课题九掌握金属材料的工程选用

1、任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施机电产品都是由各种各样的零件组成的，要使产品的机电产品都是由各种各样的零件组成的，要使产品的质量高、安全性好、外观新颖、功能强、成本低，应质量高、安全性好、外观新颖、功能强、成本低，应解决好三个关键的工程问题：解决好三个关键的工程问题：优良的产品结构设计、优良的产品结构设计、恰当的材料选择及正确的加工工艺恰当的材料选择及正确的加工工艺。零件（构件）的功能零件（构件）的功能 1. 1. 在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；和尺寸； 2. 2. 实现规定的机械运动；

2、实现规定的机械运动； 3. 3. 传递力和能量。传递力和能量。课题九课题九 掌握金属材料的工程选用掌握金属材料的工程选用任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施1. 1. 认识金属材料的失效形式及预防措施认识金属材料的失效形式及预防措施系统、设备、工件等产品丧失额定功能的现象称为系统、设备、工件等产品丧失额定功能的现象称为失效。失效。失效的类型：失效的类型：（1 1）畸变失效）畸变失效 畸变是指在某种程度上减弱了工件规畸变是指在某种程度上减弱了工件规定功能的变形。从变形的形貌上看，畸变有两种基定功能的变形。从变形的形貌上看，畸变有两种基本类型：尺寸畸变或体

3、积畸变（长大或缩小）和形本类型：尺寸畸变或体积畸变（长大或缩小）和形状畸变（如弯曲或翘曲）。例如，受轴向载荷的连状畸变（如弯曲或翘曲）。例如，受轴向载荷的连杆可产生轴向拉、压变形；轴的弯曲、壳体的翘曲杆可产生轴向拉、压变形；轴的弯曲、壳体的翘曲变形等，变形等，任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施（2 2）断裂失效）断裂失效 机械工件因断裂（特别是突然断裂）机械工件因断裂（特别是突然断裂）而产生的失效称为断裂失效而产生的失效称为断裂失效任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施（3 3）表面损伤失效）表面损伤失效 表面

4、损伤失效包括磨损失效、表表面损伤失效包括磨损失效、表面疲劳失效和腐蚀失效。面疲劳失效和腐蚀失效。任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施2. 2. 理解失效的基本影响因素理解失效的基本影响因素（1 1）设计因素：）设计因素：定出合适的材质、尺寸、结构，提出必定出合适的材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件，如图纸、说明书等。如设计有误，要的技术文件，如图纸、说明书等。如设计有误，则机械设备或工件将不能使用或过早失效。则机械设备或工件将不能使用或过早失效。（2 2）制造工艺因素：工艺制造条件往往是达不到设计要）制造工艺因素：工艺制造条件往往是达不到设计要求而导

5、致工件失效的一个重要因素。如工件在锻造求而导致工件失效的一个重要因素。如工件在锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹；焊接过程的未焊透过程中产生的夹层、冷热裂纹；焊接过程的未焊透、偏析、冷热裂纹；铸造过程的疏松、夹渣；机加、偏析、冷热裂纹；铸造过程的疏松、夹渣；机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适；热处理工工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适；热处理工艺产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆眭、硬艺产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆眭、硬软层硬度梯度过大；精加工磨削中的磨削裂纹等。软层硬度梯度过大；精加工磨削中的磨削裂纹等。任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施

6、2. 2. 理解失效的基本影响因素理解失效的基本影响因素（3 3）装配调试因素：）装配调试因素：在安装过程中，如达不到所要求的在安装过程中，如达不到所要求的质量指标，如啮合传动件（齿轮、杆、螺旋等）的间质量指标，如啮合传动件（齿轮、杆、螺旋等）的间隙不合适；连接工件必要的隙不合适；连接工件必要的“防松防松”不可靠；铆焊结不可靠；铆焊结构的必要探伤检验不良；润滑与密封装置不良等。构的必要探伤检验不良；润滑与密封装置不良等。（4 4）材质因素：除选材不当外，材质内部缺陷；毛坯加）材质因素：除选材不当外，材质内部缺陷；毛坯加工（铸、锻、焊）工艺或冷、热加工（特别是热处理工（铸、锻、焊）工艺或冷、热加

7、工（特别是热处理）工艺过程产生的缺陷是导致失效的重要因素。）工艺过程产生的缺陷是导致失效的重要因素。任务一任务一 认识金属材料的失效形式和预防措施认识金属材料的失效形式和预防措施2. 2. 理解失效的基本影响因素理解失效的基本影响因素（5 5）运转维修因素：对运转工况参数（载荷、速度等）运转维修因素：对运转工况参数（载荷、速度等）的监控是否准确；定期大、中、小检修的制度是）的监控是否准确；定期大、中、小检修的制度是否合理执行；润滑条件是否保证，包括润滑剂和润否合理执行；润滑条件是否保证，包括润滑剂和润滑方法是否选得合适，润滑装置以及冷却；加热和滑方法是否选得合适，润滑装置以及冷却；加热和过滤系

8、统功能是否正常。过滤系统功能是否正常。任务二任务二 熟悉金属材料选用的原则与程序熟悉金属材料选用的原则与程序1. 1. 熟悉金属材料选用原则熟悉金属材料选用原则选用金属材料时，应考虑其使用性能、加工工艺性选用金属材料时，应考虑其使用性能、加工工艺性能及经济性三方面的要求，使金属材料发挥出最佳能及经济性三方面的要求，使金属材料发挥出最佳的效能。的效能。（1 1）金属材料的使用性能）金属材料的使用性能（2 2）金属材料的工艺性）金属材料的工艺性（3 3）金属材料的经济性）金属材料的经济性任务二任务二 熟悉金属材料选用的原则与程序熟悉金属材料选用的原则与程序2. 2. 能把握金属材料选用程序能把握金

