模具材料课件

1、平面设计模具寿命与材料模具寿命与材料M o l d i n g t o o l l i f e s p a n a n d m a t e r i a lPrincipalSpeaker ：Shi-jieFangDepartment of Mechanical and Electrical Engineering, Luoyang Institute of Science and Technology 2011级模具寿命与材料模具寿命与材料课课程程简简介介绪绪 论论第第 1章章 模具失效与使用寿命模具失效与使用寿命第第 2章章 模具材料概述模具材料概述 第第 3章章 冷作模具材料及热处理冷作模

2、具材料及热处理第第 4章章 热作模具材料及热处理热作模具材料及热处理 第第 5章章 塑料模具材料及热处理塑料模具材料及热处理第第 7 章章 模具表面处理技术模具表面处理技术教材：教材：1 1 高为国高为国. . 模具材料模具材料. . 北京：机械工北京：机械工 业出版社，业出版社，20042004主要参考书：主要参考书：11 胡传胡传炘炘，白韶军，白韶军， 安跃生等安跃生等. . 表面表面 处理手册处理手册. . 北京：北京工业大学出北京：北京工业大学出 版社，版社，200420042 2 吴兆祥，苏思灵，卢瑞敏等吴兆祥，苏思灵，卢瑞敏等. . 模具模具 材料及表面处理材料及表面处理. . 第

3、第2 2版版. . 北京：机北京：机 械工业出版社，械工业出版社，2008 2008 3 3 陈勇陈勇. . 夏江梅夏江梅. . 韦玉屏等韦玉屏等. . 模具材模具材 料及表面处理料及表面处理. . 北京北京: : 机械工业出机械工业出 版社版社, 2002, 2002113第1章Moldingtoollifespanandmaterial绪绪论论一、模具材料的作用和地位一、模具材料的作用和地位二、模具材料的应用和发展二、模具材料的应用和发展三、本课程的性质、教学目标和基本三、本课程的性质、教学目标和基本要求要求Moldingtoollifespanandmaterial2 主要内容主要内容

4、重点及难点重点及难点一、无一、无一、模具材料的作用和地位一、模具材料的作用和地位 在模具材料的作用和地位在模具材料的作用和地位1.模具是材料成型加工中的重要工艺装备模具是材料成型加工中的重要工艺装备2.发达国家模具制造业的产值已超过机床行业，是经济发展的支柱产发达国家模具制造业的产值已超过机床行业，是经济发展的支柱产业之一业之一3.模具成型广泛应用于机械、电子、轻工、军事、航空航天等领域模具成型广泛应用于机械、电子、轻工、军事、航空航天等领域飞机、汽车、拖拉机、机电产品的成型加工中占（飞机、汽车、拖拉机、机电产品的成型加工中占（60%70%）家电产品、塑料制品成型加工中占（家电产品、塑料制品成

5、型加工中占（80%90%）4.模具材料的种类、热处理工艺、表面技术是影响模具使用寿命的重模具材料的种类、热处理工艺、表面技术是影响模具使用寿命的重要因素要因素5.模具材料的使用性能直接影响模具的质量和使用寿命模具材料的使用性能直接影响模具的质量和使用寿命6.模具材料的工艺性能主要影响模具加工的难易程度、加工质量和生模具材料的工艺性能主要影响模具加工的难易程度、加工质量和生产成本产成本35二、模具材料的应用与发展二、模具材料的应用与发展50多年来，我国模具工业已发展为独立的工业体系多年来，我国模具工业已发展为独立的工业体系上世纪上世纪70年代以来，我国陆续推广了年代以来，我国陆续推广了电渣重熔电

6、渣重熔、炉外精炼炉外精炼、真空电弧重真空电弧重熔熔、六面锻造六面锻造等新技术，使得模具钢产品质量与国外水平相当等新技术，使得模具钢产品质量与国外水平相当1989年，国务院颁布年，国务院颁布当前产业政策要点的决议当前产业政策要点的决议，把模具列为，把模具列为“机械机械工业技术改造序列的第一位工业技术改造序列的第一位”“八五八五”时期（时期（19911995年）建的模具钢扁钢和厚钢生产线对改善我年）建的模具钢扁钢和厚钢生产线对改善我国模具钢的品种规格国模具钢的品种规格起到了较大的作用起到了较大的作用50多年的发展，我国模具工业得到长足发展，表现为：多年的发展，我国模具工业得到长足发展，表现为：1）

