第一章模具材料與熱處理概述

第一章模具材料與熱處理概述2023/12/27第一章模具材料與熱處理概述課程教學(xué)目的使學(xué)生熟悉、了解模具壽命及其影響因素，常用模具材料的性能特點(diǎn)及選用，一般模具熱處理工藝及選擇，掌握有關(guān)因素對(duì)模具壽命的影響，并能正確應(yīng)用這些規(guī)律指導(dǎo)模具選材，簡(jiǎn)明熱處理工藝制訂，模具設(shè)計(jì)、模具加工、模具使用和管理。第一章模具材料與熱處理概述課程教學(xué)要求要求學(xué)生了解和掌握模具壽命及其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響，模具失效形式及機(jī)理，模具壽命的影響因素,常用模具壽命分析方法。模具材料分類(lèi)、性能要求、選材原則。常用模具材料的性能特點(diǎn)，應(yīng)用范圍。根據(jù)模具工作條件和失效形式選用模具材料的方法。常用模具表面強(qiáng)化的類(lèi)型、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合、工藝方法。第一章模具材料與熱處理概述課程的教學(xué)任務(wù)機(jī)械制造基礎(chǔ)是機(jī)械類(lèi)、近機(jī)械類(lèi)各專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是:l）模具材料的性能：以力學(xué)性能為主，還要考慮物理性能、化學(xué)性能及工藝性能；2）熱處理方面：掌握模具材料的熱處理基本原理和工藝，掌握熱處理各種工藝方法的目的，以便正確選用熱處理工藝方法，合理安排工藝路線。3)表面熱處理:掌握模具材料的常規(guī)表面熱處理的基本原理和方法,正確選擇適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚矸椒?來(lái)提高模具的壽命.

第一章模具材料與熱處理概述課程的性質(zhì)和任務(wù)4）常用模具的分類(lèi)：掌握常用的冷作、熱作、塑料、壓鑄模具材料的分類(lèi)、成分、牌號(hào)、組織、性能和用途；以便合理選用不同使用條件下的模具材料。5）模具壽命的提高：掌握提高模具壽命的一般方法，并能初步分析失效原因，并能提出提高壽命的有效措施。第一章模具材料與熱處理概述教學(xué)方法本課程的教學(xué)環(huán)節(jié)包括課堂講授、項(xiàng)目教學(xué)、學(xué)生自學(xué)、答疑和期末考查。

*著重理解教學(xué)內(nèi)容,盡量避免死記硬背。*配合實(shí)驗(yàn)及多媒體信息,幫助和加深理解教學(xué)內(nèi)容。*利用網(wǎng)絡(luò)交流教學(xué)信息,如查閱資料、習(xí)題解答等。第一章模具材料與熱處理概述課程教學(xué)形式課程教學(xué)形式包括理論教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)、課堂討論、自學(xué)、輔導(dǎo)、習(xí)題等方式，其中理論教學(xué)以CAI為手段主要講授重點(diǎn)和難點(diǎn)。第一章模具材料與熱處理概述課程教學(xué)要求的層次本課程教學(xué)內(nèi)容的要求分為:掌握、熟悉、了解三個(gè)層次。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按:分析、觀察、掌握三個(gè)層次要求。第一章模具材料與熱處理概述教學(xué)內(nèi)容——理論教學(xué)第一章 模具材料與熱處理概述第二章 冷作模具用鋼及熱處理第三章 熱作模具用鋼及熱處理第四章 塑料模具用鋼及熱處理第五章 表面處理 第一章模具材料與熱處理概述教材與學(xué)時(shí)安排教材:《模具材料與使用壽命》理論授課學(xué)時(shí):16學(xué)時(shí)項(xiàng)目學(xué)時(shí):8學(xué)時(shí)第一章模具材料與熱處理概述第一節(jié)模具壽命與失效分析第二節(jié)模具的性能要求第三節(jié)模具用鋼及熱處理第四節(jié)模具鋼的生產(chǎn)加工工藝第五節(jié)模具鋼質(zhì)量、制造技術(shù)與模具壽命第一章模具材料概述目錄第一章模具材料與熱處理概述現(xiàn)狀分析模具材料的性能、品種數(shù)量等都有了很大的要求，模具材料市場(chǎng)也得到了前所未有的發(fā)展。其表現(xiàn)如下：首先表現(xiàn)為世界各大模具材料廠商都在中國(guó)市場(chǎng)扎根生葉，例如瑞典的一勝百，日本的日立、大同、東洋碳素，法國(guó)的奧布杜瓦，美國(guó)的芬可樂(lè)，德國(guó)的葛利茲、西格里等，其中瑞典一勝百所占的市場(chǎng)份額非常大;其次，國(guó)內(nèi)模具材料供應(yīng)商也發(fā)展迅速，尤其是國(guó)產(chǎn)鋼的發(fā)展，整體呈現(xiàn)出上升發(fā)展的趨勢(shì)，無(wú)論從用量上還是銷(xiāo)售金額上都占市場(chǎng)最大份額，但是采用國(guó)產(chǎn)材料生產(chǎn)的模具壽命較進(jìn)口材料的差;再次，很多模具材料供應(yīng)商不止供應(yīng)模具材料，而且提供了很多配套服務(wù)，例如機(jī)加工、熱處理等，以提高模具材料的附加價(jià)值。第一章模具材料與熱處理概述存在的問(wèn)題濫用、亂用模具材料，模具鋼材浪費(fèi)非常嚴(yán)重，既給模具企業(yè)帶來(lái)了成本上的提升，又帶來(lái)了污染。主要原因：

(1)凡是模具鋼用量多的地區(qū)，也是產(chǎn)生模具廢料多的地區(qū)。例如在廣東地區(qū)，其中用Crl2(Crl2MoV)和4Cr5MoSiVl(H13)鋼制作的廢模具每年以萬(wàn)噸計(jì)算，9Cr2Mo(9Cr2MoV)鋼的廢料也越來(lái)越多。這三種料分別用來(lái)制作冷作模具(陶瓷模、冷沖模)、鋁型材擠壓模和冷軋輥。(2)暴利的引誘。低價(jià)收購(gòu)廢模具，在中頻熔煉爐中融化后澆鑄成小鋼錠，并胡亂鍛成元鋼和板材，從而使劣質(zhì)材料泛濫成災(zāi)，特別是數(shù)量眾多的小型作坊式模具廠，是劣質(zhì)材料的主要去處。第一章模具材料與熱處理概述帶來(lái)的危害某些劣質(zhì)Crl2和Crl2MoV制作的冷作模具，在熱處理過(guò)程、線切割時(shí)、磨削過(guò)程、甚至在庫(kù)內(nèi)存放時(shí)發(fā)生爆裂，分析結(jié)果共晶碳化物不均勻度達(dá)8級(jí)，碳化物呈網(wǎng)狀分布，以塊狀、角狀存在的大塊碳化物達(dá)5級(jí)，一般疏松和中心疏松均嚴(yán)重超標(biāo)。第一章模具材料與熱處理概述學(xué)習(xí)目的-正確選用材料(1)零件產(chǎn)量很大、外形尺寸穩(wěn)定的模具應(yīng)采用高性能的材料制造，這類(lèi)模具材料還能進(jìn)行低真空表面強(qiáng)化處理，使模具的耐用度提高到新的水平;(2)模具形狀復(fù)雜，精度要求高，制造周期長(zhǎng)，模具的加工費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)模具的材料費(fèi)用，這種模具也應(yīng)采用高性能的材料制造;(3)高應(yīng)力的模具采用高性能的材料制造，并可用廉價(jià)的表面強(qiáng)化技術(shù)提高其耐用度;(4)零件產(chǎn)量不大的模具，形狀簡(jiǎn)單、應(yīng)力小、容易制造的模具，經(jīng)常改形的模具，可用普通鋼、鑄鐵甚至非金屬制造;(5)模具選材應(yīng)結(jié)合國(guó)家資源，選用我國(guó)富有元素的鋼號(hào);

