模具材料及表面強化技術(shù)

前言

在模具設(shè)計與制造過程中，能否合理地選用模具材料是模具制造成功的關(guān)鍵問題之一，模具材料是模具制造業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，模具制造企業(yè)和模具從業(yè)人員越來越重視各種模具材料的性能、質(zhì)量及其選擇和使用問題。正確和先進的模具熱處理可以充分發(fā)揮模具材料的潛在能力，可以延長模具零件的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，模具熱處理和模具表面強化技術(shù)有了飛速發(fā)展。本書是根據(jù)高等學(xué)校模具設(shè)計與制造專業(yè)的教學(xué)計劃、模具材料及表面強化課程的教學(xué)大綱要求、國內(nèi)外模具材料熱處理及表面強化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢和國內(nèi)模具企業(yè)的迫切需求編寫的一本專業(yè)教材。本書注重對模具材料基本知識和基本原理的闡述，力求由淺入深，易學(xué)易懂，突出案例教學(xué)、模具失效分析方法和模具材料的表面強化技術(shù)，兼顧原理與應(yīng)用。內(nèi)容精煉，體系完整。在內(nèi)容上力求有一定的深度和廣度，反映近年來國內(nèi)外模具材料、熱處理和模具表面強化技術(shù)較成熟的科技成就，力圖建立理論聯(lián)系實際，適應(yīng)模具行業(yè)科技與現(xiàn)代化發(fā)展需要的課程新體系，使學(xué)生能夠?qū)鴥?nèi)外模具材料熱處理及表面強化技術(shù)領(lǐng)域的科技發(fā)展全貌有基本的了解。著重于模具不同工況條件下的選材、熱處理新工藝、表面強化新技術(shù)新工藝，培養(yǎng)學(xué)生初步的合理選擇模具材料、熱處理工藝、表面強化方法的能力，綜合運用知識對失效模具進行原因分析和解決實際問題的能力。為確保教材質(zhì)量，在編寫過程中，注重發(fā)揮團隊精神，協(xié)同作戰(zhàn)精神，發(fā)揮每一位參編人員的強項。書中還配有一定量的習(xí)題，供學(xué)生熟習(xí)所講內(nèi)容，溫故知新。本書由何柏林主編，徐先鋒和趙龍志副主編，南昌航空大學(xué)魯世強教授主審。參加本書編寫工作的還有：丁陽喜，李樹楨，熊光耀，黎秋萍于影霞，陳朝霞等同志。在編寫的過程中，繆燕平、李德英為本書繪制了部分圖片和照片，孫佳校對了部分書稿，在此一并表示感謝。由于作者的實踐經(jīng)驗和編寫水平有限，書中難免存在不當之處，敬請專家學(xué)者和廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書作為高等工科院校模具設(shè)計與制造類專業(yè)的專業(yè)課教材，與傳統(tǒng)的相關(guān)教材相比，采用案例教學(xué)的方法，理論與實踐相結(jié)合，全書注重模具材料的分類及熱處理，模具材料失效分析以及材料的表面強化技術(shù)的原理及應(yīng)用。做到由淺入深，易學(xué)易懂，突出模具材料的表面強化技術(shù)，兼顧原理與應(yīng)用。     本書可供高等學(xué)校材料成型及控制工程專業(yè)（模具方向）的學(xué)生使用，也可供模具設(shè)計與制造專業(yè)以及材料熱處理專業(yè)的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第一篇　模具材料及熱處理 　1　緒論 　　1.1　模具在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位 　　　1.1.1　模具在工業(yè)生產(chǎn)中的地位 　　　1.1.2　模具在工業(yè)生產(chǎn)中的作用 　　1.2　模具生產(chǎn)的發(fā)展趨勢 　　　1.2.1　發(fā)展精密、高效、長壽命模具 　　　1.2.2　發(fā)展高效、精密、數(shù)控自動化加工設(shè)備 　　　1.2.3　模具制造的基本要求和特點 　　　1.2.4　發(fā)展各種簡易模具技術(shù) 　　1.3　模具材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 　　1.4　模具選材、熱處理及表面強化技術(shù) 　　　1.4.1　模具選材及熱處理 　　　1.4.2　模具表面強化技術(shù) 　　1.5　本課程的性質(zhì)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　模具的服役條件與模具失效分析 　　　2.2.1　模具的服役條件 　　　2.2.2　模具失效分析 　　2.3　模具失效形式及失效機理 　　2.4　磨損失效 　　　2.4.1　摩擦及磨損的概念 　　　2.4.2　粘著磨損 　　　2.4.3　