7、模具钢产量已跃居世界前列，国民经济的重要基础工业）模具钢产量已跃居世界前列，国民经济的重要基础工业2）基本形成了具有我国特色的模具用材料体系，钢材系列比较完整）基本形成了具有我国特色的模具用材料体系，钢材系列比较完整3）冷作模具钢方面，研制出：）冷作模具钢方面，研制出：a.低合金低合金：GD、CH-1、DSb.较高韧性的高合金、高耐磨较高韧性的高合金、高耐磨：D2、LD、GM、ER5c.基体钢基体钢：65Nb、CG-2、LM1、LM246 4）热作模具钢方面，研制出用于高强韧性和高热稳定性的新钢种： a. 锻锤模 ：3Cr2MoWVNi、 5Cr2NiMoVSi b. 热挤压模 ：HM1、TM

8、、012Al、Y4、Y10、HD、PH 具有高的热稳定性、高温强度、热疲劳抗力。寿命比5CrNiMo、 5CrMnMo（常用的热锻模用钢）高数倍 热作模具钢热作模具钢-是使热态金属或液态金属成形的模具用钢。是使热态金属或液态金属成形的模具用钢。热作模具包括热作模具包括：热锻模热锻模、热挤压模热挤压模、压铸模压铸模三类。三类。5二、模具材料的应用与发展二、模具材料的应用与发展 5）塑料模具钢方面，研制出新型塑料模具专用钢种： a. 预硬型塑料模具钢 ：P20、718 b. 易切削预硬钢 ：8Cr2S、Y55、5NiSCa c. 时效硬化型塑料模具钢：25CrNi3MoAl、PMS、20、06Ni

9、 d. 耐腐蚀塑料模具钢：PCR 7硬质合金硬质合金-是以高硬度难熔金属的碳化物（是以高硬度难熔金属的碳化物（WCWC、TiC)TiC)微米级粉末为主要微米级粉末为主要成分，以钴（成分，以钴（CoCo）、镍（）、镍（NiNi）、钼（）、钼（MoMo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。中烧结而成的粉末冶金制品。钢结硬质合金钢结硬质合金-以难熔金属硬质化合物为硬质相、以钢作粘结相制成的以难熔金属硬质化合物为硬质相、以钢作粘结相制成的硬质合金。钢结硬质合金兼有碳化物的硬度和耐磨性以及钢的良好力学性能。硬质合金。钢结硬质合金兼有碳化物的硬度和耐磨性

10、以及钢的良好力学性能。主要用作耐磨零件和机器构件。其组织特点是微细的硬质相均匀弥散地分布主要用作耐磨零件和机器构件。其组织特点是微细的硬质相均匀弥散地分布于钢的基体中。于钢的基体中。 6）用硬质合金和钢结硬质合金制造模具 a. 用于拉丝模、冷冲模、冷镦模、无磁模 b. 硬质合金：硅钢片高速冲模 c. 钢结硬质合金：M12螺栓冷镦模 6二、模具材料的应用与发展二、模具材料的应用与发展81.1.电渣重熔（电渣重熔（electroslagremelting）是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其主要是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其主要目的是提纯金属并获得

11、洁净、组织均匀且致密的钢锭。目的是提纯金属并获得洁净、组织均匀且致密的钢锭。2.2.炉外精炼炉外精炼 是把一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金是把一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的成分和钢液温度等，在炉外的属夹杂物、调整钢的成分和钢液温度等，在炉外的“钢包钢包”或者专用的容器或者专用的容器中进行。中进行。3.3.真空电弧重熔真空电弧重熔 是一种利用电弧作热源在真空条件下熔炼金属的真空熔炼技术，简称是一种利用电弧作热源在真空条件下熔炼金属的真空熔炼技术，简称VARVAR4.4.六面锻造六面锻造 指三向镦粗和拔长的联合工艺，每次都要有