(6)需用可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)選用材料，盡可能選用新鋼號(hào)，使科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，并把模具質(zhì)量提高—個(gè)臺(tái)階;(7)正確看待國(guó)產(chǎn)模具材料的發(fā)展。

第一章模具材料與熱處理概述第一節(jié)模具壽命與失效分析一、模具的服役條件冷作模具主要用于金屬或非金屬材料的冷態(tài)成形。冷作模具在服役過(guò)程中承受拉伸、彎曲、壓縮、沖擊、疲勞等不同應(yīng)力的作用，而用于金屬冷擠、冷鐓、冷拉伸的模具，還要承受300度左右的交變溫度作用；熱作模具主要用于高溫條件下的金屬成形，模具是在高溫下承受交變應(yīng)力和沖擊力，工件成形溫度往往在1000度以上，模具還要經(jīng)受高溫氧化及燒損，在強(qiáng)烈水冷條件下經(jīng)受冷熱變化引起的熱沖擊作用；塑料模具中的熱固性塑料壓模受力較大，而且溫度為200—250度左右，模具在較強(qiáng)的磨損及浸蝕條件下工作，而熱塑性塑料注射模其受力、受磨損都不太嚴(yán)重，但部分塑料品種含有氯及氟，當(dāng)壓制時(shí)易放出腐蝕性氣體，模具型腔經(jīng)受氣體腐蝕作用。第一章模具材料與熱處理概述

二、模具的失效形式

零件的失效形式比較復(fù)雜，根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類(lèi)型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類(lèi)型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應(yīng)力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應(yīng)力脆斷失效塑性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效失效形式第一章模具材料與熱處理概述失效形式冷作模具脆斷熱作模具冷熱疲勞裂紋變形第一章模具材料與熱處理概述三、模具失效分析-提高壽命的先決條件

系統(tǒng)、設(shè)備、工件等產(chǎn)品喪失額定功能的現(xiàn)象稱(chēng)為失效。對(duì)失效現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)、公正和客觀的診斷、預(yù)測(cè)和預(yù)防，對(duì)人類(lèi)揭示和認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)，激發(fā)和加快科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)和協(xié)調(diào)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及營(yíng)造和保證社會(huì)的穩(wěn)定具有重要作用。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作零件嚴(yán)重?fù)p傷，不能保證工作安全零件雖能安全工作，但工作低效第一章模具材料與熱處理概述

失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影響失效的因素很多，要利用宏觀和微觀的研究手段進(jìn)行系統(tǒng)的分析。服役條件失效零件失效分析失效類(lèi)型失效原因工業(yè)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提高零件失效抗力加強(qiáng)管理改進(jìn)工藝提高主要抗力指標(biāo)改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝使用材料設(shè)計(jì)

失效分析方法第一章模具材料與熱處理概述1.無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)是針對(duì)材料在冶金、加工、使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無(wú)損探傷法進(jìn)行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2.斷口分析

斷口分析是對(duì)斷口進(jìn)行全面的宏觀(肉眼、低倍顯微鏡)及微觀(高倍顯微鏡、電子顯微鏡)觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機(jī)理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口失效分析的主要方法第一章模具材料與熱處理概述3.金相分析通過(guò)觀察分析零件（特別是失效源周?chē)╋@微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細(xì)、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周?chē)M織的變化，對(duì)組織是否正常作出判斷。4.化學(xué)分析檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。5.力學(xué)分析檢查分析失效零件的應(yīng)力分布、承載能力以及脆斷傾向等。失效分析的主要方法第一章模具材料與熱處理概述(3)斷裂形式的特征

①韌性斷裂的特征

●宏觀特征:宏觀變形方式為縮頸，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致呈45角?！裎⒂^特征:蛇形滑移和延伸，間距不等、短而且平行、不連續(xù)的條紋韌窩，大小相當(dāng)于顯微空洞裂紋的一半。韌性斷裂見(jiàn)下圖。韌性(塑性)斷裂實(shí)物斷口韌窩電鏡照片第一章模具材料與熱處理概述②脆性斷裂的特征脆性斷裂時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，甚至不超過(guò)常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱(chēng)為低應(yīng)力脆斷。這種宏觀裂紋可以在生產(chǎn)工藝過(guò)程中產(chǎn)生，還可能由于疲勞或應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生。脆性斷裂見(jiàn)下圖。(a)脆性斷裂實(shí)物

(b)斷口電鏡照片第一章模具材料與熱處理概述

③其他斷裂失效形式其他斷裂形式主要是疲勞斷裂和蠕變斷裂。疲勞斷裂見(jiàn)圖10-3。

疲勞斷裂實(shí)物疲勞斷裂顯微形貌第一章模具材料與熱處理概述3.表面損傷失效

粘著磨損兩個(gè)金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一表面或被撕下作為磨料留在兩個(gè)表面之間的現(xiàn)象稱(chēng)為粘著磨損。如圖10-4所示。

粘著磨損第一章模具材料與熱處理概述

磨料磨損

配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因外來(lái)硬顆?；虮砻嫖⑼贵w的作用而造成表面損傷（被犁削形成溝槽）的磨損稱(chēng)為磨料（粒）磨損。磨料（粒）磨損示意圖第一章模具材料與熱處理概述4.腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。點(diǎn)腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，進(jìn)而向深度擴(kuò)成孔穴甚至穿透。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，其中受破壞處是陽(yáng)極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流由陽(yáng)極流向周?chē)年帢O，陽(yáng)極處很快被腐蝕成小孔。如圖10-6所示。

晶間腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。

晶間腐蝕示意圖點(diǎn)腐蝕示意圖第一章模具材料與熱處理概述影響模具失效的因素模具結(jié)構(gòu)①模具幾何形狀的影響

模具的幾何形狀對(duì)成型過(guò)程中坯料的流動(dòng)和成型力產(chǎn)生很大的影響，從而影響模具的壽命。如圖所示為兩種形狀的反擠壓凸模，這兩種結(jié)構(gòu)的凸模比非臺(tái)階式平頭細(xì)長(zhǎng)桿件結(jié)構(gòu)的凸模降低擠壓力20%，但其端面傾斜角不能過(guò)大，否則雖然降低了擠壓力，但凸模容易因被擠偏受到彎曲應(yīng)力而折斷。第一章模具材料與熱處理概述影響模具失效的因素②模具間隙的影響模具間隙不僅影響工件的質(zhì)量，還影響模具的壽命。例如拉深模的間隙過(guò)小將增加摩擦阻力，易擦傷工件表面，并增大了模具的磨損。沖裁模的間隙過(guò)小會(huì)加劇凸模與凹模的磨損，降低模具的使用壽命。