9、属材料选用程序 任务三任务三 正确选用制造机械传动轴的材料并制定热正确选用制造机械传动轴的材料并制定热处理工艺处理工艺1. 1. 熟悉轴类零件需要的性能指标熟悉轴类零件需要的性能指标轴是机器中最基本、最关键的零件之一，其作用是轴是机器中最基本、最关键的零件之一，其作用是支承传动零件并传递运动和动力。受力特点是传递支承传动零件并传递运动和动力。受力特点是传递扭矩，同时承受弯曲力或拉压应力；都需要用轴承扭矩，同时承受弯曲力或拉压应力；都需要用轴承（滑动或滚动轴承）支承，在轴颈处应有较高的耐（滑动或滚动轴承）支承，在轴颈处应有较高的耐磨性；绝大多数要承受一定程度的冲击载荷。磨性；绝大多数要承受一定程

10、度的冲击载荷。 制造轴类零件材料的性能指标制造轴类零件材料的性能指标应具有优良的综合力学性能，以防轴变形和断裂；应具有优良的综合力学性能，以防轴变形和断裂；应具有高的疲劳抗力，以防轴过早发生疲劳断裂；应具有高的疲劳抗力，以防轴过早发生疲劳断裂；应具有良好的耐磨性，提高使用寿命。应具有良好的耐磨性，提高使用寿命。任务三任务三 正确选用制造机械传动轴的材料并制定热正确选用制造机械传动轴的材料并制定热处理工艺处理工艺2. 2. 能根据传动轴受力情况进行选材能根据传动轴受力情况进行选材1 1）承受循环应力和动载荷的轴类零件，）承受循环应力和动载荷的轴类零件，应选用淬透性好应选用淬透性好的调质钢。的调质

11、钢。2 2）承受弯曲和扭转应力的轴类零件，不需选用淬透性很）承受弯曲和扭转应力的轴类零件，不需选用淬透性很高的钢种，可选用合金调质钢，如汽车主轴常采用高的钢种，可选用合金调质钢，如汽车主轴常采用40Cr40Cr。任务三任务三 正确选用制造机械传动轴的材料并制定热正确选用制造机械传动轴的材料并制定热处理工艺处理工艺2. 2. 能根据传动轴受力情况进行选材能根据传动轴受力情况进行选材3 3）高精度、高速传动的轴类零件，如镗床、数控铣床、）高精度、高速传动的轴类零件，如镗床、数控铣床、数控磨床等主轴常选用数控磨床等主轴常选用38CrMoAlA38CrMoAlA等，进行调质及渗等，进行调质及渗氮处理。

12、氮处理。4 4）对中、低速内燃机曲轴，以及连杆、凸轮轴，选用球）对中、低速内燃机曲轴，以及连杆、凸轮轴，选用球墨铸铁制造，不仅能满足力学性能要求，而且制造墨铸铁制造，不仅能满足力学性能要求，而且制造工艺简单，成本低。工艺简单，成本低。各类传动轴结构各类传动轴结构机床主轴的选材及其热处理工艺见表机床主轴的选材及其热处理工艺见表9 93 3。 3. 3. 能正确选用机床主轴材料能正确选用机床主轴材料图示为图示为C620C620车床主轴简图，该主轴承受交变扭转和弯曲车床主轴简图，该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，轴颈和锥载荷。但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，轴颈和锥孔

13、处有摩擦。主轴可选用孔处有摩擦。主轴可选用4545钢，经调质处理后，硬度为钢，经调质处理后，硬度为220220250HBW250HBW，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为484856HRC56HRC。车床主轴加工工艺路线为：备料车床主轴加工工艺路线为：备料锻造锻造正火正火粗机粗机械加工械加工调质调质精机械加工精机械加工表面淬火低温回火表面淬火低温回火磨削磨削装配。装配。4. 4. 能正确选用内燃机曲轴材料能正确选用内燃机曲轴材料 图示为内燃机曲轴，它是内燃机的脊梁骨，工作时受交图示为内燃机曲轴，它是内燃机的脊梁骨，工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作

14、用。根据内变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。根据内燃机转速高低可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴燃机转速高低可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴选用正火态的选用正火态的4545钢；中速内燃机曲轴选用调质态的钢；中速内燃机曲轴选用调质态的4545钢钢、调质态的中碳合金钢（如、调质态的中碳合金钢（如40Cr40Cr）；高速内燃机曲轴选）；高速内燃机曲轴选用强度级别高一些的合金钢（如用强度级别高一些的合金钢（如42CrMo42CrMo）。）。 内燃机曲轴的加工工艺路线为：备料料内燃机曲轴的加工工艺路线为：备料料锻造锻造正火正火粗机械加工粗机械加工调质调质精机械加工精机械加工轴颈表面淬火低轴

15、颈表面淬火低温回火温回火磨削磨削装配。装配。任务任务4 4 正确选用齿轮类零件材料并制定热处理工艺正确选用齿轮类零件材料并制定热处理工艺齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，作用是齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，作用是传递动力、调节速度或改变运动方向。传递动力、调节速度或改变运动方向。二、冷作模具钢的成分特点二、冷作模具钢的成分特点1. 1. 熟悉齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求熟悉齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求（1 1）齿轮的工作条件）齿轮的工作条件 1 1）啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈）啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈摩擦和接触疲劳压应力。摩擦和

16、接触疲劳压应力。2 2）传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受）传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。较大的弯曲疲劳应力。3 3）换挡、起动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载）换挡、起动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷荷二、冷作模具钢的成分特点二、冷作模具钢的成分特点（2 2）齿轮的主要失效形式）齿轮的主要失效形式1 1）断齿）断齿：除因过载：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿是由于传递动力时，在齿根部，大多数情况下的断齿是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。产生的弯曲疲劳应力造成的。2 2）齿