磨粒磨損 　　　2.4.4　腐蝕磨損 　　　2.4.5　接觸疲勞磨損 　　2.5　斷裂失效 　　　2.5.1　斷裂分類 　　　2.5.2　斷口的宏觀特征 　　　2.5.3　韌性斷裂的微觀機制 　　　2.5.4　脆性解理斷裂的微觀機制 　　　2.5.5　準解理斷裂 　　　2.5.6　疲勞斷裂的微觀形貌 　　2.6　金屬的斷裂韌度 　　　2.6.1　裂紋尖端應(yīng)力場強度因子KⅠ及斷裂韌度KⅠc 　　　2.6.2　脆性判據(jù) 　　　2.6.3　影響斷裂韌度的因素 　　2.7　變形失效 　　　2.7.1　塑性變形失效 　　　2.7.2　彈性變形失效 　　2.8　模具失效分析的重要性和基本內(nèi)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內(nèi)容 　　2.9　影響模具失效的因素 　　　2.9.1　模具結(jié)構(gòu) 　　　2.9.2　模具的機加工質(zhì)量 　　　2.9.3　模具材料 　　　2.9.4　熱處理 　　　2.9.5　模具的服役條件 　　　2.9.6　模具維護與管理 　　2.10　模具失效分析實例 　　案例1　Cr12鋼冷沖模早期失效原因分析 　　案例2　5CrMnMo鍛模使用中的失效分析與防止措施 　　思考題 　3　冷作模具材料及熱處理 　　3.1　冷作模具材料的分類及選用 　　　3.1.1　冷作模具材料的分類 　　　3.1.2　冷作模具材料的性能要求 　　　3.1.3　冷作模具材料的選用 　　3.2　冷作模具材料的熱處理 　　　3.2.1　高碳非合金冷作模具鋼的熱處理 　　　3.2.2　高碳低合金冷作模具鋼的熱處理 　　　3.2.3　高耐磨冷作模具鋼的熱處理 　　　3.2.4　冷作模具用高速鋼的熱處理 　　　3.2.5　特殊用途冷作模具鋼的熱處理 　　3.3　新型冷作模具鋼熱處理案例 　　案例1　GD鋼（7CrNiSiMnMoV） 　　案例2　65Nb鋼（65Cr4W3Mo2VNb） 　　思考題 　4　熱作模具材料及熱處理 　　4.1　熱作模具材料的分類及選用 　　　4.1.1　熱作模具材料的分類 　　　4.1.2　熱作模具材料的特點及性能要求 　　　4.1.3　熱作模具鋼的選用 　　4.2　熱作模具材料的熱處理 　　　4.2.1　低耐熱高韌性熱作模具鋼的熱處理 　　　4.2.2　中耐熱韌性熱作模具鋼的熱處理 　　　4.2.3　高耐熱性熱作模具鋼的熱處理 　　　4.2.4　奧氏體耐熱模具鋼的熱處理 　　　4.2.5　馬氏體時效模具鋼的熱處理 　　4.3　新型熱作模具鋼熱處理案例 　　案例1　5Cr2鋼（5Cr2NiMoVSi） 　　案例2　H13鋼（4Cr5MoSiV1） 　　案例3　3Cr2W8V鋼制熱擠壓模具的熱處理 　　案例4　5CrNiMo鋼熱鍛模熱處理工藝的改進 　　思考題 　5　塑料模具材料及熱處理 　6　其他模具材料 第二篇　模具表面強化技術(shù) 　7　金屬構(gòu)件的表層殘余應(yīng)力 　8　金屬表面形變強化 　9　表面淬火 　10　熱擴滲技術(shù) 　11　等離子體擴滲技術(shù) 　12　激光表面處理技術(shù)　13　電子束表面處理技術(shù)　14　電鍍與化學(xué)鍍 　15　氣相沉積技術(shù) 　16　堆焊技術(shù) 　17　熱噴涂與熱噴焊 　18　離子注入與電火花表面強化 參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第一篇 模具材料及熱處理1 緒論1.1 模具在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位1.1.1 模具在工業(yè)生產(chǎn)中的地位模具是工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝裝備，模具工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)。采用模具生產(chǎn)零部件，具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低、節(jié)省能源和節(jié)省原材料等一系列優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，已成為當今工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。因此，模具工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高對國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，將會起到越來越大的作用。模具工業(yè)的薄弱和技術(shù)水平的落后將嚴重制約工業(yè)產(chǎn)品造型的變化和新產(chǎn)品的開發(fā)。 