③結(jié)構(gòu)形式的影響模具的結(jié)構(gòu)形式不合理將導(dǎo)致應(yīng)力集中而斷裂失效。如圖所示的整體式凸模，擠壓時(shí)極易在心軸根部產(chǎn)生應(yīng)力集中而折斷。改為如圖所示的組合式，消除了應(yīng)力集中，可以防止模具的早期斷裂失效。第一章模具材料與熱處理概述影響模具失效的因素模具材料的影響模具材料是影響模具質(zhì)量、性能和使用壽命的關(guān)鍵因素,模具材料對(duì)模具工業(yè)的發(fā)展也是十分重要的一環(huán),因此為適應(yīng)模具工業(yè)發(fā)展應(yīng)不斷提高模具壽命,必須對(duì)模具材料進(jìn)行合理選擇。模具材料必須滿足模具對(duì)塑性變形抗力．?dāng)嗔芽沽Γ诳沽Γ捕龋湍バ裕錈崞诳沽Φ刃阅艿囊螅绮荒懿m足，則會(huì)發(fā)生模具早期失效-如在循環(huán)載荷下．如果材料疲勞杭力差．經(jīng)一定應(yīng)力循環(huán)后．可能萌生疲勞裂紋．并逐漸擴(kuò)展直至模具斷裂失效第一章模具材料與熱處理概述影響模具失效的因素模具鋼的冶金質(zhì)量對(duì)模具的失效形式也有很大影響。鋼中的非金屬夾雜物自身強(qiáng)度和塑性很低，容易形成裂紋源，引起模具早期斷裂失效。鋼中碳化物的數(shù)量過(guò)多，形狀：尺寸分布不理想，嚴(yán)重降低鋼的沖擊韌度及斷裂杭力，引起模具的崩塊．折斷：劈裂等，中心疏松及白點(diǎn)，降低鋼的抗壓強(qiáng)度，易發(fā)生模具工作面凹陷及淬火開(kāi)裂，下圖為因熱裂而失效的凸模。第一章模具材料與熱處理概述影響模具失效的因素?zé)崽幚砑凹庸ぶ圃旃に嚹＞叩臒崽幚砟康氖菫槭鼓＞攉@得理想組織，從而獲得所需性能-但若熱處理不當(dāng)或工藝不合埋，則可導(dǎo)致模具產(chǎn)生熱處理缺陷，或性能降低．從而引發(fā)模具早期失效．如淬火溫度過(guò)高，則會(huì)引起鋼的過(guò)熱．甚至過(guò)燒，從而引起晶粒長(zhǎng)大，晶界熔化等；這就導(dǎo)致模具韌性下降，使模具發(fā)生崩刃或早期斷裂．如淬火溫度過(guò)低時(shí)，則難以保證有足夠的合金元素固溶于基體之中，將會(huì)降低鋼的基體強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，使鋼容易產(chǎn)生早期變形．壓塌或熱疲勞裂紋．模具回火溫度過(guò)高，則硬度下降，降低強(qiáng)度和耐磨性能，而且難以補(bǔ)救-但若回火溫度過(guò)低．回火不足．則會(huì)在模具中殘留較高的淬火應(yīng)力，使模具韌性下降，從而使模具發(fā)生早期斷裂．圖所示為凸模因回火不足而發(fā)生早期脆斷．同一批處理的凸模，再經(jīng)一次較高溫度回火后未再發(fā)生脆斷!第一章模具材料與熱處理概述影響模具失效的因素模具加工制造工藝，特別是鍛造工藝對(duì)模具的失效影響．-合理的鍛造工藝可使大塊狀碳化物破碎，使之細(xì)小均勻分布，但若鍛造工藝不合理，則達(dá)不到打碎晶粒，改善方向性，提高鋼的致密度等目的，甚至引發(fā)鍛造裂紋等缺陷。鍛后退火目的是為了去除鍛后應(yīng)力：模具的切削加工應(yīng)嚴(yán)格保證尺寸過(guò)渡處的圓角半徑，圓弧與直線相接處應(yīng)光滑．工作部位嚴(yán)禁留有刀痕，保證工作部位光滑無(wú)痕。如出現(xiàn)尖角或表面粗糙，留有刀痕．將容易在刀痕或尖角處萌發(fā)疲勞裂紋，造成模具疲勞失效；，第一章模具材料與熱處理概述沖裁模的服役條件和失效形式

1.沖裁模的服役條件

沖裁模主要用于各種板料的沖切。從沖裁工藝分析中我們可以得知，板料的沖裁過(guò)程可以分為三個(gè)階段:彈性變形階段塑性變形階段和剪裂階段沖裁時(shí)作用于材料上的力

1-凸模;2-板料;3-凹模第一章模具材料與熱處理概述

2.沖裁模的失效形式

薄板沖裁模受到的沖擊載荷不大，在正常的使用過(guò)程中，模具因摩擦產(chǎn)生的刃口磨損是主要的失效形式。磨損過(guò)程可分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個(gè)階段。對(duì)應(yīng)于這三個(gè)階段中刃口的損傷過(guò)程如圖所示。沖裁時(shí)刃口的損傷過(guò)程第一章模具材料與熱處理概述拉深模的服役條件和失效形式

1.拉深模的工作條件拉深模具主要用于金屬板料的拉深成形，拉深過(guò)程中模具的受力狀態(tài)如圖10-11所示。

2.

拉深模的主要失效形式由于拉深模具的工作部件沒(méi)有刃口，受力面積大，工作時(shí)無(wú)嚴(yán)重的沖擊力，因此拉深模不易出現(xiàn)塑性變形和斷裂失效。但是工作時(shí)存在著很大的摩擦，拉深模具的主要失效形式為粘附磨損和磨粒磨損，并以粘附磨損為主，是拉深過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題和模具失效的重要原因。拉深時(shí)模具的受力第一章模具材料與熱處理概述四、模具材料與模具壽命模具壽命的提高，最根本的辦法是采用高性能的模具材料。。模具鋼的冶金質(zhì)量也影響模具壽命！第一章模具材料與熱處理概述模具材料與模具壽命新型高效模具鋼，如熱作模具鋼中的3Cr3M03W2V、5Cr4W5M02V、4CrMnSiMoV、4Cr2NiMoV、5Cr4M03SiMnVAl等，冷作模具中的6Cr4W3M02VNb、7Cr7M03V2Si、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV等新鋼種的采用，均獲得提高模具壽命數(shù)倍的效果。如冷作模具鋼選用6Cr4W3M02VNb(65Nb)代替TIO、Crl2MoV、W6M05Cr4V2等制作多工位冷鐓機(jī)用的內(nèi)六角凸模、十字槽光凸模、螺栓切邊模、冷鐓螺栓頂模、鋼板彈簧沖孔凸模、螺栓壓角凸凹模、螺栓平圓頭沖模、圓環(huán)冷沖模等；熱作模具鋼選用3Cr3M03W2V(HMl)代替3Cr2W8V鋼等制作軸承套圈的熱沖壓凸模和凹模、連桿輥鍛成形模、小型機(jī)鍛模等都顯著提高了模具壽命。

第一章模具材料與熱處理概述模具材料與模具壽命模具鋼的冶金質(zhì)量對(duì)模具壽命也有很大影響。鋼中的非金屬夾雜物、中心疏松、白點(diǎn)、成分偏析、碳化物大小、形狀及分布不理想，均能降低鋼的強(qiáng)韌性及疲勞抗力，從而降低模具使用壽命。采用先進(jìn)的冶金生產(chǎn)技術(shù)如電渣重熔、爐外精煉、真空脫氣等都明顯提高模具鋼冶金質(zhì)量及模具壽命。第一章模具材料與熱處理概述五、鍛造、熱處理工藝與模具壽命鍛造工藝Cr129Omm5級(jí)不改煅壽命3000件Cr1260-9Omm改煅3-4級(jí)壽命8000件第一章模具材料與熱處理概述⑴鍛造工藝對(duì)模具壽命的影響