12、一定的锻造比，才能使共晶指三向镦粗和拔长的联合工艺，每次都要有一定的锻造比，才能使共晶碳化物逐步变成无规则均匀分布，或接近均匀分布。碳化物逐步变成无规则均匀分布，或接近均匀分布。 5.5.基体钢（基体钢（matrix steels)matrix steels)是一种特殊用途工具钢，其化学成分相当于高速钢的基体成分，在正常是一种特殊用途工具钢，其化学成分相当于高速钢的基体成分，在正常热处理后其组织与高速钢基体相同。这种钢具有接近高速钢的强度并且具有热处理后其组织与高速钢基体相同。这种钢具有接近高速钢的强度并且具有相当好的韧性，可用来制造高硬度耐冲击工具。相当好的韧性，可用来制造高硬度耐冲击工具。

13、 基体钢主要用于重载冷作模具、难变形材料用的大型复杂模具、钢铁材基体钢主要用于重载冷作模具、难变形材料用的大型复杂模具、钢铁材料用的热挤压模具。料用的热挤压模具。 解释几个概念（省略不讲）解释几个概念（省略不讲）7二、模具材料的应用与发展二、模具材料的应用与发展东风勇士（中国悍马）汽车东风勇士（中国悍马）汽车的车身覆盖件的车身覆盖件用冷作模具制造的产品用冷作模具制造的产品8汽车用冲压件汽车用冲压件用冷作模具制造的产品用冷作模具制造的产品9东方红轮式拖拉机的车身东方红轮式拖拉机的车身覆盖件覆盖件用冷作模具制造的产品用冷作模具制造的产品10用冷作模具制造的产品用冷作模具制造的产品二战时英国的司登冲

14、锋枪二战时英国的司登冲锋枪我国的我国的56式冲锋枪式冲锋枪二战时德国的二战时德国的MP44突击步枪突击步枪子弹弹壳和弹夹子弹弹壳和弹夹11各类模锻件各类模锻件汽车用曲轴模锻件汽车用曲轴模锻件用热作模具制造的产品用热作模具制造的产品12用注塑模制造的产品用注塑模制造的产品手机的塑料外壳手机的塑料外壳汽车内饰用塑料件汽车内饰用塑料件洗衣机的塑料壳体洗衣机的塑料壳体笔记本电脑的塑料壳体笔记本电脑的塑料壳体电冰箱内胆塑料件电冰箱内胆塑料件13表面工程技术简介表面工程技术简介激光加热表面淬火激光加热表面淬火始于上世纪始于上世纪70年代，激光束加热速度每秒达年代，激光束加热速度每秒达10，表面溶化层厚度很

15、，表面溶化层厚度很薄薄.液态层的结晶冷却速度大于常规表面淬火冷却速度液态层的结晶冷却速度大于常规表面淬火冷却速度10倍以上，倍以上，因此激光表面因此激光表面淬火马氏体的含量要比常规热处理淬火工艺的高淬火马氏体的含量要比常规热处理淬火工艺的高电子束表面改性电子束表面改性电子束表面改性始于上世纪电子束表面改性始于上世纪70年代后期，电子束表面改性：可进行表面年代后期，电子束表面改性：可进行表面淬火、表面合金化，具有极快的加热速度，可实现自冷淬火，能准确定点局部淬淬火、表面合金化，具有极快的加热速度，可实现自冷淬火，能准确定点局部淬硬、变形小，便于采用数字控制或计算机控制硬、变形小，便于采用数字控制

16、或计算机控制热喷涂热喷涂是利用电弧、等离子或燃烧火焰等热源将粉末状或丝状的金属或非金属是利用电弧、等离子或燃烧火焰等热源将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。离子注入离子注入是近是近30年来国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术年来国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。在真空条件下，将所需元素（金属或非金属）离子加