17、面磨损）齿面磨损：由于齿面接触区的摩擦：由于齿面接触区的摩擦，使齿厚变小、齿，使齿厚变小、齿隙加大。隙加大。3 3）接触疲劳）接触疲劳：在交变接触应力作用下：在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，齿面产生微裂纹，逐渐剥落，形成麻点。，逐渐剥落，形成麻点。（3 3）对齿轮材料的性能要求）对齿轮材料的性能要求1 1）高的弯曲疲劳强度。）高的弯曲疲劳强度。2 2）高的耐磨性和接触疲劳强度。）高的耐磨性和接触疲劳强度。3 3）轮齿心部要有足够的强度和韧性。）轮齿心部要有足够的强度和韧性。任务二任务二 冷作模具材料与热处理冷作模具材料与热处理2. 2. 能正确选用机床齿轮材料并制定热处理工艺能正确选用机

18、床齿轮材料并制定热处理工艺机床齿轮工作时通过齿面的接触传递动力，周期地受机床齿轮工作时通过齿面的接触传递动力，周期地受弯曲应力和接触应力作用，还要承受强烈的摩擦。齿弯曲应力和接触应力作用，还要承受强烈的摩擦。齿轮在换挡、起动或啮合不均匀时还要承受冲击力。因轮在换挡、起动或啮合不均匀时还要承受冲击力。因此，要求制造齿轮的材料应具有较高的弯曲疲劳强度此，要求制造齿轮的材料应具有较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面有较高的硬度和耐磨性，心部和接触疲劳强度，齿面有较高的硬度和耐磨性，心部有足够的强度和韧性。齿轮毛坯通常采用钢材锻造成有足够的强度和韧性。齿轮毛坯通常采用钢材锻造成形，常用的钢材有中碳调

19、质钢和渗碳钢。形，常用的钢材有中碳调质钢和渗碳钢。2. 2. 能正确选用机床齿轮材料并制定热处理工艺能正确选用机床齿轮材料并制定热处理工艺机床传动齿轮受力不大，工作平稳，没有强烈冲击，机床传动齿轮受力不大，工作平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求不太高时，用中碳钢（对强度和韧性的要求不太高时，用中碳钢（4545钢）经钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达高耐磨性，表面硬度可达525258HBC58HBC。对于性能要求。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（如较高的齿轮，可选用中碳合金钢（如40Cr40Cr）

20、。）。 机床传动齿轮齿轮加工工艺路线：机床传动齿轮齿轮加工工艺路线：备料备料锻造锻造正火正火粗机械加工粗机械加工调质调质精机械加工精机械加工高频淬火低温回火高频淬火低温回火装配。装配。2. 2. 能正确选用机床齿轮材料并制定热处理工艺能正确选用机床齿轮材料并制定热处理工艺正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，为后续的调质工序做好力，调整硬度便于机械加工，为后续的调质工序做好组织准备。正火后硬度为组织准备。正火后硬度为180180207HBW207HBW，切削加工性，切削加工性能好。能好。经调质处理后可获得较高的综合

21、力学性能，提高齿轮经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，能承受较大的弯曲应力和冲击载心部的强度和韧性，能承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为荷。调质后的硬度为220220340HBW340HBW。“高频淬火低温回火高频淬火低温回火”表面热处理可提高齿轮表面表面热处理可提高齿轮表面的硬度和耐磨性及表面接触疲劳强度。高频表面加热的硬度和耐磨性及表面接触疲劳强度。高频表面加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约度比普通淬火高约2HRC2HRC，表面形成压应力层，从而提，表面形成压应力层，从而提高

22、齿轮的疲劳强度。高齿轮的疲劳强度。任务二任务二 冷作模具材料与热处理冷作模具材料与热处理3 3能正确选用汽车、拖拉机齿轮材料能正确选用汽车、拖拉机齿轮材料汽车、拖拉机齿轮工作时比机床齿轮受力大，受冲击汽车、拖拉机齿轮工作时比机床齿轮受力大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高，通常使用合金渗碳钢频繁，因而对性能的要求较高，通常使用合金渗碳钢（如（如20CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。3 3能正确选用汽车、拖拉机齿轮材料能正确选用汽车、拖拉机齿轮材料汽车、拖拉机齿轮加工工艺路线为：汽车、拖拉机齿轮加工工艺路线为：备料备料锻造锻造正火正火机械加工机械加工渗碳渗碳淬

23、火低温回淬火低温回火火喷丸喷丸磨削磨削装配。装配。正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火低正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火低温回火后，齿面硬度可达温回火后，齿面硬度可达585862HRC62HRC，心部硬度为，心部硬度为353545HRC45HRC。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约2 23HRC3HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。劳强度。任务任务5 5 正确选用箱体类零件材料正确选用箱体类零件

24、材料箱体类零件有机床的主轴箱、变速箱、进给箱、滑板箱体类零件有机床的主轴箱、变速箱、进给箱、滑板箱、缸体、缸盖、机床床身、汽轮机机壳、压力机机箱、缸体、缸盖、机床床身、汽轮机机壳、压力机机身与滑块等都可视为箱体类零件。箱体类零件形状大身与滑块等都可视为箱体类零件。箱体类零件形状大，结构复杂，常用铸造或焊接方法生产。，结构复杂，常用铸造或焊接方法生产。任务任务5 5 正确选用箱体类零件材料正确选用箱体类零件材料箱体类零件受力较大，要求高强度、高韧性，或在高温、高压下箱体类零件受力较大，要求高强度、高韧性，或在高温、高压下工作，如汽轮机机壳选用铸钢制造；受冲击力不大，且主要承受工作，如汽轮机机壳选