模具鋼含碳量及合金元素含量均較高，導(dǎo)熱性差，特別是高碳高合金鋼鍛造溫度范圍較窄，如操作不當(dāng)極易鍛裂。因此，模具鋼要有嚴(yán)格合理的鍛造工藝。首先，加熱速度不能太快，加熱要均勻，注意鋼料在爐中的位置要適當(dāng)，有時(shí)加熱還要翻轉(zhuǎn)棒料，以使其受熱均勻。加熱溫度不能過(guò)高，要防止過(guò)熱和過(guò)燒。鍛打時(shí)要輕重掌握適度，打擊力過(guò)大，變形量太大，易產(chǎn)生裂紋。停鍛后的冷卻速度也很重要，冷卻過(guò)快也易開(kāi)裂。因此，如果鍛造工藝不合理，不僅達(dá)不到改善模具鋼質(zhì)量和提高其性能的目的，甚至?xí)斐慑懺烊毕荻鴲夯摬馁|(zhì)量。某配件廠的冷沖模材質(zhì)為Crl2，毛坯尺寸為90mm，共晶碳化物大于5級(jí)，不經(jīng)改鍛，由軋材直接車(chē)削加工，使用壽命最高達(dá)3000件，均以崩刃、縱向開(kāi)裂或碎裂而失效；后改用60mm棒料，經(jīng)鐓粗鍛制成90mm，共晶碳化物為3—4級(jí)，分布也較均勻，制成模具后，使用壽命達(dá)8000件以上。第一章模具材料與熱處理概述⑵熱處理對(duì)模具壽命的影響模具熱處理包括預(yù)備熱處理，如正火、高溫回火；球化退火、調(diào)質(zhì)處理等。預(yù)備熱處理主要目的是為模具最終熱處理做組織準(zhǔn)備。熱處理關(guān)鍵是加熱溫度的選擇(保證碳化物充分溶解或合金元素充分固溶)，冷卻速度或等溫溫度的選擇(保證所析出的碳化物均勻分布，能獲得合適的切削硬度)。最終熱處理的關(guān)鍵是淬火工藝的制定。淬火加熱溫度過(guò)高會(huì)引起鋼中晶粒長(zhǎng)大，從而使沖擊韌度下降，導(dǎo)致模具開(kāi)裂及脆斷。如果淬火溫度太低，則不能保證有足夠的合金元素固溶于基體之中，就會(huì)降低鋼的高溫強(qiáng)度、組織穩(wěn)定性及冷熱疲勞抗力，使模具容易產(chǎn)生塑性變形或壓塌等早期失效。淬火冷卻速度也要嚴(yán)格掌握，如果冷卻過(guò)快或油溫過(guò)低均容易出現(xiàn)淬火裂紋，這將會(huì)嚴(yán)重縮短疲勞壽命，甚至引發(fā)早期斷裂第一章模具材料與熱處理概述淬火和回火。淬火時(shí)的保護(hù)或鹽浴爐脫氧也很重要，如果不當(dāng)，將引起表面脫碳。脫碳層強(qiáng)度低、耐磨性差、易產(chǎn)生微裂紋，如未經(jīng)去除，則會(huì)降低模具耐磨性及疲勞抗力。最終熱處理中的回火也是重要工序，首先模具回火要充分，高合金模具一般要求回火兩次以上，這是因?yàn)殇撝械臍埩魥W氏體是在回火冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，經(jīng)兩次以上回火可以使殘留奧氏體充分轉(zhuǎn)變。否則，將在模具中殘留較大的淬火應(yīng)力、降低模具韌性容易發(fā)生早期斷裂。為縮短工時(shí)，提高設(shè)備利用率，回火時(shí)間可適當(dāng)縮短些。

第一章模具材料與熱處理概述深冷處理、真空、氣氛對(duì)于高精度、高合金鋼制造的模具，為提高硬度及尺寸穩(wěn)定性，在淬火后可采用—40℃——80℃或—180℃的深冷處理，處理時(shí)間為30-120min。為減少深冷處理的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)分級(jí)冷卻。深冷處理后，溫度也應(yīng)分級(jí)回升到室溫，并立即進(jìn)行回火。對(duì)于精密模具及性能要求高的模具，可以采用真空加熱或保護(hù)氣氛加熱。特別是真空熱處理，可確保無(wú)表面缺陷，能脫除部分有害雜質(zhì)，提高硬度，顯著提高模具的強(qiáng)韌性及使用壽命。如Crl2MoV鋼制造的錄音機(jī)機(jī)芯冷沖模，常規(guī)熱處理平均使用壽命10萬(wàn)次，采用調(diào)質(zhì)和真空熱處理，使模具壽命提高到25萬(wàn)次，接近日本同類(lèi)模具的壽命水平。

第一章模具材料與熱處理概述表面強(qiáng)化為了提高模具使用壽命，還可采用一些表面強(qiáng)化技術(shù)，特別是化學(xué)熱處理技術(shù)，如滲硼、滲硫、滲氮、氣體及液體氮碳共滲、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、表面涂覆、刷鍍等等，在提高模具使用壽命上均有顯著效果。第一章模具材料與熱處理概述熱處理工藝失效大部分是由斷裂、磨損和變形引起的，其主要原因是熱處理不當(dāng)和模具加工不良。因此，合理選擇材料、正確制定熱處理工藝，提高熱處理質(zhì)量，對(duì)于延長(zhǎng)模具使用壽命至關(guān)重要。模具熱處理包括預(yù)先熱處理和最終熱處理，熱處理的最終目的是使模具具有良好的表面質(zhì)量和強(qiáng)度、塑性和韌性的合理配合。例：行車(chē)中接頭冷擠成型，冷擠沖頭外形尺寸如圖所示。沖頭材料為Cr12鋼，加工工藝流程如下：鍛造→球化退火→機(jī)械加工→熱處理→打光。熱處理采用980℃加熱，280℃回火，硬度為60～62HRC。壽命為7000～8000件，因脆斷、崩刃、掉塊而失效。后來(lái)采用調(diào)質(zhì)處理取代球化退火、使沖頭壽命提高到10萬(wàn)件以上。第一章模具材料與熱處理概述第二節(jié)模具的性能要求

冷沖壓模具要求其材料具有高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，高的硬度及耐磨性;冷擠壓模具要求其材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高淬透性以及良好的耐磨性、熱穩(wěn)定性和切削加工性;熱作模具用鋼要求在工作溫度下保持高的強(qiáng)度和韌性、良好的抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱疲勞抗力。第一章模具材料與熱處理概述一、常規(guī)力學(xué)性能

對(duì)各類(lèi)模具鋼提出的性能要求主要包括硬度、強(qiáng)度和韌性等。

1.硬度硬度表示了鋼對(duì)變形和接觸應(yīng)力的抗力，而且是很容易測(cè)定的一種性能，同時(shí)硬度與強(qiáng)度也有一定關(guān)系，可通過(guò)二者的換算關(guān)系得到材料硬度值?？砂从捕确秶鷦澏＞哳?lèi)別，如高硬度（52～60HRC），一般用于冷作模具;中等硬度（40～52HRC），一般用于熱作模具。

