整套教学课件《模具材料及表面强化技术》

1、模具材料及表面强化技术模具材料及表面强化技术课程内容课程内容第0部分 绪论第1部分 模具材料概论第2部分 冷作模具材料第3部分 热作模具材料第4部分 塑料模具材料第5部分 其他模具材料第6部分 模具表面处理技术第第0 0部分部分 绪论绪论一、模具工业在国民经济中的地位与作用 首先，模具是制造业的重要基础工艺装备，工业产品大批量生产和新产品开发都离不开模具，用模具生产制件所达到的四高二低（高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材）使模具工业在制造业中的地位越来越重要。 其次，人们常见的工业产品有6090的零件需要用模具成形。模具精度低，则产品质量差，模具寿命低，则产品成本高。现代模

2、具业已成为技术密集型和资金密集型的产业，它与高新技术已成为相互依托的关系，一方面模具直接为高新技术产业化服务的不可缺少的装备，另一方面模具本身又大量采用高新技术，因此模具制造已成为高新技术产业的重要组成部分。通过模具成形零件的快速、优质、低耗、环保体现了国家可持续发展的战略和科学发展观。 最后，据国外统计资料显示，模具行业的发展可带动其相关产业发展的比例大约是1:100，即模具发展1亿元，可带动相关产业100亿元。而2012年，我国模具企业的模具销售总额约2100亿元。2012年我国GDP值约为52万亿，因此，模具产业的发展对国民经济的贡献是巨大的。二 、我国模具行业发展情况 目前我国发展最快

3、、模具生产较为集中的省份是广东(如深圳、东莞 、顺德等 )、 江苏(如昆山等)、浙江(如宁海、余姚 、宁波北仓 、台州黄岩等)和上海。 2012年我国模具进口接近1.5亿美元的地区由高到低依次为广东(6.26亿,占25.18%)、江苏(4.87亿,占19.61%) 、上海(2.79亿,占11.21%)和天津（1.65亿，占6.65%） 。而出口总额超过2亿美元最高的地区依次为广东(15.95亿美元,占42.74%)、江苏(5.63亿,占15.08%) 、浙江(5.49亿,占14.71%) 和上海(2.98亿,占7.99%)，说明以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区整体上仍保持模具制造的

4、领先地位，而且其模具产值已占全国总量的70%左右。 我国模具制造业在开发和制造精密、超精密模具的能力方面，与美、德、日、意、法、瑞等国相比还存在较大差距。这与我国缺少高档模具加工制造设备、测量设备如三坐标测量仪、先进模具材料和高级模具设计人才匮乏有关。 目前发展趋势: （1）在零件测绘方面，采用三坐标测量仪和激光扫描仪等先进测量设备和测量技术，测绘零件不仅准确、迅速，而且将所测数据和图形直接输入计算机，建立各种文件，显示零件的三维模型和二维图形。 （2 2）在设计方面，由于CADCAD的普遍应用，许多企业和工厂已经甩掉图板，Pro/EPro/E、UGUG、Cimatron(Cimatron(以

5、色列) )、MasterCAMMasterCAM等三维造型软件的大力推广，不仅可为CNCCNC编程和CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM集成提供保证，还可以在设计时进行装配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。（3 3）在加工方面，数控机床的广泛使用不仅保证了模具零件的加工精度和质量，而且以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术，比传统的切削加工效率高几倍甚至几十倍。三、国内外技术发展现状与趋势 德、美、日、法、意等发达国家是模具制造强国，他们在模具设计和制造上拥有世界最先进技术，占据世界先进水平，模具的商品化和标准化程度高，而且关于模具技术的基础研究和应用研究都处于领先

6、地位。模具CAD/CAM技术、高速铣削、快速成型技术、模具的精密成形技术、模具的超精密加工技术、CAE模拟技术等现代制造技术均得到应用，有些技术如高速铣削技术已被广泛推广应用。但由于这些国家劳动力成本过高，加上我国制造业的崛起，发达国家的模具制造业开始向我国转移，但是这些国家的先进设计制造技术上的优势依然明显。 日本模具制造业是以冲压模具与塑料模具为主流。其中，冲压模具又以高端的汽车模具和精密的多工位级进模为主，模具设计制造技术含量高。这一方面直接创造了经济效益，同时也推动了相关产业的迅速发展，日本的汽车工业的蓬勃发展就是明证。日本的家电及近年来高速增长的信息技术产业则离不开精密注射模具的支撑