25、用铸钢制造；受冲击力不大，且主要承受静压力的箱体，可选用灰铸铁制造，如静压力的箱体，可选用灰铸铁制造，如HT150HT150、HT200HT200等；对于受等；对于受力不大，要求重量轻或导热性良好的箱体类零件，选用铸造铝合力不大，要求重量轻或导热性良好的箱体类零件，选用铸造铝合金制造，如汽车发动机的缸盖；对于受力很小，要求自重轻和耐金制造，如汽车发动机的缸盖；对于受力很小，要求自重轻和耐腐蚀的箱体类零件，选用工程塑料制造；对于受力较大，但形状腐蚀的箱体类零件，选用工程塑料制造；对于受力较大，但形状简单的箱体类零件，可采用型钢（如简单的箱体类零件，可采用型钢（如Q235Q235、2020钢、钢、

26、Q345Q345等）焊接等）焊接制造。制造。常用工具的选材常用工具的选材工具名工具名称称材材 料料工作部分工作部分硬度硬度工具名称工具名称材材 料料工作部分工作部分硬度硬度钢丝钳钢丝钳T7T7、T8T8525260HRC60HRC活扳手活扳手4545钢、钢、40Cr40Cr414147HRC47HRC锤子锤子5050钢钢494956HRC56HRC木工手锯木工手锯、锯条、锯条T10T10424247HRC47HRC旋具旋具（螺丝（螺丝刀）刀）5050钢、钢、6060钢钢48485252木工刨刀木工刨刀片片轧焊刀片轧焊刀片：GCrl5GCrl5整体刀片整体刀片T8T861616363515162

27、62呆扳手呆扳手5050钢、钢、40Cr40Cr41414747鲤鱼钳鲤鱼钳5050钢钢48485454锉刀锉刀T12T12、T13T1362626565丝锥、板丝锥、板牙牙9SiCr9SiCr、W18Cr4VW18Cr4V6060任务任务6 6 正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺冷作模具主要是指冲裁模、弯曲模、拉深模、冷拔模冷作模具主要是指冲裁模、弯曲模、拉深模、冷拔模、冷挤压模、滚边模、拉丝模、搓丝板、冷切剪刀、冷挤压模、滚边模、拉丝模、搓丝板、冷切剪刀、螺纹滚模、压印模等。螺纹滚模、压印模等。任务任务6 6 正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺正确选

28、用冷作模具材料并制定热处理工艺1. 1. 熟悉冷作模具对材料性能要求熟悉冷作模具对材料性能要求（1 1）使用性能要求）使用性能要求：冷作模具要求高硬度和高耐磨性：冷作模具要求高硬度和高耐磨性、高强度、高冲击韧性、良好的抗疲劳性和抗咬合能力。高强度、高冲击韧性、良好的抗疲劳性和抗咬合能力。（2 2）工艺性能要求）工艺性能要求：良好的可锻性；：良好的可锻性；良好的可切削性良好的可切削性；良好的磨削加工性；良好的磨削加工性；良好的热处理工艺性，即好的淬透良好的热处理工艺性，即好的淬透性和淬硬性、好的回火稳定性、较小的氧化脱碳和过热性和淬硬性、好的回火稳定性、较小的氧化脱碳和过热倾向、较小的淬火变形和

29、开裂倾向。倾向、较小的淬火变形和开裂倾向。制造冷作模具材料通常为合金工具钢，该类钢碳的质量制造冷作模具材料通常为合金工具钢，该类钢碳的质量分数较高，分数较高，WcWc0.950.952.02.0。加入。加入CrCr、MoMo、W W、等等合金元素，保证钢材获得高淬透性、高耐回火性、高硬合金元素，保证钢材获得高淬透性、高耐回火性、高硬度和高耐磨性。度和高耐磨性。采取的热处理工艺采取的热处理工艺：淬火：淬火+ + 低温回火低温回火，热处理后变形小，热处理后变形小，属于热处理微变形钢。，属于热处理微变形钢。任务任务6 6 正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺2.

30、2. 熟悉冷作模具材料种类与热处理工艺熟悉冷作模具材料种类与热处理工艺制造冷作模具工作零件常用的材料有低合金工具钢、中合金工制造冷作模具工作零件常用的材料有低合金工具钢、中合金工具钢、高合金工具钢与高速钢、基体钢、硬质合金等。具钢、高合金工具钢与高速钢、基体钢、硬质合金等。冷作模具冷作模具钢的牌号钢的牌号、热处理和用途见表、热处理和用途见表9 97 7、表、表9 98 8、表、表9 99 9、表、表9 91010、表、表9 91111。冷作模具结构零件的材料及热处理硬度。冷作模具结构零件的材料及热处理硬度见表见表9 91212。模具零件名称模具零件名称材料钢号材料钢号热处理硬度热处理硬度HRC

31、HRC上、下模板上、下模板HT200HT200、ZG45ZG45、Q235Q235无需热处理无需热处理导柱、导套导柱、导套T8AT8A、T10AT10A、2020钢钢60606262（2020钢渗碳淬火）钢渗碳淬火）垫板、定位板、挡板、挡料钉垫板、定位板、挡板、挡料钉4545、T8AT8A42424646导板、导正钉导板、导正钉T10AT10A、GCr15GCr1550505555侧刃、侧刃挡板侧刃、侧刃挡板T8AT8A、T10AT10A、CrWMnCrWMn58586262斜锲、滑块斜锲、滑块T8AT8A、T10AT10A、GCr15GCr1558586262弹簧、簧片弹簧、簧片6565、6