17、速，使其具有数百或数万在真空条件下，将所需元素（金属或非金属）离子加速，使其具有数百或数万eV能量的离子束流，注入到固体材料（金属、半导体、合金、陶瓷）的表层，使固能量的离子束流，注入到固体材料（金属、半导体、合金、陶瓷）的表层，使固体发生物理、化学和冶金性能的变化，此过程称为离子注入体发生物理、化学和冶金性能的变化，此过程称为离子注入14二、模具材料的应用与发展二、模具材料的应用与发展5.传统的化学热处理技术传统的化学热处理技术将金属工件放入含有某些活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子将金属工件放入含有某些活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子扩散渗入工件一定深度的表层，改变表

18、层化学成分及组织并获得与心部不同性能扩散渗入工件一定深度的表层，改变表层化学成分及组织并获得与心部不同性能的热处理工艺叫做化学热处理。包括：渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗、渗硼、的热处理工艺叫做化学热处理。包括：渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗、渗硼、渗金属等渗金属等6.刷镀刷镀是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的电镀方法。具有设是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的电镀方法。具有设备简单、镀层质量好、镀层结合强度高、可进行局部电镀等优点备简单、镀层质量好、镀层结合强度高、可进行局部电镀等优点7.化学气相沉积（化学气相沉积（CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固

19、态物质沉积在加热的固态基是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。比如：用体表面，进而制得固体材料的工艺技术。比如：用CVD法制备法制备Ni-P复合涂层，耐复合涂层，耐磨性与硬质合金相当磨性与硬质合金相当8.物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是

20、离子镀。比如：沉积镀三种，目前应用较广的是离子镀。比如：沉积TiC、TiN镀层提高模具表面的镀层提高模具表面的抗粘着性和抗咬合性抗粘着性和抗咬合性15表面工程技术简介表面工程技术简介二、模具材料的应用与发展二、模具材料的应用与发展三、本课程的性质、教学目的和基本要求三、本课程的性质、教学目的和基本要求1. 课程性质 是普通高等教育应用型本科材料成形及控制工程专业（模具方向）的一 门专业课。2. 课程要求 (1) 已学习了“金属学与热处理”或“工程材料及热处理”课程 (2) 既要懂模具的设计与制造，也要懂模具材料及表面处理技术 (3) 掌握模具材料的特性、强韧化方法、使用范围 (4) 在选择材料

21、时注意质量、寿命、成本三者的关系，达到正确选择模 具材料及掌握正确的热处理方法 (5) 熟悉各类模具的表面处理方法及其选用16第1章Moldingtoollifespanandmaterial第第1章章模具失效与使用模具失效与使用寿命寿命第第1节节模具的失效分析模具的失效分析第第2节节典型模具的服役条件及失典型模具的服役条件及失效分析效分析第第3节节模具的使用寿命及其影响模具的使用寿命及其影响因素因素Moldingtoollifespanandmaterial17 主要内容主要内容1.模具的失效分析模具的失效分析2.典型模具的服役条件及失效形式典型模具的服役条件及失效形式3.模具的使用寿命及其

22、影响因素模具的使用寿命及其影响因素4.模具热处理与表面强化对使用寿命的影响模具热处理与表面强化对使用寿命的影响 重点及难点重点及难点1.模具的失效机理、过程分析模具的失效机理、过程分析2.热作、冷作、塑料模具的服役条件及失效形式热作、冷作、塑料模具的服役条件及失效形式3.模具材料、热处理及表面强化对使用寿命的影响模具材料、热处理及表面强化对使用寿命的影响 1820第一章第一章模具失效与使用寿命模具失效与使用寿命重要定义重要定义1）模具失效 是指模具丧失正常的使用功能，不能通过一般的修 复方法（如刃磨、抛磨等）使其重新服役的现象2）模具失效分为两类： a. 正常失效（比较安全） b. 非正常失效

23、（早期失效）（不安全，应加以避免）3）模具使用寿命（模具正常寿命） 是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目， 若其在生产过程中经过多次修模，则模具的使用寿 命为首次寿命与各次修模寿命的总和1921第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析一、模具的损伤与失效一、模具的损伤与失效1）失效 是指模具在服役中产生过量塑性变形、表面损伤、开裂与断裂、冷热疲劳、腐蚀等损伤后，将丧失原有的功能，以致不能正常服役，这种现象称为失效。2）模具失效是一个变化的过程 如: 断裂失效经历的过程是： 表面产生缺陷表面微裂纹裂纹扩展断裂3）模具损伤 指模具使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象，但没有立即丧失服役能