7、，由于广泛采用了热流道技术及双色注射技术等行业新技术，既提高了生产效率，又提高了产品质量，从而使日本的各类产品无论是外观还是内在质量都具备了非常强的国际竞争力。 日本不仅是亚洲最大的模具产地，也是世界第一大模具生产国。日本国内有令人羡慕的机床制造业，高速数控加工中心、电火花加工机床、大型机械加工设备、精密磨床、数控系统、精密冲压设备等全都具备世界级名牌。优秀的机床业为模具制造奠定了坚实的基础，例如在电子超精密模具中，集成电路、微型电机模具精度已达到1微米，处于世界领先地位。IT行业的产品更新很快，如手机开发制造周期为2个月，产品试制期为7天，没有先进的模具设计制造技术的支撑，这种新产品研发效率

8、根本无法保证。 但是，日本模具制造业与其他行业比较，模具加工设备的成本负担较重，因此设备的折旧率高低直接影响到收益。加上其主要客户，包括汽车到半导体等产业生产重心逐渐外移，对日本的模具产业影响很大。为摆脱困境和提升经营效益，日本模具制造业开始改变经营策略，除保留创造高附加值的模具加工设备和高精密加工技术外，其模具产业也不得不将经营重心移向海外。 作为世界第二大模具制造强国的德国，在世界传统制造业上拥有较高的知名度，其机床和汽车产量在世界范围内占相当比重，模具制造业是其重要的组成部分。德国机械制造出口在全球居第一位，明显领先于意大利和日本、美国、法国和加拿大。注塑机生产一向在德国机械总生产量中占

9、有很重要的地位，德国生产的注塑机中绝大部分属于出口，其中双色注射机的技术全球领先，精度高而且规格全，禀承了德国制造的一贯风格。另外，德国近年来在精密多工位级进模设计制造、双色注射模具设计制造等方面都有新的进展。另外，德国制造的模具标准件及一些辅助加工工具（例如气动工具、刀具等）等也在行业内有着很好的声誉并得到广泛的应用。 已经排世界模具产值第三位的中国，2012年，模具销售总额约2100亿元。同时,模具生产技术有了很大的提高, 其生产水平有些已达到或接近国际水平。2012年模具进口额为23.6亿美元，比2011年增加8.82%, 说明高技术含量模具仍远远满足不了国内市场需要；模具出口32.3亿

10、美元，比2011年增加37.96%。进出口之比为0.73：1，与2011年的0.74:1继续出现顺差。 按照模具种类分,2012,2012年进出口最高的是塑料橡胶模具, ,分别占了进出口额的53.78%53.78%和71.68%,71.68%,其次是冲压模具, ,分别占了32.74%32.74%和10.12%.10.12%. 按照进口货源地分,2012,2012年进口模具主要来自日本、韩国和德国，分别占总量的31.82%、22.81%、9.66%，其次是中国台湾、加拿大、美国、意大利、瑞士、新加坡和西班牙。 按出口目的地分，我国出口模具的市场主要是我国香港特别行政区、美国、日本，分别占总量的1

11、6.97%、11.64%、8.13%，出口量依次为6.33亿美元、4.34亿美元、3.03亿美元。接下来分别为印度、德国、巴西 、泰国、法国、我国台湾和越南。此处需要说明的是，出口到香港的统计量，由于香港多为转口贸易，其最终目的地并非都是香港。 从进出口模具价格进行分析：从海关提供的各地区、各类模具进出口的总重量和总金额可以看出，2011年出口冲压模具平均每吨价为10263美元，比上年上升6.86%；进口冲压模具平均每吨价为20445美元，比上年上升了10.77%；进出口平均单价之比为1.99：1，而2012年的进出口平均单价之比为1.8：1 。进出口单价都有较大幅度上升，说明了我国进出口的冲

12、压模具的技术含量均在提高。 与此同时，我国出口塑料橡胶模具的每套平均价格也大幅上升，同样说明我国出口的塑料橡胶模具的技术含量和附加值都有大幅提升，但进出口模具平均单价比为4.8：1，这说明差距仍旧很大。出口的逐年增长，虽然已经促进了行业技术水平的提高，但差距仍旧明显。今后企业还要在调整出口产品结构上下功夫，在高端产品制造、高新技术上下功夫，进一步提高企业在国际市场的竞争力，缩短与国际先进水平的差距。 目前，国内已能生产精度达2微米的精密多工位级进模，工位数最多已达160个，寿命12亿次。在大型塑料模具方面，现在已能生产48英寸电视的塑壳模具、6.5K大容量洗衣机的塑料模具，以及汽车保险杠、整体