硬度對(duì)三種冷作模具鋼抗壓屈服強(qiáng)度的影響

1-W6Mo5Cr4V2鋼;2-Cr12MoV鋼;3-Cr5Mo1V鋼第一章模具材料與熱處理概述各種相的硬度值第一章模具材料與熱處理概述模具鋼硬度與含碳量關(guān)系最佳淬火時(shí)間二次硬化第一章模具材料與熱處理概述

2.強(qiáng)度

強(qiáng)度是指鋼在服役過(guò)程中，抵抗變形和斷裂的能力。對(duì)于模具來(lái)說(shuō)則是整個(gè)型面或各個(gè)部位在服役過(guò)程中抵抗拉伸力、壓縮力、彎曲力、扭轉(zhuǎn)力或綜合力的能力。性能指標(biāo):3.塑性:性能指標(biāo)

4.韌性

在工作過(guò)程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過(guò)程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。韌性是模具鋼的一種重要性能指標(biāo)，它決定了材料在沖擊試驗(yàn)力作用下對(duì)破裂的抗斷能力。材料的韌性越高，脆斷的危險(xiǎn)性越小，熱疲勞強(qiáng)度也越高。對(duì)于衡量模具脆斷傾向，沖擊韌度試驗(yàn)具有重要意義。

沖擊韌性的影響因素:組織、晶粒大小、內(nèi)應(yīng)力提高韌性的方法：鍛造、熱處理和內(nèi)應(yīng)力第一章模具材料與熱處理概述

1.耐磨性

模具在工作中承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，要求模具能夠在強(qiáng)烈摩擦下仍保持其尺寸精度。圖所示為用不同鋼種制作的標(biāo)準(zhǔn)沖孔模對(duì)冷軋硅鋼片進(jìn)行沖孔的試驗(yàn)結(jié)果，可反映各鋼種的耐磨水平;試驗(yàn)以Cr12MoV鋼為基準(zhǔn)（ε=1.0）。圖5-3所示是標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)的結(jié)果，較好地反映了工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性。圖5-2五種模具鋼模擬沖裁試驗(yàn)其耐磨性

圖5-3工模具鋼的磨粒磨損抗力1-高碳高釩高速鋼;2-高碳高釩鋼;3-低合金模具鋼及碳素工具鋼

二、特殊性能要求第一章模具材料與熱處理概述

2.抗熱疲勞性能

熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用，抗熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應(yīng)具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴(kuò)展速率和高的斷裂韌性值。

3咬合抗力

咬合抗力實(shí)際上就是發(fā)生“冷焊”時(shí)的抵抗力。該性能對(duì)于模具材料較重要。試驗(yàn)時(shí)通常在干摩擦條件下，把被試驗(yàn)的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料（如奧氏體鋼）進(jìn)行恒速對(duì)偶摩擦運(yùn)動(dòng)，以一定的速度逐漸增大載荷，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，該載荷稱(chēng)為“咬合臨界載荷”，咬合臨界載荷愈高，標(biāo)志著咬合抗力愈強(qiáng)。4耐蝕性金屬材料在腐蝕性介質(zhì)中所具有的抵抗介質(zhì)侵蝕的能力，稱(chēng)為金屬的耐蝕性。

提高模具材料的耐蝕性，通常采用合金化方法獲得一系列耐蝕合金，主要包括:（1）提高金屬或合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性

（2）加入易鈍化合金元素

（3）加入能促使合金表面生成致密腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜的合金元素

第一章模具材料與熱處理概述不同的服役條件對(duì)模具材料主要力學(xué)性能要求不同對(duì)熱作模具鋼要考慮其抗熱疲勞性能;對(duì)壓鑄模具應(yīng)考慮其耐融熔金屬的沖蝕性能;對(duì)于高溫下工作的熱作模具應(yīng)考慮其在工作溫度下的抗氧化性能;對(duì)于在腐蝕介質(zhì)中工作的模具，應(yīng)注意其耐蝕性;對(duì)高載荷下工作的模具應(yīng)該考慮其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及斷裂韌度等。第一章模具材料與熱處理概述三、工藝性能

在模具生產(chǎn)成本中，材料費(fèi)用一般占10%～20%，而機(jī)械加工、熱處理、裝配和管理費(fèi)用占80%以上。所以模具材料的工藝性能是影響模具的生產(chǎn)成本和制造難易程度的主要因素之一。改善模具的工藝性能，不僅可以使模具生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、易于制造，而且可以有效地降低模具的制造費(fèi)用。模具材料的工藝性能主要包括可加工性，淬透性和淬硬性，淬火溫度和熱處理變形，氧化、脫碳敏感性及其他因素。

第一章模具材料與熱處理概述1.可加工性

（1）可加工性概述

模具的可加工性包括：熱加工性能（熱塑性、加工溫度范圍等）；冷加工性能（切削、磨削、拋光、冷拔等）；

特種加工（如電火花加工）。

粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛坯預(yù)先熱處理模具零件切削加工最終熱處理模具零件的加工工藝路線第一章模具材料與熱處理概述2.淬透性和淬硬性

淬透性主要取決于鋼的化學(xué)成分和淬火前的原始組織狀態(tài);淬硬性則主要取決于鋼中的碳含量。對(duì)于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素。對(duì)于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，其淬透性更為重要。

3.淬火溫度和熱處理變形

為了便于生產(chǎn)，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當(dāng)模具采用火焰加熱局部淬火時(shí)，由于難以準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度，所以要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。模具在熱處理時(shí)，尤其在淬火過(guò)程中，要產(chǎn)生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質(zhì)量，要求模具鋼的熱處理變形小。

第一章模具材料與熱處理概述

4.氧化、脫碳敏感性

模具在加熱過(guò)程中，如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會(huì)使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對(duì)于鉬含量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強(qiáng)，需要采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。

5.其他因素

在選擇模具鋼時(shí)，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和價(jià)格。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。第一章模具材料與熱處理概述第三節(jié)模具材料的選用原則

模具材料的選用有三個(gè)原則一是使用性能原則

材料的使用性能應(yīng)滿足模具的使用要求。對(duì)大量機(jī)器工件和工程構(gòu)件，主要是機(jī)械性能;對(duì)一些特殊條件下工作的工件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理化學(xué)性能。二是工藝性能原則

材料的工藝性能應(yīng)滿足模具生產(chǎn)工藝的要求。三是經(jīng)濟(jì)性原則

必須考慮材料的經(jīng)濟(jì)性。采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，使產(chǎn)品在市場(chǎng)上具有最強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

第一章模具材料與熱處理概述滿足使用性能要求

1.耐磨性

2.強(qiáng)韌性

3.疲勞斷裂性能

4.高溫性能

5.抗熱疲勞性能

6.耐蝕性

滿足工藝性能要求

模具的制造一般都要經(jīng)過(guò)鍛造、切削加工、熱處理等工序。為保證模具的制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其材料應(yīng)具有以下特性:（1）良好的可鍛性

（2）良好的退火工藝性（3）良好的切削加工性

（4）較小的氧化、脫碳敏感性

（5）良好的淬硬性

（6）良好的淬透性

（7）較低的淬火變形開(kāi)裂傾向

（8）良好的可磨削性

第一章模具材料與熱處理概述滿足經(jīng)濟(jì)性要求

1.材料的價(jià)格2.模具的總成本3.自然資源等因素

模具材料的通用性，也是選用模具材料時(shí)必須考慮的因素。除了特殊要求以外，盡可能采用大量生產(chǎn)的通用型模具材料。目前，通用型模具鋼技術(shù)比較成熟，積累的生產(chǎn)工藝和使用經(jīng)驗(yàn)較多，性能數(shù)據(jù)也比較完整，便于在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中參考。