32、5Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn44444848顶杆、顶料杆（板）顶杆、顶料杆（板）4545、GCr15GCr1544444848模柄模柄Q235Q235、4545无需热处理无需热处理任务任务6 6 正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺3. 3. 能根据冲压件种类选用冷作模具材料能根据冲压件种类选用冷作模具材料（1 1）冲裁模具选材：用于板料的冲切成形，包括剪切）冲裁模具选材：用于板料的冲切成形，包括剪切、冲孔、落料、切边和精冲等工序。刃口由锋利逐、冲孔、落料、切边和精冲等工序。刃口由锋利逐渐磨钝，致使冲裁件产生毛刺，磨损或断裂是主要渐磨钝，致使

33、冲裁件产生毛刺，磨损或断裂是主要失效形式。因此，冲裁模具工作零件要有高的硬度失效形式。因此，冲裁模具工作零件要有高的硬度和耐磨性，高的抗压强度和适当的韧性。表和耐磨性，高的抗压强度和适当的韧性。表9 91313所所示的冲压件对应冲裁模具工作零件的材料选用。示的冲压件对应冲裁模具工作零件的材料选用。冲针结构冲针结构任务任务6 6 正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺2 2）拉深模具选材：拉深又称拉延或压延，利用模具使平）拉深模具选材：拉深又称拉延或压延，利用模具使平板材料变成开口空心零件的冲压方法。失效形式是磨板材料变成开口空心零件的冲压方法。失效形式是磨损和

34、黏附，因此，要求材料具有高的强度、硬度和耐损和黏附，因此，要求材料具有高的强度、硬度和耐磨性，保证在工作中不黏附和划伤，与被拉深材料的磨性，保证在工作中不黏附和划伤，与被拉深材料的种类、厚度、润滑条件、模具设计与制造精度有关。种类、厚度、润滑条件、模具设计与制造精度有关。拉深模具的工作零件选材参见表拉深模具的工作零件选材参见表9 91414。任务任务6 6 正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺正确选用冷作模具材料并制定热处理工艺拉深模具拉深模具拉深模具工作零件选材拉深模具工作零件选材零件名称工作条件推荐选用材料模具硬度HRC制品大小制品材料小批量1万件中批量10万件大批量100万件凹模小型拉深

35、件铝或铝合金、铜或铜合金T10A、CrWMn、9CrWMn9CrWMn、Cr6WV、CH1Cr6WV 、Cr4W2MoV、Cr12MoV16264深拉深件奥氏体不锈钢T10A镀硬铬、铝青铜铝青铜、Cr6WV渗氮、大中型拉深件铝或铝合金、铜或铜合金合金铸铁、球墨铸铁镀硬铬合金铸铁、镶嵌模块Cr6WV 、Cr4W2MoV镶嵌模块Cr6WV 、Cr4W2MoV、Cr12MoV（SKD11）深拉深件奥氏体不锈钢合金铸铁镶嵌铝青铜模块镶嵌模块：Cr6WV 渗氮、Cr4W2MoV渗氮、铝青铜镶嵌模块：Cr6WV 渗氮、Cr4W2MoV渗氮、Cr12MoV（SKD11）渗氮、W18Cr4V渗氮凸模小型T10

36、A、40Cr渗氮Cr6WV 、Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr4W2MoV、Cr12MoV（SKD11）5862大中型合金铸铁CrWMn、9 CrWMnCr6WV 、Cr4W2MoV、Cr12MoV（SKD11）压边圈小型T10A、CrWMn、9CrWMn6W6、LD、65Nb、64665458大中型合金铸铁合金铸铁CrWMn、9 CrWMn任务七任务七 正确选用热作模具材料并制定热处理工艺正确选用热作模具材料并制定热处理工艺热作模具指用于热变形加工的热锻模、热挤压模、热热作模具指用于热变形加工的热锻模、热挤压模、热冲裁模及压力铸造的压铸模。冲裁模及压力铸造的压铸模。1. 1. 熟悉热作模

37、具的工作条件与要求熟悉热作模具的工作条件与要求热作模具工作特点是在强大外力作用下，使炙热的固热作模具工作特点是在强大外力作用下，使炙热的固体金属材料在模具内产生塑性变形，或者使高温的液体金属材料在模具内产生塑性变形，或者使高温的液态金属在模具内铸造成形，从而获得各种所需形状的态金属在模具内铸造成形，从而获得各种所需形状的零件或毛坯。模具工作温度一般在零件或毛坯。模具工作温度一般在400400700700，有时，有时高达高达10001000，并承受很大的冲击力、挤压力，强烈的，并承受很大的冲击力、挤压力，强烈的摩擦，剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变和热应摩擦，剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变

38、和热应力、高温氧化。因此，热作模具要求高强度、高韧性力、高温氧化。因此，热作模具要求高强度、高韧性、高硬度和耐磨性、高的热稳定性、高温抗氧化能力、高硬度和耐磨性、高的热稳定性、高温抗氧化能力、良好的抗热疲劳性、高淬透性。耐热熔蚀性、良好、良好的抗热疲劳性、高淬透性。耐热熔蚀性、良好的切削加工性。的切削加工性。任务七任务七 正确选用热作模具材料并制定热处理工艺正确选用热作模具材料并制定热处理工艺热作模具钢属于中碳合金工具钢，碳质量分数热作模具钢属于中碳合金工具钢，碳质量分数WcWc0.30.30.60.6，加人的合金元素有，加人的合金元素有CrCr、MnMn、NiNi、MoMo、W W、SiSi