13、仪表板等模具。在精密塑料模具方面，国内已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。在大型精密复杂压铸模方面，国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模。在汽车模具方面，现已能制造新轿车的部分覆盖件模具。其他类型的模具，例如子午线轮胎活络模具、铝合金和塑料门窗异型材挤出模等，也都达到了较高的水平，并可替代进口模具。 在中国，人们已经越来越认识到模具在制造中的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。许多模具企业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企

14、业发展的重要动力。此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。目前，从事模具技术研究的机构和院校已达30余家，从事模具技术教育的培训的院校已超过50余家。其中，获得国家重点资助建设的有华中科技大学模具技术国家重点实验室、上海交通大学CAD国家工程研究中心、北京机电研究所精冲技术国家工程研究中心和郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心等。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步，在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。 虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面

15、与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低、CAD/CAE/CAM技术的普及率不高，而实践证明模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计的发展方向、许多先进的模具技术应用如高速精密加工、气辅注塑、逆向工程、热流道技术、快速原型技术等还不够广泛等。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口。 模具技术集合了机械、电子、化学、光学、材料、计算机、精密检测和信息网络等诸多学科，是一个综合性高学科的系统工程。模具技术的发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速的方向发展。

16、模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。 未来重点发展的产品包括：汽车覆盖件模具、精密冲压模具、大型塑料模具、精密塑料模具、大型薄壁精密复杂压铸模和镁合金压铸模具、子午线橡胶轮胎模具、新型快速经济模具、多功能复合模具、模具标准件等。就企业发展方面分析，采用数控技术、快速原型技术、高速切削和超精加工等高新技术，进一步提升模具工业的设计制造水平将是未来企业改造重点，也是未来企业发展的关键驱动因素. . 国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为

17、工程塑料模具。有关数据表明，目前仅汽车行业就需要各种塑料制品3636万吨；电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过10001000万台；彩电的年产量已超过30003000万台；到20102010年，在建材行业，塑料门窗的普及率为30%30%，塑料管的普及率将达到50%50%。这些都会导致对模具的需求量大幅度增长。 家电行业所需模具量年增长率约为10%10%。一台电冰箱约需模具350350副，价值约40004000万元；一台全自动洗衣机约需模具200200副，价值30003000万元；一台空调器仅塑料模具就有2020副，价值150150万元；单台彩电大约共需模具约140140副，价值约700700万元

18、，仅彩电模具每年就有约2828亿元的市场。随着家电市场竞争的白热化，外壳设计成为重要的一环，对家电外壳的色彩、手感、精度、壁厚等都提出新要求。 业内人士普遍认为，大型、精密、设计合理( (主要针对薄壁制品) )的注塑模具将得到市场的欢迎。汽车工业近年来增长速度惊人，因此汽车模具潜在市场巨大。每一种型号的汽车都需要几千副模具，价值上亿元，而我国大型精密模具的制造能力不足。据介绍，目前我国高档轿车的覆盖件模具几乎全部为进口产品。有专家预测，在未来的模具市场中，塑料模具在塑胶模具总量中的比例将逐步提高，其发展速度将高于其他塑胶模具，并逐步注重塑料模具钢开发。 未来十年，我国模具工业和技术的主要发展方

19、向包括； 提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平； 在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术； 大力发展快速制造成形和快速制造模具技术； 在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术； 提高模具标准化水平和模具标准件的使用率； 发展优质模具材料和先进的表面处理技术； 逐步推广高速铣削在模具加工的应用； 进一步研究开发模具的抛光技术和设备； 研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程； 开发新的成形工艺和模具。 近期，我国模具行业在“十二五”期间需要解决的重点关键技术是模具数字化技术和精密、超精、高速、高效制造技术方面的突破。 冷挤成型和热挤成型 热锻成型滚珠轴承

