊方法的选择

164堆焊技术在模具表面强化工艺中的应用

案例1电渣堆焊锤锻模

案例2大型镶块式修边模具的堆焊

思考题

17热喷涂与热喷焊

171热喷涂概述

1711热喷涂的基本原理

1712热喷涂涂层的结合机理

1713热喷涂技术的特点

172热喷涂方法分类及一般工艺流程

1721热喷涂方法分类及特点

1722热喷涂的一般工艺流程

173热喷涂材料的性能要求及分类

1731热喷涂材料的性能要求

1732热喷涂材料的分类

1733热喷涂材料的选取原则

174热喷焊工艺及特点

1741热喷焊工艺的一般特点

1742热喷焊工艺的一般工艺流程

1743热喷焊工艺在模具表面强化中的应用

思考题

18离子注入与电火花表面强化

181离子注入

1811离子注入原理

1812离子注入特征

1813离子注入提高表面性能的机理

182离子注入在提高模具使用寿命方面的应用

案例1铝型材热挤压模具的离子注入

案例2注塑模具的离子注入

案例3一些常用工模具的离子注入改性效果

183电火花表面强化技术

1831电火花表面强化原理

1832电火花表面强化过程

1833电火花表面强化特点及强化层特征

184电火花表面强化技术在模具表面强化工艺中的应用

案例1煤车弹簧三角盖落料冲裁模电火花表面强化

案例2用电火花强化工艺修复锻模磨损表面

思考题

参考文献

《模具材料及表面强化技术》作为高等工科院校模具设计与制造类专业的专业课教材，与传统的相关教材相比，采用案例教学的方法，理论与实践相结合，全书注重模具材料的分类及热处理，模具材料失效分析以及材料的表面强化技术的原理及应用。做到由浅入深，易学易懂，突出模具材料的表面强化技术，兼顾原理与应用。

《模具材料及表面处理技术》力求理论联系实际，系统介绍各类模具的失效及使用寿命、常用模具材料的专业知识和热处理工艺、模具常用的几种表面处理技术等内容，突出国内外模具方面的新材料、新工艺、新技术。《模具材料及表面处理技术》内容丰富，实用性强，既有经典的模具材料基础知识介绍，又有作者近几年来的科研实验成果，反映了近年来国内外在模具方面的主要发展方向。《模具材料及表面处理技术》可作为普通高等教育应用型本科机械大类专业教材，也可供从事模具设计、制造、热处理等工作的有关工程技术人员参考。

本书按表面强化层形成的物理化学过程对表面强化技术进行分类，形成了表面强化技术的系统化与科学体系。重点阐述了水溶液沉积、固态相变等。

本书主要包括两大部分：*篇是铝及铝合金表面强化技术，介绍了铝及铝合金的特性、应用和表面强化前处理技术，铝及铝合金的化学氧化、阳极氧化、微弧氧化、化学镀和阳极氧化后处理工艺；第二篇是镁及镁合金表面强化技术，介绍了镁及镁合金的特性、应用与表面强化前处理技术，镁及镁合金的化学转化、阳极氧化、微弧氧化、化学镀、电镀和其他表面强化技术。

本书可供表面处理、腐蚀与防护、电化学工程等领域的工程技术人员和生产技术人员使用和参考，也可供大中专院校有关专业的师生使用及参考。