39、等，以保证钢材获得高淬透性、高耐回火性、等，以保证钢材获得高淬透性、高耐回火性、高抗热疲劳性能，并防治回火脆性。高抗热疲劳性能，并防治回火脆性。热作模具要求的硬度比冷作模具低。热作模具要求的硬度比冷作模具低。热锻模工作部分的硬度通常为热锻模工作部分的硬度通常为333347HRC47HRC（随锻模大小（随锻模大小而不同）；而不同）；压铸模工作部分的硬度通常为压铸模工作部分的硬度通常为404048HRC48HRC。热作模具的热处理通常采用调质处理或淬火加中温回热作模具的热处理通常采用调质处理或淬火加中温回火，获得均匀的回火索氏体组织，且热处理后变形小火，获得均匀的回火索氏体组织，且热处理后变形小，

40、具有高强度和高韧性。，具有高强度和高韧性。任务七任务七 正确选用热作模具材料并制定热处理工艺正确选用热作模具材料并制定热处理工艺2. 2. 熟悉压铸模材料选用熟悉压铸模材料选用压铸是将熔化的金属液在压力作用下铸成各种结构复压铸是将熔化的金属液在压力作用下铸成各种结构复杂、尺寸精确、表面光洁、组织致密的零件，如薄壁杂、尺寸精确、表面光洁、组织致密的零件，如薄壁、小孔、凸缘、花纹、齿轮、螺纹、字体以及镶衬组、小孔、凸缘、花纹、齿轮、螺纹、字体以及镶衬组合等零件。近年来，压铸成形已广泛应用于汽车、拖合等零件。近年来，压铸成形已广泛应用于汽车、拖拉机、仪器仪表、航海航空、电机制造、日用五金等拉机、仪器

41、仪表、航海航空、电机制造、日用五金等行业各种复杂零件。行业各种复杂零件。2. 2. 熟悉压铸模材料选用熟悉压铸模材料选用压铸模是在高压力（压铸模是在高压力（3030150MPa150MPa）下将）下将40040016001600的熔融金属压铸成形用的模具。压铸成形过程中，模的熔融金属压铸成形用的模具。压铸成形过程中，模具周期性地与炽热的熔融金属接触，反复加热和冷却具周期性地与炽热的熔融金属接触，反复加热和冷却，且受到高速射入的金属液冲刷和腐蚀。因此，压铸，且受到高速射入的金属液冲刷和腐蚀。因此，压铸模材料须具有较高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性和模材料须具有较高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性和耐腐

42、蚀性、高的导热性和耐热性、良好的高温力学性耐腐蚀性、高的导热性和耐热性、良好的高温力学性能和耐磨性、高的淬透性等。能和耐磨性、高的淬透性等。根据被压铸材料的性质，压铸模可分为锌合金压铸模、铝或镁合根据被压铸材料的性质，压铸模可分为锌合金压铸模、铝或镁合金压铸模、铜合金压铸模和钢铁压铸模。它们的熔点、压铸温度金压铸模、铜合金压铸模和钢铁压铸模。它们的熔点、压铸温度、模具工作温度和硬度要求都各有不同。由于压铸温度愈高，压、模具工作温度和硬度要求都各有不同。由于压铸温度愈高，压铸模的磨损和损坏就愈快。铸模的磨损和损坏就愈快。工作条仵模具成形零件材料代用材料硬度HRC小型简单模具大型复杂模具压铸锌合金

43、（压铸温度400450）4CrW2Si、5CrNiMo3Cr2W8V（H21）、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1（H13）4CrSi、30CrMnSi、CrMnMo4852压铸铝或镁合金（温度650700）4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si3Cr2W8V（H21）、 4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr3Mo3W2V、4Cr5W2VSi3Crl3、4Crl34048压铸铜合金（压铸温度8501000）3Cr2W8V（H21）、 4Cr5MoSiV、 4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr3Mo3W2V、4Cr5W2VSi、3Cr3Mo3Co3、YG30

44、、TZM钼合金、钨基粉末冶金材料3735压铸钢铁材料（压铸温度1450650）3Cr2W8V（H21）（表面渗铝）、TZM钼合金、钨基粉末冶金材料、铬锆钒铜合金、铬锆镁铜合金、钴铍铜合金4244【案例分享】如图所示的铝合金压铸件与压铸模具，模【案例分享】如图所示的铝合金压铸件与压铸模具，模具型槽尺寸公差和表面粗糙度要求高。试选择压铸模具型槽尺寸公差和表面粗糙度要求高。试选择压铸模成型零件材料，并制定加工工艺路线及热处理工艺规成型零件材料，并制定加工工艺路线及热处理工艺规程。程。铝合金压铸温度在铝合金压铸温度在650650700700之间，该零件结构复杂、尺寸精确之间，该零件结构复杂、尺寸精确、

45、表面光洁。模具材料必须具有较高的热疲劳抗力、良好的抗氧、表面光洁。模具材料必须具有较高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性和耐腐蚀性、高的导热性和耐热性、良好的高温力学性能和化性和耐腐蚀性、高的导热性和耐热性、良好的高温力学性能和耐磨性、高的淬透性。根据前面学习及表耐磨性、高的淬透性。根据前面学习及表9 91515，综合考虑各种，综合考虑各种因素，选用因素，选用4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV1（H13H13）热作模具钢制造压铸模成型零件）热作模具钢制造压铸模成型零件比较合适。比较合适。模具加工工艺路线：棒材下料模具加工工艺路线：棒材下料 锻造锻造 退火退火 机机械粗加工械粗加工 探伤探伤 数控

46、铣削加工数控铣削加工 淬火、回火淬火、回火 修整、抛光。修整、抛光。始锻温度始锻温度1050105011001100，终端温度，终端温度850850900900，砂冷，砂冷或坑冷；退火温度或坑冷；退火温度880880890890，保温，保温3 34 4小时，炉冷小时，炉冷至至500500后空冷，硬度后空冷，硬度207207220HBW220HBW；淬火温度；淬火温度1020102010501050，油淬；回火温度，油淬；回火温度560560580580，保温，保温2 2小时出炉小时出炉空冷，硬度空冷，硬度474749HRC49HRC。热处理工艺曲线如图。热处理工艺曲线如图9 91717所所示。