20、滚珠轴承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承曲轴模具曲轴模具 汽车四缸压铸模 汽车全套模具 价值上亿元汽车冲压模具汽车冲压模具硬币（落料、压印） 纽扣电池（落料、拉深，某厂年产1亿只） 注塑模：航空杯 液晶电视、显示器、遥控器外壳冲压模：电机定转子及其复合模（落料、冲孔）1.5匹挂式空调上壳体模具（重7.5T）55mm54mm罩极电机级进模车灯模具吹塑模具管件模具童车模具塑胶模具图1塑胶模具图2塑胶模具图3塑胶模具图4塑胶模具图5塑胶模具图6塑胶模具图7塑胶模具图8鞋模实物照片UG手机模具图 波轮环模具波轮模具波轮盖模具波轮嵌件模具插管级进模具插针级进模具铸造模具注塑模浇注模铸造模模具的类型： 按

21、照尺寸大小可分大型、中型和小型模具；按照批量可分大量、成批和单件小批；按照精度要求可分为高精度、中等精度和低精度；按照产品零件成型方法可分冲压模、塑料模、压铸模、锻模、粉末冶金模、陶瓷模、橡胶模、玻璃模和铸造模。模具加工方法可分铸造方法、切削加工方法和特种加工方法三大类。模具企业必须建立精度概念，原因：（1 1）模具是用做批量或大量成形加工冲压件、塑料件、压铸件、橡胶、玻璃、陶瓷制品等制件的精密成形工具，因此要求模具设计和制造精度必须高于制件精度2 2级或2 2级以上。（2 2）模具间隙的大小是模具设计与制造精度的主要依据。（3 3）模具设计与制造精度是评定模具质量优劣的主要内容之一提高精度的

22、措施：（1 1）模具设计方面的措施，包括成型件（凸、凹模）设计 要尽量使用Pro/EPro/E、UGUG、CimatronCimatron、MasterCAMMasterCAM等三维造型软件，解决凸、凹模的造型问题；正确描述三维实体或曲面几何造型，生成三维型面的CNCCNC加工代码；正确计算和合理确定凸、凹模尺寸精度；正确计算和合理确定凸、凹模形状、位置精度 、模具结构设计 要正确设计送料、出件、抽芯等机构；正确设计分型、浇口与流道；正确设计加热和冷却系统；正确选择模架和模具标准件。 和凸/ /凹模材料选用 要合理选择模具材料及热处理工艺，满足模具制造的精度要求 。（2 2）模具制造方面的措施

23、，包括编制凸、凹模制造工艺规程 要正确选用加工机床；正确选用热处理工艺和设备；合理制定加工工艺，确定上、下模（或定、动模）定位基准；优化加工工艺参数和加工顺序，并正确选定刀具、工装，以保证加工精度。 、精饰加工 要正确选定研、抛工艺，包括正确采用研、抛辅助材料与工具，以保证凸、凹模型面精度与质量要求，并使之规范化；正确选择型腔皮纹以及图纹的雕刻方法。 和装配与试模 要制定装配工艺；进行尺寸链分析，确定补偿环与修配环；检查零件和机构的精度与质量，保证达到装配精度，严格按装配顺序进行装配 。（3 3）严格控制与管理影响模具精度的关键因素，包括健全企业管理制度、机床与工装处于良好状态、检测仪器与量具

24、处于良好状态、提高生产人员的素质、完善生产条件与环境布置。（4 4）更新设备。 随着模具工业的迅速发展，对模具的使用寿命、加工精度等提出了更高的要求。模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，将直接影响加工产品的质量和生产的经济效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素，所以世界各国都在不断地研究和开发新型模具构料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理地设计模具结构、加强对模具的维护等措施，来稳定和提高模具的使用寿命，防止模具的早期失效。 模具材料的使用性能将直接影响模具的质量和使用寿命。 模具材料的工艺性能将主要影响模具加工的难易程度、加工质量

25、和生产成本。 应合理选择模具材料改进热处理工艺和表面处理工艺，大力推广模具生产中的新材料、新工艺和新技术。热处理及表面处理工序的安排：（1 1）退火及正火处理可改善金属组织和加工性能，应设在粗加工前；（2 2）中碳钢不淬火的模具，为提高材料的综合机械性能和改善加工性，可设置调质处理工序；（3 3）对大型模具及精密模具，为防止材料内应力及精加工内应力导致模具变形，应在粗加工后进行时效处理；高精度模具应在半精加工后再经时效处理；对于精密模具，为防止模温引起淬火后残余奥氏体的转化而造成模具精度变化，在热处理后精加工前应设置低温（两倍模温）回火处理；（4 4）为提高零件的硬度及耐磨性，对高碳钢及工具钢