第一章模具材料與熱處理概述產(chǎn)品消費(fèi)的總成本購(gòu)置價(jià)格使用成本固定成本制造廠利潤(rùn)維護(hù)費(fèi)維修費(fèi)保險(xiǎn)費(fèi)折舊費(fèi)日常開(kāi)支行政費(fèi)批發(fā)與零售費(fèi)研究與開(kāi)發(fā)費(fèi)可變成本（生產(chǎn)成本）基本材料成本制造成本產(chǎn)品成本分析第一章模具材料與熱處理概述我國(guó)常用金屬材料的相對(duì)價(jià)格材料相對(duì)價(jià)格材料相對(duì)價(jià)格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結(jié)構(gòu)鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵2~2.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金8~10碳素工具鋼1.6普通黃銅13~17低合金工具鋼3~4錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20鈦合金50~80硬質(zhì)合金150~200（工程塑料）5~15第一章模具材料與熱處理概述3.自然資源等因素1.能源和資源消耗少

世界能源儲(chǔ)藏量石油天然氣煤鈾可開(kāi)采儲(chǔ)量9970億桶138萬(wàn)億m31，039，272噸200萬(wàn)噸可開(kāi)采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲(chǔ)量比例中東66.4%獨(dú)聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳>70%儲(chǔ)量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751重要金屬的世界儲(chǔ)量第一章模具材料與熱處理概述3.自然資源等因素2.環(huán)境污染小材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金Eρ/

b24145100~500475-1002710-1029

E──生產(chǎn)每公斤材料的能耗；ρ──材料密度；

b──抗拉強(qiáng)度生產(chǎn)各種材料消耗的能量及碳的排放量第一章模具材料與熱處理概述第三節(jié)模具用鋼及熱處理由于各種模具的工作條件差別很大，所以從化學(xué)成分看，模具鋼的范圍很廣，從一般的碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高速工具鋼，直到滿足特殊模具要求的奧氏體無(wú)磁模具鋼、耐蝕模具鋼、馬氏體時(shí)效鋼、高溫合金、難熔合金、硬質(zhì)合金及一些專(zhuān)用的采用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高合金模具材料等。本書(shū)僅討論常用的模具鋼。常用的模具鋼，根據(jù)其用途和工作條件分為三大類(lèi)，即冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。第一章模具材料與熱處理概述第三節(jié)模具用鋼及熱處理一、常用模具鋼的分類(lèi)及主要用途冷作模具材料1.火焰淬火鋼2.基體鋼3.高韌性低合金冷作模具鋼4.高碳中鉻耐磨模具鋼熱作模具材料塑料模具材料1.預(yù)硬鋼2.時(shí)效硬化鋼3.冷擠壓成型塑料模具鋼壓鑄模具材料其他模具材料

在三大類(lèi)模具材料之外，還有鑄造模具鋼、有色合金模具材料、玻璃模具材料等。第一章模具材料與熱處理概述模具鋼第一章模具材料與熱處理概述冷作模具材料主要用于制造在冷狀態(tài)（室溫）條件下進(jìn)行壓制成形的模具，如冷沖壓模具、冷拉伸模具、冷鐓模具、冷擠壓模具、壓印模具、輥壓模具等。冷作模具品種多、應(yīng)用范圍廣，其產(chǎn)值占模具總產(chǎn)值的30%~40%。采用的鋼號(hào)很多，一般采用高碳過(guò)共析鋼和萊氏鋼體，如碳素工具鋼、低合金油淬冷作模具鋼、空淬冷作模具鋼、高碳高鉻型冷作模具鋼、高速鋼、低碳高速鋼和基本鋼及用粉末冶金工藝生產(chǎn)的高合金模具材料等。第一章模具材料與熱處理概述冷作模具材料第一章模具材料與熱處理概述熱作模具材料主要用于制造對(duì)高溫狀態(tài)的金屬進(jìn)行熱成形的模具。如熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱剪切模具等。這類(lèi)鋼含碳量一般為0.3%~0.5%，添加提高高溫性能的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，又分為鍛造模塊用鋼、鉻鉬系熱作模具鋼、鉻鎢系熱作模具鋼、奧氏體型高溫?zé)嶙髂＞咪摰?。特殊要求的熱作模具有時(shí)采用高溫合金和難熔合金制造。第一章模具材料與熱處理概述熱作模具材料第一章模具材料與熱處理概述塑料模具材料第一章模具材料與熱處理概述鋼的普通熱處理工藝有退火、正火、淬火、回火等。

一）、退火：

1、退火：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻得到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。2、退火的目的：

1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；

2）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防工件變形和開(kāi)裂；

3）改善組織，細(xì)化晶粒，改變鋼的性能或?yàn)橐院鬅崽幚碜鰷?zhǔn)備。

二、模具熱處理常規(guī)熱處理第一章模具材料與熱處理概述3、退火的分類(lèi)：各種退火正火加熱溫度及工藝曲線如圖2-10所示圖2-10退火正火工藝規(guī)范示意圖1）完全退火：加熱到Ac3以上20～300C，保溫，緩冷至6000C以下，再空冷。得到接近平衡狀態(tài)組織；主要用于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、軋件、鑄件，使晶粒細(xì)化，組織均勻和消除殘余應(yīng)力，提高鋼件的性能。過(guò)共析鋼不宜完全退火，因析出網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的機(jī)械性能。

12）球化退火：使鋼中的碳化物呈球狀而進(jìn)行的退火。將工件加熱到Ac1以上20～300C，保溫，然后緩慢冷卻。主要用于過(guò)共析鋼，使鋼中二次滲碳第一章模具材料與熱處理概述體和珠光體中的片狀滲碳體球狀化，以降低硬度提高韌性，改善切削加工性能。圖2-10退火正火工藝規(guī)范示意圖3)去應(yīng)力退火：為消除形變加工、鍛造、焊接等以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。鑄鋼件的溫度為600～6500C，鑄鐵件為500～550，保溫后在爐內(nèi)緩慢冷卻。組織不發(fā)生變化，只消除內(nèi)應(yīng)力,減少變形，穩(wěn)定尺寸。

4）擴(kuò)散退火(均勻化退火):將鋼加熱到略低于固相線溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫，隨爐冷卻，使化學(xué)成分和組織均勻化；主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛件。

第一章模具材料與熱處理概述1、正火：將工件加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過(guò)共析鋼）以上30～500C，保溫適當(dāng)時(shí)間，在自由流通的空氣中冷卻，得到珠光體類(lèi)組織的熱處理工藝。二）、正火主要應(yīng)用于：1）對(duì)不太重要的零件，可細(xì)化晶粒，組織均勻，提高機(jī)械性能，作為最終熱處理；

2）對(duì)低碳鋼火低碳合金鋼，可提高硬度，改善切削加工性。

3）對(duì)于過(guò)共析鋼或工具鋼，可減少二次滲碳體，并使其不呈連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。

第一章模具材料與熱處理概述三）、鋼的淬火：1、淬火：將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。從而提高其硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合適當(dāng)溫度的回火，可獲得較好的綜合力學(xué)性能，如刀具、模具、軸和齒輪。淬火質(zhì)量取決于加熱溫度和冷卻方式。