47、示。3. 3. 熟悉热锻模材料的选用熟悉热锻模材料的选用热锻模是在模锻锤或锻造压力机上使用的热作模具，工热锻模是在模锻锤或锻造压力机上使用的热作模具，工作时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大作时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用。模具型腔与高温的压应力、拉应力和弯曲应力的作用。模具型腔与高温金属坯料（钢铁坯料约金属坯料（钢铁坯料约1000100012001200）相接触并强烈摩）相接触并强烈摩擦，使模具本身温度升高。锻造钢件时，模具型腔的瞬擦，使模具本身温度升高。锻造钢件时，模具型腔的瞬时温度可高达时温度可高达600600以上。锻件取出后还要

48、用水、油或以上。锻件取出后还要用水、油或压缩空气对锻模进行冷却，使模具产生急冷急热作用，压缩空气对锻模进行冷却，使模具产生急冷急热作用，造成模具表面产生较大的热应力及热疲劳裂纹。造成模具表面产生较大的热应力及热疲劳裂纹。模锻件模锻件锻模的主要失效形式有：磨损失效、断裂失效、热疲劳锻模的主要失效形式有：磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。所以对锤锻模材料的性能开裂失效及塑性变形失效等。所以对锤锻模材料的性能要求是高的冲击韧度和断裂韧度、高的热硬性与热强性要求是高的冲击韧度和断裂韧度、高的热硬性与热强性、高的淬透性与回火稳定性、高的冷热疲劳抗力以延缓、高的淬透性与回火稳定性、高的冷

49、热疲劳抗力以延缓疲劳裂纹的产生、良好的导热性及加工工艺性能。疲劳裂纹的产生、良好的导热性及加工工艺性能。常用的国产热作模具钢有常用的国产热作模具钢有5CrNiMo5CrNiMo、5CrMnMo5CrMnMo、Cr5W2VSiCr5W2VSi、3Cr2W8V3Cr2W8V（H21H21）、）、8Cr38Cr3等等热锻模材料选用热锻模材料选用锻模种类模具类型选用材料热处理硬度HRC简单模具复杂模具模腔表面燕尾部分锤锻模整体锤锻模或嵌镶模块小型锤锻模（高度（275mm）5CrMnMo5iMnMoV4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV1（H13）4Cr5W2VSi42473539中型锤锻模（高度275

50、325mm）39443237大型锤锻模（高度323375mm）4CrMnSiMoV、5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi35393035特型锤锻模（高度315500mm）32372835堆焊锻模嵌镶模块高度375500mmZG50Cr、ZG40Cr2835模体高度375500mmZG45Mn2-2835堆焊材料高度375500mm5Cr4Mo、5Cr2MnMo3237压力机锻模终锻模镗镶块4Cr3MoZNiVNb、5CrNiMo、4CrMnSiMoV、Cr5MoSiV、4Cr5W2VSi、3Cr3Mo3V3742顶锻模镗镶块3538锻件顶杆4Cr5NoSiV、4Cr5WZVSi、3Cr2W8

51、V（H21）4855顶出板、顶杆45、40Cr3742垫板3442镶块紧固零件3438【案例分享案例分享】如图所示东风载重汽车发动机凸轮轴，锻如图所示东风载重汽车发动机凸轮轴，锻模尺寸规格模尺寸规格950mm950mm200mm200mm160mm160mm，模具型槽尺寸公差，模具型槽尺寸公差和表面粗糙度要求高。该锻模在和表面粗糙度要求高。该锻模在40KN40KN机械锻压机上使用机械锻压机上使用，锻件材料为，锻件材料为4545钢。试选择锻模成型零件材料，并制定钢。试选择锻模成型零件材料，并制定加工工艺路线及热处理工艺规程。加工工艺路线及热处理工艺规程。4545钢的始锻温度在钢的始锻温度在850

52、-1120850-1120之间，要求锻造模具有高之间，要求锻造模具有高的冲击韧度和断裂韧度、高的热硬性与热强性、高的淬的冲击韧度和断裂韧度、高的热硬性与热强性、高的淬透性与回火稳定性、高的冷热疲劳抗力以延缓疲劳裂纹透性与回火稳定性、高的冷热疲劳抗力以延缓疲劳裂纹的产生、良好的导热性及加工工艺性能。根据前面学习的产生、良好的导热性及加工工艺性能。根据前面学习及表及表9 91616，综合考虑各种因素，选用，综合考虑各种因素，选用3Cr2W8V3Cr2W8V（H21H21）热作模具钢制造锻模成型零件比较合适。热作模具钢制造锻模成型零件比较合适。模具加工工艺路线：棒材下料模具加工工艺路线：棒材下料 锻

53、造锻造 退火退火 机械粗加工机械粗加工 探伤探伤 数控铣削加工型腔数控铣削加工型腔 淬火、回火淬火、回火 修整、抛光。修整、抛光。始锻温度始锻温度1080108011201120，终端温度，终端温度850850950950，锻后空，锻后空冷至冷至700700再砂冷或坑冷；退火温度再砂冷或坑冷；退火温度820820840840，保温，保温2 24 4小时，炉冷至小时，炉冷至500500后空冷，硬度后空冷，硬度217217241HBW241HBW；淬；淬火温度火温度1100110011501150，油淬；回火温度，油淬；回火温度560560580580，保，保温温2 2小时出炉空冷，硬度小时出炉空