26、模具零件，在精加工及电加工工序之前应设淬火工序；对低碳钢模具零件，在型面加工后精加工及光整加工前设置保护性渗碳淬火处理工序；（5 5）为提高成形表面耐磨、耐蚀性用的氮化钢，一般均在试模后进行氮化处理，精密模具应在精加工前进行处理；（6 6）为便于加工电火花成型后的表面，在抛光前可设置低温回火处理；（7 7）表面镀铬或涂镀处理，一般均在试模后进行。模具零件的热处理 模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程，对模具的制造精度（组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形，从而降低模具的精度，甚至报废。 ）、模具的强度（热处理工艺制定不当、热处理

27、操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度（硬度）达不到设计要求。 ） 、模具的工作寿命（热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。 ） 、模具的制造成本（作为模具制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具报废，即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造成本。 ）等有着直接的影响。 正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中，相互促进，共同提高。 2020世纪8080年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领

28、域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。 真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料（零件）的塑性、韧性和疲劳强度。真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。 按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。模具真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。为保持工件（如模具）真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油

29、冷和气冷。 对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件（模具），它可以提高与表面质量相关的机械性能，如疲劳性能、表面光亮度、耐腐蚀性等。 热处理过程的计算机模拟技术（包括组织模拟和性能预测技术）的成功开发和应用，使得模具的智能化热处理成为可能。由于模具生产的小批量（甚至是单件）、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不允许出现废品的特点，又使得模具的智能化热处理成为必须。模具的智能化热处理包括：明确模具的结构、用材、热处理性能要求；模具加热过程温度场、应力场分布的计算机模拟；模具冷却过程温度场、相变过程和应力场分布的计算机模拟；加热和冷却工艺过程的

30、仿真；淬火工艺的制定；热处理设备的自动化控制技术。国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具。 模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因。 模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获

31、得所需表面性能的系统工程。从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。 渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式，每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术，可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调性，同时渗氮温度低，渗氮后不需激烈冷却，模具的变形极小，因此模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。 模具渗碳是为了提高模具的整体强韧性，即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性，由此引入的技术思路

32、是，用较低级的材料，即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料，从而降低制造成本 。 硬化膜沉积技术目前较成熟的是CVDCVD、PVDPVD。为了增加膜层工件表面的结合强度，现在发展了多种增强型CVD、PVD技术。硬化膜沉积技术最早在工具（刀具、刃具、量具等）上应用，效果极佳，多种刀具已将涂覆硬化膜作为标准工艺。模具自上个世纪80年代开始采用涂覆硬化膜技术。目前的技术条件下，硬化膜沉积技术（主要是设备）的成本较高，仍然只在一些精密、长寿命模具上应用，如果采用建立热处理中心的方式，则涂覆硬化膜的成本会大大降低，更多的模具如果采用这一技术，可以整体提高我国的模具制造水平。 模具在制造过程中进行热处理是绝大

33、多数模具长时间沿用的一种工艺，自上个世纪7070年代开始，国际上就提出预硬化的想法，但由于加工机床刚度和切削刀具的制约，预硬化的硬度无法达到模具的使用硬度，所以预硬化技术的研发投入不大。随着加工机床和切削刀具性能的提高，模具材料的预硬化技术开发速度加快，到上个世纪8080年代，国际上工业发达国家在塑料模用材上使用预硬化模块的比例已达到30%30%（目前在60%60%以上）。我国在上世纪9090年代中后期开始采用预硬化模块（主要用国外进口产品）。 模具材料的预硬化技术主要在模具材料生产厂家开发和实施。通过调整钢的化学成分和配备相应的热处理设备，可以大批量生产质量稳定的预硬化模块。我国在模具材料的

