模具材料及表面強(qiáng)化技術(shù)

前言

在模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)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(wèn)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(lái)越重視各種模具材料的性能、質(zhì)量及其選擇和使用問(wèn)題。正確和先進(jìn)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(zhǎng)模具零件的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，模具熱處理和模具表面強(qiáng)化技術(shù)有了飛速發(fā)展。本書(shū)是根據(jù)高等學(xué)校模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃、模具材料及表面強(qiáng)化課程的教學(xué)大綱要求、國(guó)內(nèi)外模具材料熱處理及表面強(qiáng)化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)模具企業(yè)的迫切需求編寫(xiě)的一本專(zhuān)業(yè)教材。本書(shū)注重對(duì)模具材料基本知識(shí)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(qiáng)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(lái)國(guó)內(nèi)外模具材料、熱處理和模具表面強(qiáng)化技術(shù)較成熟的科技成就，力圖建立理論聯(lián)系實(shí)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)?guó)內(nèi)外模具材料熱處理及表面強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化方法的能力，綜合運(yùn)用知識(shí)對(duì)失效模具進(jìn)行原因分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為確保教材質(zhì)量，在編寫(xiě)過(guò)程中，注重發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神，協(xié)同作戰(zhàn)精神，發(fā)揮每一位參編人員的強(qiáng)項(xiàng)。書(shū)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(shū)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(qiáng)教授主審。參加本書(shū)編寫(xiě)工作的還有：丁陽(yáng)喜，李樹(shù)楨，熊光耀，黎秋萍于影霞，陳朝霞等同志。在編寫(xiě)的過(guò)程中，繆燕平、李德英為本書(shū)繪制了部分圖片和照片，孫佳校對(duì)了部分書(shū)稿，在此一并表示感謝。由于作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和編寫(xiě)水平有限，書(shū)中難免存在不當(dāng)之處，敬請(qǐng)專(zhuān)家學(xué)者和廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書(shū)作為高等工科院校模具設(shè)計(jì)與制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)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(shí)踐相結(jié)合，全書(shū)注重模具材料的分類(lèi)及熱處理，模具材料失效分析以及材料的表面強(qiáng)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(qiáng)化技術(shù)，兼顧原理與應(yīng)用。     本書(shū)可供高等學(xué)校材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)（模具方向）的學(xué)生使用，也可供模具設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)以及材料熱處理專(zhuān)業(yè)的工程技術(shù)人員參考。

書(shū)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(shì) 　　　1.2.1　發(fā)展精密、高效、長(zhǎng)壽命模具 　　　1.2.2　發(fā)展高效、精密、數(shù)控自動(dòng)化加工設(shè)備 　　　1.2.3　模具制造的基本要求和特點(diǎn) 　　　1.2.4　發(fā)展各種簡(jiǎn)易模具技術(shù) 　　1.3　模具材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 　　1.4　模具選材、熱處理及表面強(qiáng)化技術(shù) 　　　1.4.1　模具選材及熱處理 　　　1.4.2　模具表面強(qiáng)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(jī)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(lèi) 　　　2.5.2　斷口的宏觀特征 　　　2.5.3　韌性斷裂的微觀機(jī)制 　　　2.5.4　脆性解理斷裂的微觀機(jī)制 　　　2.5.5　準(zhǔn)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(chǎng)強(qiáng)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(jī)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(hù)與管理 　　2.10　模具失效分析實(shí)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(lèi)及選用 　　　3.1.1　冷作模具材料的分類(lèi) 　　　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(lèi)及選用 　　　4.1.1　熱作模具材料的分類(lèi) 　　　4.1.2　熱作模具材料的特點(diǎn)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(shí)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(jìn) 　　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(qiáng)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(qiáng)化 　9　表面淬火 　10　熱擴(kuò)滲技術(shù) 　11　等離子體擴(kuò)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(qiáng)化 參考文獻(xiàn)

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(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，已成為當(dāng)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，將會(huì)起到越來(lái)越大的作用。模具工業(yè)的薄弱和技術(shù)水平的落后將嚴(yán)重制約工業(yè)產(chǎn)品造型的變化和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 1989年3月，國(guó)務(wù)院頒布的《關(guān)于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策要點(diǎn)的決定》中，把模具列為機(jī)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(guó)家對(duì)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(lái)，相繼把模具及其加工技術(shù)和設(shè)備列入了《當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》和《鼓勵(lì)外商投資產(chǎn)業(yè)目錄》；從1997年到2005年，對(duì)全國(guó)部分重點(diǎn)專(zhuān)業(yè)模具廠實(shí)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(guó)家計(jì)委和科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《當(dāng)前國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南（目錄）》。這些都充分體現(xiàn)了國(guó)務(wù)院和國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持，同時(shí)也說(shuō)明了模具工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guò)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(lì)聲音系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)成相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，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(jī)械振動(dòng)通過(guò)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(qiáng)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(duì)接接頭、十字接頭。將超聲頻的機(jī)械振動(dòng)通過(guò)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(guò)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(qiáng)化，從而重新調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，形成較大數(shù)值的有利于疲勞強(qiáng)度提高的表面壓應(yīng)力，致使沖擊后接頭疲勞強(qiáng)度得到顯著的改善。8.2  噴丸強(qiáng)化8.2.1  噴丸強(qiáng)化用的設(shè)備噴丸采用的設(shè)備按驅(qū)動(dòng)彈丸的方式可分為機(jī)械離心式噴丸機(jī)和氣動(dòng)式噴丸機(jī)兩大類(lèi)。噴丸機(jī)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(jī)械離心式噴丸機(jī)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(jī)功率小，制造成本高，主要適用于要求噴丸強(qiáng)度高、品種少、批量大、形狀簡(jiǎn)單、尺寸較大的零件。②氣動(dòng)噴丸機(jī)  以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)彈丸達(dá)到高速后撞擊工件的受?chē)姳砻?。工作室?nèi)可安置多個(gè)噴嘴，且方位調(diào)整方便，能最大限度地適應(yīng)受?chē)娏慵膸缀涡螤睢？赏ㄟ^(guò)調(diào)控氣壓來(lái)控制噴丸強(qiáng)度，操作靈活，一臺(tái)機(jī)器可噴多個(gè)零件，適應(yīng)于要求噴丸強(qiáng)度低、品種多、批量小、形狀復(fù)雜、尺寸較小的零部件。缺點(diǎn)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(qiáng)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(guò)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?jǐn)?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(qiáng)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(shí)嚴(yán)格地將破碎彈丸分離排除，則難以保證零件的噴丸強(qiáng)化質(zhì)量，但鑄鐵丸的最大優(yōu)點(diǎn)是便宜，所以目前有些單位還在使用鑄鐵丸。

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