24、力 的现象。4）损伤是模具破坏的起源；损伤的积累可导致模具的失效5）非正常失效（早期失效） 模具达到一定工业技术水平公认的使用寿命而产生的失效6）正常失效 在模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的 失效2022第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析二、模具的失效分类二、模具的失效分类2123第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析1）磨损 是指模具表面的相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象称 为。2）磨损失效 当磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能 正常工作时，称为。3）磨损按机理分类：

25、磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损等1. 磨粒磨损 工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具 表面材料脱落的现象，称为。22（一）磨损失效24第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析磨粒磨损失效的机理 a. 磨粒是来自外部的硬质颗粒 或工件表面的硬突出物 b. 垂直分力作用 c. 水平分力作用 d. 磨粒压入工件磨粒刮擦模具从模具表面切下切屑磨粒嵌入模具表面磨粒耕犁或犁皱工件表面 f. 对模具和工件表面的影响 23模具模具工件工件25第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效

26、机理分析减少磨粒磨损的措施 1）提高模具材料的硬度 2）提高模具表面耐磨性 3）模具使用中，清理模具和工件表面的磨粒 2426第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析1）少数微观突起的封顶压力很大，导 致局部弹塑性变形2）破坏模具表层润滑层和氧化膜，新 鲜表面曝露，引起局部粘着3）工件与模具相对运动，引起局部淬 火，形成淬火裂纹4）运动中产生撕裂、剥落25粘着磨损的机理27第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析材料性质、材料硬度、表面压力材料塑性越高，粘着磨损越严重。相同的金属或者互溶性大的金属形成摩擦副

27、时，粘着效应明显，易产生粘着磨损。多相组织的金属材料，由于其强化效果而比单相金属材料具有更高的抗粘着磨损能力。26影响磨损的主要因素：（1）选择与工件互溶性小的模具材料（2）使用润滑剂，防止或减少两金属之间的直接接触（3）表面热处理，改变摩擦表面的互溶性质和组织结构降低粘着磨损的方法：28第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析 在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表面金属疲劳剥落的现象，称为。疲劳磨损产生的原因：模具的表面或亚表面在交变应力作用下，模具表面产生局部塑性变形和冷加工硬化现象。在相对薄弱处，由于应力集中形成裂纹源，并在外力作用下扩

28、展。当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。273. 疲劳磨损29第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析影响疲劳磨损的因素：材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度等。（1）脆性较大，带有棱角的非金属夹杂物的存在，会在夹杂物的尖角出形 成应力集中，并因塑性变形引起冷加工硬化形成疲劳裂纹（2）硬度高，增加抗疲劳能力，但过高却加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳 磨损（3）材料表面粗糙形成很大的接触应力，加速疲劳磨损提高抗疲劳能力的方法：（1）使用润滑剂，避免直接接触，降低接触应力，减少疲劳磨损量（2）喷丸、滚压处理，在模具表面产生残余应力283.

29、 疲劳磨损30第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析（1）气蚀磨损 由于金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击，使模具表面 形成微小的麻点和凹坑的现象，称为。（2）冲蚀磨损 固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式反复落到模具的表面上，使 模具表面的局部材料收到损失而形成麻点或凹坑的现象，称为。（3）腐蚀磨损 在工作过程中，模具表面与周围环境介质发生化学或电化学反应，以 及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象，称为。294. 其他磨损31第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析断裂失效 模具在工作中，出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象 称为。断裂的表现： 产生局部碎块或整个模具断成几个部分，断裂是最严重的失效形式30（二）断裂失效32第一节第一节模具的失效分析模具的失效分析三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析断裂失效的分类 （1）按断裂性质：脆性断裂、韧性断裂 （2）按断裂路径：沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂 （3）按断裂机理：一次性断裂、疲劳断裂模具材料多为脆性断裂。一次性断裂 模具在承受很大变形力或冲击载荷的作用