34、预硬化技术方面，起步晚，规模小，目前还不能满足国内模具制造的要求。 采用预硬化模具材料，可以简化模具制造工艺，缩短模具的制造周期，提高模具的制造精度。可以预见，随着加工技术的进步，预硬化模具材料会用于更多的模具类型。模具常用热处理工序 模具零件常用的热处理工序有正火（作为预先热处理或用来消除网状渗碳体，为球化退火作组织准备）、完全退火（用于模具锻件、铸钢件或冷压件的热处理）、球化退火（用于碳素工具钢及合金工具钢模具）、调质（作为模具零件淬火及氮化前的中间热处理）、淬火（用于模具零件的最终热处理）、回火（模具淬火后都必须回火）、渗碳（在模具制造中用于导柱、导套的热处理）及氮化（用于工作负荷不大，

35、但耐磨性要求高及要求耐蚀的模具）等。模具热处理常用设备 箱式电阻炉（用于退火、正火、回火及固体渗碳等）、外热式盐浴炉（适用于淬火加热及各种液体化学热处理）、内热式盐浴炉（适用于淬火加热及各种液体化学热处理，特别适用于高温淬火加热）、井式回火炉（用于淬火后的回火）。 热处理炉的选用原则：（1 1）模具毛坯的正火、退火或粗加工后的调质处理，可选用箱式炉；成品淬火则最好选用盐浴炉或可控气氛炉，以保证零件不氧化脱碳。（2 2）易变形的杆件热处理，选用井式炉加热比用箱式炉要合理。（3 3）高合金模具钢的热处理，由于淬火加热温度高，应选用内热式盐浴炉。模具热处理质量检查（1 1）外观检查 模具热处理后不允

36、许有裂纹、烧伤和明显的腐蚀痕迹；留两次磨量的零件，表面氧化层的深度不允许超过磨量的三分之一。（2 2）硬度检查 硬度的检查应在零件的有效工作部位进行；硬度应符号图纸要求；检查时，应按硬度试验的有关规程进行；检查硬度不得在表面质量要求高的部位进行。（3 3）变形检查 模具零件热处理后的尺寸应在图纸及工艺规定范围之内；若零件有两次留磨余量，应保证变形量小于磨量的三分之一 二分之一；表面氧化脱碳层不超过加工余量的三分之一；模具的基准面一般应保证不平度小于0.02mm0.02mm；对于级进模（连续模）各孔距、步距变形应保证在 0.01 mm0.01 mm范围内。（4 4）金相检查 主要检查零件的金相组

37、织及化学热处理后的渗层深度；表面及心部组织，深层深度应符合图纸要求，金相组织级别应符号标准要求。 本课程的性质、教学目标和基本要求本课程的性质、教学目标和基本要求 课程性质： 模具材料是普通高等教育应用型本科材料成形与控制工程专业(模具方向)的一门专业课程。 虽然学生已经学过一些工程材料方面的知识，对材料及热处理、材料成形加工等有了初步的了解，但缺少对模具选材、加工等综合分析方法的训练，缺少模具新材料、新工艺、新技术方面的知识，与模具设计、制造工艺之间的联系不够紧密； 同时，模具材料种类繁多，性能各异，模具的使用件能和使用寿命都与合理选择模具材料、确定合适的热处理上艺、采用适当的表面处理技术等

38、有密切关系。课程的目的课程的目的 使学生能够较全面地了解各种模具材料的性能、热处理工艺、表面处理技术，并且根据模具的具体服役条件、模具结构合理地选择模具材料、正确地制定模具的生产工艺，从而提高模具的使用寿命，降低生产成本，提高产品的经济效益。基本要求基本要求 1)了解常见模具的失效分析方法。 2)熟悉常用的模具材料、热处理工艺及模具的表面处理技术。 3)明确模具材料、热处理工艺及表面处理技术与模具使用性能、生产成本、经济效益之间的关系。 4)掌握常用的冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料以及其他模具材料的牌号、主要成分、性能特点、工艺特点、主要用途等，并能合理地选择模具材料及热处理方法。

39、5)熟悉各类常见的模具表面处理方法，并能进行合理选用。课程特点课程特点 模具材料课程的理论性和实践性都很强，而钢的热处理原理与工艺、合金钢等知识是其重要的理论基础。因此，在学习模具材料课程时，应紧密结合以上两部分内容进行深人学习。 其次，还应注意实践知识的学习尽可能参观一些模具的生产和使用厂家，增加专业感性认识。 同时将模具材料与其他相关的专业课程结合起来，认真分析模具的生产工艺、设计方法、失效形式及原因等，以便更好地学习好本门课程。 第一章第一章 模具材料概述模具材料概述Page 831.1 模具及模具材料分类一、模具分类一、模具分类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类根据