2、淬火加熱溫度：根據(jù)鋼材的化學(xué)成分決定，亞共析鋼在Ac3以上30～500C，此時(shí)鋼的組織為細(xì)顆粒的奧氏體，淬火后獲得細(xì)小的馬氏體；若溫度低于Ac3，將出現(xiàn)自由鐵素體；若溫度過(guò)高，得到粗大的馬氏體，性能變壞。共析鋼和過(guò)共析鋼加熱溫度在Ac1以上30～500C，得到細(xì)小的馬氏體和小顆粒的滲碳體組織。

第一章模具材料與熱處理概述3、淬火冷卻方法：冷卻介質(zhì)對(duì)淬火效果有很大影響，常用的有水、油和鹽、堿的水溶液。水用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳素鋼工件。油用于合金鋼和復(fù)雜的碳素鋼。常用淬火方法如圖3-11所示。1表示單液淬火，2表示雙液淬火，3表示分級(jí)淬火，4表示等溫淬火。4、淬透性和淬硬性：

圖3-11常用淬火方法示意圖1）淬透性：鋼在淬火后，獲得淬透層（淬硬層）深度的能力。

2）淬硬性：鋼淬火時(shí)能達(dá)到的最高硬度。

第一章模具材料與熱處理概述四）、淬火鋼的回火：1、回火：為了消除淬火引起的殘余應(yīng)力及獲得要求的組織和性能，將淬火后的工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

2、回火目的：淬火后得到性能很脆的馬氏體組織，而且淬火馬氏體是不穩(wěn)定的組織，它有變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)，而使零件尺寸變化，并存在內(nèi)應(yīng)力，零件容易變形和開(kāi)裂。為此利用回火：1）減少和消除淬火應(yīng)力；

2）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形和開(kāi)裂；3）獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強(qiáng)度、硬度和韌性。

第一章模具材料與熱處理概述3、回火的種類(lèi)及應(yīng)用：

1）低溫回火：加熱溫度為150～2500C，得到碳的過(guò)飽和程度稍小的固溶體—回火馬氏體，硬度較高，在HRC58～64之間，高耐磨性；可消除一定的殘余應(yīng)力，韌性有所改善。用于各類(lèi)高碳鋼的工具、模具、量具。2）中溫回火：加熱溫度為350～5000C，得到極細(xì)顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物—回托氏體，有極高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，也有較好的韌性。硬度在HRC35～45；用于各種彈簧、彈簧夾頭及鍛模。3）高溫回火：加熱溫度為500～6500C，得到細(xì)而均勻的顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物---回火索氏體，有較高的強(qiáng)度和硬度，又有較好的韌性和塑性。工廠一般把淬火和高溫回火叫調(diào)質(zhì)處理。用于重要的零件如軸、齒輪、聯(lián)桿和螺栓。

第一章模具材料與熱處理概述4、回火脆性：淬火鋼在250～4000C和500～6500C兩個(gè)溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，出現(xiàn)沖擊韌性明顯下降的現(xiàn)象。第一章模具材料與熱處理概述一）模具熱處理的主要缺陷 模具熱處理內(nèi)應(yīng)力 模具的熱處理變形 模具的熱處理裂紋 二）減小模具熱處理變形與控制模具熱處理開(kāi)裂的措施合理設(shè)計(jì)并正確選材 合理按排工藝流程 合理進(jìn)行鍛造和預(yù)先熱處理 采用合理的熱處理工藝 三）模具熱處理的其它缺陷及預(yù)防補(bǔ)救措施 氧化與脫碳 欠熱、過(guò)熱和過(guò)燒 淬火硬度不足與軟點(diǎn) 回火缺陷 模具熱處理的缺陷及防止措施目錄第一章模具材料與熱處理概述模具熱處理的主要缺陷

通常熱處理缺陷是指模具在最終熱處理過(guò)程中或在以后的工序中以及使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種缺陷，如淬裂、變形超差、硬度不足、電加工開(kāi)裂、磨削裂紋、模具的早期破壞等。其中最主要的是模具在熱處理過(guò)程中的變形和開(kāi)裂。

第一章模具材料與熱處理概述模具熱處理內(nèi)應(yīng)力

1.熱應(yīng)力

2.組織應(yīng)力

模具的熱處理變形

1.模具熱處理變形的形式

2.模具熱處理變形的趨向

（1）由熱應(yīng)力引起的變形趨向

（2）由組織應(yīng)力引起的變形趨向

（3）由組織轉(zhuǎn)變引起的變形趨向

模具熱處理裂紋

1.模具熱處理裂紋的種類(lèi)

此外，熱處理裂紋還可根據(jù)其存在部位和深度分為以下三類(lèi):

（1）深裂紋

（2）細(xì)微表面裂紋

（3）內(nèi)部裂紋

第一章模具材料與熱處理概述2.模具的熱處理裂紋與內(nèi)應(yīng)力

模具熱處理裂紋通常是在內(nèi)應(yīng)力（拉應(yīng)力）作用下表現(xiàn)出來(lái)的一種脆性破壞狀態(tài)。淬火時(shí)，易在模具表面附近產(chǎn)生非常大的拉應(yīng)力，故最易產(chǎn)生裂紋。但在淬硬層淺的情況下（如各種表面硬化），表面附近常形成壓應(yīng)力，就不易產(chǎn)生裂紋。由于模具大部分是用高碳鋼制作的，因此要特別注意防止產(chǎn)生熱處理裂紋。形狀比較簡(jiǎn)單的模具及實(shí)體的沖頭，一般情況下不會(huì)產(chǎn)生淬火裂紋。而尖角、截面厚度急變處及厚薄不均的地方則極易產(chǎn)生淬火裂紋，如圖所示。

模具淬火裂紋部位第一章模具材料與熱處理概述減小模具熱處理變形與控制模具熱處理開(kāi)裂的措施合理設(shè)計(jì)并正確選材1.合理設(shè)計(jì)

(1)盡量避免尖角和厚薄相差懸殊的截面應(yīng)避免厚薄懸殊的截面、薄邊及尖角。在模具的厚薄交界處應(yīng)平滑過(guò)渡。這樣能有效降低模具截面的溫差，減小熱應(yīng)力，同時(shí)也可減小截面上組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性，減小組織應(yīng)力。圖所示為模具采用過(guò)渡圓角與過(guò)渡圓錐。圖12-2模具采用過(guò)渡圓角與過(guò)渡圓錐第一章模具材料與熱處理概述圖所示為凹模的合理壁厚。凹模的合理壁厚

（2）適當(dāng)增加工藝孔對(duì)于有些實(shí)在無(wú)法保證截面均勻及對(duì)稱(chēng)的模具，應(yīng)在不影響使用性能的前提下，變不通孔為通孔，或者適當(dāng)增加一些工藝孔。第一章模具材料與熱處理概述

圖（a）所示為一型腔狹窄的凹模，淬火后會(huì)產(chǎn)生如虛線所示的變形。如設(shè)計(jì)時(shí)能增加兩個(gè)工藝孔，如圖（b）所示，則減小了淬火過(guò)程中截面的溫差，降低了熱應(yīng)力，使變形情況有了明顯的改善。

Cr12MoV鋼凹模第一章模具材料與熱處理概述

圖所示也是增加工藝孔或變不通孔為通孔的實(shí)例，可減小因厚薄不均而增大的開(kāi)裂敏感性。

模具增加工藝孔或變不通孔為通孔第一章模具材料與熱處理概述(3)盡可能采用封閉及對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)

模具形狀為開(kāi)口或不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，淬火后應(yīng)力分布不均勻，極易變形。所以一般易變形的槽形模具，應(yīng)盡量在淬火前留筋，淬火后再切除。