1989年3月，國務(wù)院頒布的《關(guān)于當前產(chǎn)業(yè)政策要點的決定》中，把模具列為機械工業(yè)技術(shù)改造序列的第一位，生產(chǎn)和基本建設(shè)序列的第二位。國家對模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極為重視，并采取了多種措施給予大力扶持。自1997年以來，相繼把模具及其加工技術(shù)和設(shè)備列入了《當前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》和《鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄》；從1997年到2005年，對全國部分重點專業(yè)模具廠實行增值稅返還70％的優(yōu)惠政策；1999年把有關(guān)模具技術(shù)和產(chǎn)品列入國家計委和科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《當前國家優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南（目錄）》。這些都充分體現(xiàn)了國務(wù)院和國家有關(guān)部門對發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持，同時也說明了模具工業(yè)在國民經(jīng)濟中的占據(jù)著重要地位。8.1.2.5超聲沖擊超聲沖擊的工作原理是通過超聲波發(fā)生器將電網(wǎng)50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的20kHz交流電，用以激勵聲音系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)成相同頻率的機械振動，在自發(fā)及外界所提供的一定壓力作用下，將這部分超聲頻的機械振動通過超聲沖擊針頭傳遞給工件表面，使表面金屬產(chǎn)生一定的塑性變形層，強化了金屬并引入了殘余壓應(yīng)力，目前該方法已成功地應(yīng)用在焊接對接接頭、十字接頭。將超聲頻的機械振動通過針頭傳遞到焊縫，使以焊趾為中心的一定區(qū)域的焊接接頭表面產(chǎn)生足夠深度的塑性變形層。從而有效地改善焊縫與母材過渡區(qū)（焊趾）的外表面形狀，降低焊接接頭的應(yīng)力集中程度，使接頭附近一定厚度的金屬得以強化，從而重新調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場，形成較大數(shù)值的有利于疲勞強度提高的表面壓應(yīng)力，致使沖擊后接頭疲勞強度得到顯著的改善。8.2  噴丸強化8.2.1  噴丸強化用的設(shè)備噴丸采用的設(shè)備按驅(qū)動彈丸的方式可分為機械離心式噴丸機和氣動式噴丸機兩大類。噴丸機又有干噴和濕噴之分。干噴式工作條件差，濕噴式是將彈丸混合在液態(tài)中成懸浮狀，然后噴丸，因此工作條件有所改善。①機械離心式噴丸機工作的彈丸由高速旋轉(zhuǎn)的葉片和葉輪離心力加速拋出。這種噴丸機功率小，制造成本高，主要適用于要求噴丸強度高、品種少、批量大、形狀簡單、尺寸較大的零件。②氣動噴丸機  以壓縮空氣驅(qū)動彈丸達到高速后撞擊工件的受噴表面。工作室內(nèi)可安置多個噴嘴，且方位調(diào)整方便，能最大限度地適應(yīng)受噴零件的幾何形狀?？赏ㄟ^調(diào)控氣壓來控制噴丸強度，操作靈活，一臺機器可噴多個零件，適應(yīng)于要求噴丸強度低、品種多、批量小、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。缺點是功耗大，生產(chǎn)效率低。8.2.2  噴丸材料噴丸常用鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、不銹鋼丸、玻璃丸等。與用于成型和清理的彈丸不同，強化用的彈丸幾何形狀必須呈圓球形，切忌帶尖棱角。此外，為避免沖擊過程中的大量破碎，必須具備一定的沖擊韌度。在具備較高沖擊韌度條件下，硬度越高越好。①鋼絲切割丸  目前使用的鋼絲切割丸是用含碳量（質(zhì)量分數(shù)）為O.7％的彈簧鋼絲（或不銹鋼絲）切割成段，再經(jīng)磨圓加工制成的。常用鋼絲直徑d=0.4～1.2mm，硬度45～50HRC最佳，鋼彈丸的組織最好為回火M或B，使用壽命比鑄鐵丸高20倍左右。②鑄鐵彈丸一般使用的冷硬鑄鐵丸的含碳量為2.75％～3.60％，硬度58～65HRC，但沖擊韌度較低。為提高彈丸的沖擊韌度，采用退火熱處理使硬度降低到30～57HRC，使彈丸的韌性獲得提高。噴丸強化常用彈丸的尺寸為O.2～1.5mm。鑄鐵丸易破碎，耗損量大，如不及時嚴格地將破碎彈丸分離排除，則難以保證零件的噴丸強化質(zhì)量，但鑄鐵丸的最大優(yōu)點是便宜，所以目前有些單位還在使用鑄鐵丸。

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