40、成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类铸造模具铸造模具冲压模具冲压模具塑料成型模具塑料成型模具压铸模具压铸模具锻造成型模具锻造成型模具Page 841.1 模具及模具材料分类一、模具分类一、模具分类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类经济模具经济模具粉末冶金模具粉末冶金模具玻璃制品用模具玻璃制品用模具橡胶制品成型模具橡胶制品成型模具陶瓷模具陶瓷模具Page 851.1 模具及模具材料分类一、模具分类一、模具分类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为十大类根据成型材料、成型工艺和成型设备的不同可综合分为

41、十大类(3) 成型模具成型模具(1) 冷作模具冷作模具(2) 热作模具热作模具根根据据工工作作条条件件Page 861.1 模具及模具材料分类二、模具材料分类二、模具材料分类图图1-1 模具材料分类模具材料分类Page 871.1 模具及模具材料分类二、模具材料分类二、模具材料分类图图1-2 模具钢分类模具钢分类Page 881.2 模具材料的主要性能要求一、模具材料的使用性能要求一、模具材料的使用性能要求(二二)耐磨性耐磨性(一一)硬度和硬度和热硬性热硬性(六六)耐蚀性耐蚀性(三三)强度强度和韧性和韧性(五五)耐热性耐热性(四四)抗疲抗疲劳性劳性Page 891.2 模具材料的主要性能要求二

42、、模具材料的工艺性能要求二、模具材料的工艺性能要求(一一)可加工性可加工性(二二)可锻性可锻性(三三)淬硬性和淬透性淬硬性和淬透性(五五)脱碳敏感性脱碳敏感性(四四)热处理变形性热处理变形性Page 901.3 模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素一、模具的失效形式一、模具的失效形式模具失效是指模具工作部分发生模具失效是指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修严重磨损或损坏而不能用一般修复方法复方法(刃磨、抛磨等刃磨、抛磨等)使其重新使其重新工作的现象。工作的现象。Page 911.3 模具的失效分析及影响模具寿命的主要因素一、模具的失效形式一、模具的失效形式图图1-3 模具失效的基本

43、形式模具失效的基本形式补充模具失效的基础知识第一节第一节 模具失效的形式和机理模具失效的形式和机理一、模具失效的种类一、模具失效的种类1 1、按经济法观点对失效分类、按经济法观点对失效分类2 2、按失效形式及失效机理分类、按失效形式及失效机理分类 模具的使用时间已到寿命终止期，属正常模具的使用时间已到寿命终止期，属正常失效，应由模具使用者自己负责。失效，应由模具使用者自己负责。 若模具制造者提供的使用说明书没有对使若模具制造者提供的使用说明书没有对使用寿命等作出明确规定，制造者也要承担用寿命等作出明确规定，制造者也要承担一定责任。一定责任。在这种分类在这种分类中你得到什中你得到什么启示？么启示

44、？按经济法观点对失效分类按经济法观点对失效分类(1)正常耗损失效正常耗损失效(2)模具模具缺陷失效缺陷失效 属于模具质量问题属于模具质量问题, ,应由模具制造者承担责任。应由模具制造者承担责任。(3)误用失效误用失效 属于使用不当造成的失效，应由模具使用者属于使用不当造成的失效，应由模具使用者承担责任。承担责任。 若模具制造者提供的使用说明书没有对有关若模具制造者提供的使用说明书没有对有关操作作出明确规定，则制造者也要承担责任。操作作出明确规定，则制造者也要承担责任。按经济法观点对失效分类按经济法观点对失效分类 属于其它原因或自然灾害等不可抗拒的属于其它原因或自然灾害等不可抗拒的因素所导致的失

45、效。因素所导致的失效。按经济法观点对失效分类按经济法观点对失效分类(4)受累性失效受累性失效二、磨损失效的类型和机理 由于表面的由于表面的相对运动相对运动，从接触表面逐渐失，从接触表面逐渐失去物质的现象叫去物质的现象叫磨损磨损。 模具在服役时，与成形坯料接触，产生相模具在服役时，与成形坯料接触，产生相对运动，造成磨损。对运动，造成磨损。 当当磨损磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态使其不能继续服役时，叫具的表面状态使其不能继续服役时，叫磨磨损失效损失效。这种失效使产品有什么变化特征?模具失效的形式和机理模具失效的形式和机理1.磨粒磨损的形成和特征 外来硬