圖所示的槽形工件，原來(lái)淬火后在R處發(fā)生變形，經(jīng)加筋(圖12-6中陰影線部分)后，有效地防止了淬火變形。

槽形工件淬火前加筋第一章模具材料與熱處理概述(4)采用組合式結(jié)構(gòu)

如圖所示為一大型凹模，若采用整體式結(jié)構(gòu)，不但熱處理有困難，而且淬火后型腔各處收縮不一致，甚至?xí)鹑锌诎纪购推矫媾で?，且在以后的加工中難以補(bǔ)救。因此，可采用組合式結(jié)構(gòu)，按圖12-7中虛線分為四塊，經(jīng)熱處理后再拼裝成型并磨削再配合。這不僅使熱處理簡(jiǎn)化，而且解決了變形問(wèn)題。

大型凹模第一章模具材料與熱處理概述2.正確選材

圖所示為一電子元件沖模，原用T10A鋼，水淬油冷變形較大且易開(kāi)裂，堿浴淬火型腔又不易淬硬，現(xiàn)改用9Mn2V鋼或CrWMn鋼，淬火硬度和變形都能符合要求。

圖12-8電子元件沖模

第一章模具材料與熱處理概述合理安排工藝流程

1.合理安排工藝流程圖所示是一半圓形模具，由于形狀不對(duì)稱(chēng)，淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的扭曲變形。如在淬火前加工成整體的圓環(huán)，等熱處理后再用鋸片砂輪將其切成兩件，則不但降低成本，還可以減少變形。

2.根據(jù)特點(diǎn)預(yù)留加工余量

圖所示為一45鋼的成型模，熱處理后內(nèi)孔會(huì)趨向脹大，故機(jī)械加工時(shí)應(yīng)預(yù)先留出負(fù)公差，使熱處理后符合設(shè)計(jì)要求。

半圓形模具

成型模

第一章模具材料與熱處理概述合理進(jìn)行鍛造和預(yù)先熱處理

1.合理進(jìn)行鍛造

實(shí)踐證明，合理進(jìn)行鍛造是減小熱處理變形、保證模具有較高壽命的關(guān)鍵。對(duì)合金鋼如CrWMn，Cr12，Cr12MoV鋼,尤其重要。這類(lèi)鋼能實(shí)現(xiàn)低變形的前提是經(jīng)充分鍛造，使鋼內(nèi)部碳化物偏析程度達(dá)到最小。

2.預(yù)先熱處理

模具變形與開(kāi)裂不僅與淬火過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān)，而且與淬火前的原始組織和殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。因此，必須對(duì)模具毛坯進(jìn)行必要的預(yù)先熱處理。

第一章模具材料與熱處理概述采用合理的熱處理工藝為了減少及預(yù)防工件淬火變形，除了合理設(shè)計(jì)工件、合理選材、合理制定熱處理技術(shù)要求及工件毛坯正確進(jìn)行熱加工(鑄、鍛、焊)和預(yù)先熱處理外，更為重要的是在熱處理方面必須注意以下問(wèn)題。①合理選擇加熱溫度:②合理進(jìn)行加熱:③正確選擇冷卻方式和冷卻介質(zhì):④正確掌握淬火操作方法:第一章模具材料與熱處理概述模具熱處理的其他缺陷及預(yù)防補(bǔ)救措施模具熱處理常見(jiàn)的缺陷除了變形與開(kāi)裂外，還有氧化與脫碳、欠熱、過(guò)熱和過(guò)燒、淬火硬度不足與軟點(diǎn)、回火缺陷和表面腐蝕等。氧化與脫碳

1.氧化2.脫碳欠熱、過(guò)熱和過(guò)燒

1.欠熱2.過(guò)熱3.過(guò)燒淬火硬度不足與軟點(diǎn)

1.硬度不足2.軟點(diǎn)模具上硬度不足的小區(qū)域稱(chēng)為軟點(diǎn)。軟點(diǎn)往往是工件磨損或疲勞損壞的中心，因此重要工件上不允許存在軟點(diǎn)。第一章模具材料與熱處理概述形成軟點(diǎn)的原因大致有:

①原材料缺陷:如鋼中存在大塊鐵素體或帶狀組織。

②欠熱:因加熱溫度太低或保溫時(shí)間不足，使奧氏體成分不均勻，或亞共析鋼中鐵素體未全部溶入奧氏體。

③冷卻不均:模具在淬火介質(zhì)中攪動(dòng)不充分、淬火加熱時(shí)堆放在一起、模具表面有氧化皮等污物附著以及淬火介質(zhì)中混有肥皂、油污等，都會(huì)造成模具冷卻不均勻，使局部小區(qū)域發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變而形成軟點(diǎn)。

④表面脫碳:模具表面局部脫碳或滲碳后表面存在低碳濃度區(qū)，也會(huì)形成軟點(diǎn)。

第一章模具材料與熱處理概述回火缺陷

1.硬度不合格

回火后硬度過(guò)高大多由回火不充分所致，補(bǔ)救辦法是按正?；鼗鸸に囍匦禄鼗??；鼗鸷笥捕炔蛔愕闹饕蚴腔鼗饻囟冗^(guò)高，補(bǔ)救辦法是退火或正火后重新淬火并回火。

2.韌性過(guò)低

在第一類(lèi)回火脆性區(qū)回火或?qū)Φ诙?lèi)回火脆性敏感的鋼在回火后未進(jìn)行快冷，都會(huì)使工件回火后的脆性增加。補(bǔ)救辦法是:對(duì)在第一類(lèi)回火脆性區(qū)進(jìn)行回火的模具，退火或正火處理后重新淬火并回火;對(duì)因在第二類(lèi)回火脆性區(qū)回火而未快冷的模具，可在略高一些溫度進(jìn)行短時(shí)間回火并快冷。第一章模具材料與熱處理概述模具的強(qiáng)韌化處理預(yù)處理工藝雙重?zé)崽幚矸ㄕ鹛幚砜焖偾蚧嘶疠S承鋼雙細(xì)化處理高溫淬火和低溫淬火工藝高溫淬火低溫淬火等溫淬火真空熱處理第一章模具材料與熱處理概述1、化學(xué)熱處理：將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入它的表面，改變其表面的化學(xué)成分、組織和性能的熱處理。使表面具有耐磨、耐腐蝕、耐熱等性能。分為滲碳、滲氮、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲鉻等金屬、多元共滲等。模具化學(xué)熱處理：

2、滲碳：向鋼的表層滲入碳原子；提高鋼的表面含碳量，使表面高硬度高耐磨，心部高韌性。方法可分為氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳。滲碳后一般需經(jīng)淬火+低溫回火處理。氣體滲碳：將工件置于密封的滲碳爐中，加熱到900-9500C，然后滴入煤油、丙酮、甲醇、甲烷等滲碳劑，高溫下分解出活性碳原子，滲入高溫奧氏體中，依靠碳濃度差從表層向心部擴(kuò)展成滲碳層。第一章模具材料與熱處理概述3、滲氮：向鋼的表層滲入氮原子；提高鋼的表面硬度、耐磨性，耐蝕性及疲勞極限。方法有氣體滲氮、離子滲氮。4、碳氮共滲：向鋼的表層同時(shí)滲入碳原子和氮原子。分為低溫氣體碳氮共滲和中溫氣體碳氮共滲。

第一章模具材料與熱處理概述表面處理：使材料表面獲