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K1c 22
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