54、冷，硬度484852HRC52HRC。热处理工艺曲线如。热处理工艺曲线如图所示。图所示。热挤模具热挤模具任务任务八八 正确选用塑料模具材料并制定热处理工艺正确选用塑料模具材料并制定热处理工艺塑料模具是成型塑料制品的模具，作用是将塑料材料在塑料模具是成型塑料制品的模具，作用是将塑料材料在一定的温度和压力作用下，使其成为塑料制件。塑料常一定的温度和压力作用下，使其成为塑料制件。塑料常用的成型方法有注射、压缩、压注、挤压、吹塑、发泡用的成型方法有注射、压缩、压注、挤压、吹塑、发泡等。塑料制品在机械、家电、轻工、电子、交通和国防等。塑料制品在机械、家电、轻工、电子、交通和国防工业中得到了极其广泛的应用

55、。工业中得到了极其广泛的应用。任务任务八八 正确选用塑料模具材料并制定热处理工艺正确选用塑料模具材料并制定热处理工艺1. 1. 了解塑料模具的分类与失效形式了解塑料模具的分类与失效形式根据塑料材料性能和成型方法，塑料模具分为热固性塑根据塑料材料性能和成型方法，塑料模具分为热固性塑料模和热塑性塑料模。料模和热塑性塑料模。（1 1）热固性塑料模）热固性塑料模成型热固性塑料制品，包括热固性塑料压缩模、压注模成型热固性塑料制品，包括热固性塑料压缩模、压注模及注射模。模具的工作温度在及注射模。模具的工作温度在160160250250，模腔承受的，模腔承受的压力较大，一般在压力较大，一般在16016020

56、0MPa200MPa。工作时型腔表面与热。工作时型腔表面与热固性塑料发生摩擦，模具易磨损，并承受一定的冲击负固性塑料发生摩擦，模具易磨损，并承受一定的冲击负荷和腐蚀。荷和腐蚀。（2 2）热塑性塑料模）热塑性塑料模 成型热塑性塑料制品，包括热塑性成型热塑性塑料制品，包括热塑性塑料注射模、挤出模、吹塑模、吸塑模等，其中注射模塑料注射模、挤出模、吹塑模、吸塑模等，其中注射模最复杂，应用最多，也最有代表性。模具的工作温度在最复杂，应用最多，也最有代表性。模具的工作温度在160160230230，模腔承受的压力一般在，模腔承受的压力一般在5050150MPa150MPa。成型。成型聚氯乙烯、氟塑料及阻燃

57、聚氯乙烯、氟塑料及阻燃ABSABS时模具模具成型表面会受时模具模具成型表面会受到较大腐蚀。到较大腐蚀。（3 3）塑料模具的失效形式）塑料模具的失效形式：磨损磨损、腐蚀失效，模具成型表面拉毛，变粗糙而失去光、腐蚀失效，模具成型表面拉毛，变粗糙而失去光泽。泽。塑性变形失效，模具在受到高压熔融塑料时，压力超过塑性变形失效，模具在受到高压熔融塑料时，压力超过屈服强度而产生塑性变形。屈服强度而产生塑性变形。断裂失效，塑料模形状复杂，成型部位有许多凹槽、窄断裂失效，塑料模形状复杂，成型部位有许多凹槽、窄筋、薄壁等薄弱处，易产生应力集中，当韧性不足，受筋、薄壁等薄弱处，易产生应力集中，当韧性不足，受力超过抗

58、拉强度时导致开裂而报废。力超过抗拉强度时导致开裂而报废。塑料模具承受一定的温度、压力、侵蚀和磨损作用，且塑料模具承受一定的温度、压力、侵蚀和磨损作用，且形状复杂、加工难度大，要求具有较高的综合力学性能形状复杂、加工难度大，要求具有较高的综合力学性能。因此，对其提出使用性能和工艺性能两方面的要求。因此，对其提出使用性能和工艺性能两方面的要求1 1）材料的使用性能要求）材料的使用性能要求具备较高的硬度、耐磨性和耐蚀性。具备较高的硬度、耐磨性和耐蚀性。良好的可抛光性和镜面质量。良好的可抛光性和镜面质量。具备较高的强度、韧性和疲劳强度。具备较高的强度、韧性和疲劳强度。具备一定的热强度和热疲劳强度。具备

59、一定的热强度和热疲劳强度。2 2）材料的工艺性能要求）材料的工艺性能要求良好的切削加工性。塑料模具形状复杂，切削量大，型良好的切削加工性。塑料模具形状复杂，切削量大，型腔表面质量要求高，模具材腔表面质量要求高，模具材料应便于切削加工。料应便于切削加工。良好的抛光性、雕刻性和电蚀性能。良好的抛光性、雕刻性和电蚀性能。良好的热处理工艺性及表面处理性。良好的热处理工艺性及表面处理性。其他加工性能，如退火后塑性小、变形抗力小；焊补性其他加工性能，如退火后塑性小、变形抗力小；焊补性能好，便于磨损及碰伤部位能好，便于磨损及碰伤部位焊补修复。焊补修复。3.3.能正确选用塑料模具材料并制定热处理工艺能正确选用

60、塑料模具材料并制定热处理工艺塑料模具结构和形状比较复杂，造价较高，在使用中要保塑料模具结构和形状比较复杂，造价较高，在使用中要保证模具有较长的寿命，防止意外断裂破损。因此，合理证模具有较长的寿命，防止意外断裂破损。因此，合理选用模具钢材型号显得尤为重要。选用模具钢材型号显得尤为重要。（1 1）塑料模具钢的分类与特点）塑料模具钢的分类与特点塑料模具钢按其特性和热处理状态可为碳素塑料模具钢（塑料模具钢按其特性和热处理状态可为碳素塑料模具钢（非合金塑料模具钢）、预硬化型塑料模具钢、渗碳型塑非合金塑料模具钢）、预硬化型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐腐蚀型塑料模具料模具钢、时效硬