46、质颗粒外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象叫落的现象叫磨粒磨损磨粒磨损。 工件表面的硬突出物工件表面的硬突出物刮擦模具引起的磨损刮擦模具引起的磨损也叫也叫磨粒磨损磨粒磨损。工件表面的硬凸物是哪来的?(一)磨粒磨损l 磨粒磨损的形成过程 用模具成形工件时，由于模具比工件硬度用模具成形工件时，由于模具比工件硬度高，磨粒首先被压入软工件内，在模具与高，磨粒首先被压入软工件内，在模具与工件相对运动时刮擦模具，从工件相对运动时刮擦模具，从模具表面模具表面切切下细小的碎片。下细小的碎片。 当模具表面存在

47、沟槽、凹坑时，磨粒不易当模具表面存在沟槽、凹坑时，磨粒不易从凹坑中出来从凹坑中出来（或粘结在模具表面上或粘结在模具表面上）随随着工件运动，磨粒将耕犁或犁皱着工件运动，磨粒将耕犁或犁皱工件工件。磨粒磨损l 磨粒磨损的主要特征 摩擦表面上有摩擦表面上有擦伤、划痕或擦伤、划痕或形成犁皱的沟形成犁皱的沟痕。痕。磨粒磨损2.磨粒磨损机理的主要理论分析 1)1)微观切削磨损机理微观切削磨损机理 磨粒在材料表面的作用磨粒在材料表面的作用力力F可分为与金属表面平可分为与金属表面平行的分力行的分力Fx和垂直的分和垂直的分力力Fy。 Fy使磨粒压入金属表面形成压痕；使磨粒压入金属表面形成压痕； Fx推动磨粒与金属

48、表面产生相对切向运动。推动磨粒与金属表面产生相对切向运动。磨粒磨损 当磨粒棱角锐利，又具有当磨粒棱角锐利，又具有合适的角度时：合适的角度时：在金属表面切削出长而在金属表面切削出长而浅的沟痕，形成切削屑，浅的沟痕，形成切削屑，在表面留下犁沟。在表面留下犁沟。这种切削形成的切屑很小，但在显微镜下观察，这种切削形成的切屑很小，但在显微镜下观察，切屑仍具有机床切屑的特点，切屑仍具有机床切屑的特点， 所以称为微观切所以称为微观切削。削。 磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析 当磨粒无锐利的棱角，磨当磨粒无锐利的棱角，磨粒棱角的棱边不是对着材粒棱角的棱边不是对着材料表面的运动方向时：料表面

49、的运动方向时：磨粒和被摩擦表面之间的磨粒和被摩擦表面之间的夹角太小；夹角太小；表面材料塑性很高时都表面材料塑性很高时都不不会产生表面切削会产生表面切削。磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析l 2)多次塑变磨损机理 当磨粒的棱角不太尖锐，突出部分高度较小时，当磨粒的棱角不太尖锐，突出部分高度较小时，磨粒不发生表面切削摩擦，而是以较大的力沿金磨粒不发生表面切削摩擦，而是以较大的力沿金属表面滑行，表面金属被推向磨粒运动的前方或属表面滑行，表面金属被推向磨粒运动的前方或 两侧，产生堆积，这两侧，产生堆积，这些堆积物没有离开金些堆积物没有离开金属基体，但使表面产属基体，但使表面产生很大塑

50、性变形。这生很大塑性变形。这种不产生切削的犁沟种不产生切削的犁沟称犁皱。称犁皱。磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析 2)多次塑变磨损机理 在随后的磨粒继续作用在随后的磨粒继续作用时，有可能把堆积物重时，有可能把堆积物重新压平或使已变形的沟新压平或使已变形的沟底材料再次被犁皱变形。底材料再次被犁皱变形。 如此反复塑变，导致金属表面产生加工硬化，最如此反复塑变，导致金属表面产生加工硬化，最终剥落而成为磨屑。终剥落而成为磨屑。磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析 多次塑变后被磨损的多次塑变后被磨损的磨屑呈块状或片状，磨屑呈块状或片状，金属表面可以观察到金属表面可以观

51、察到反复塑变和辗压后的反复塑变和辗压后的层状折痕层状折痕以及一些以及一些台台阶阶、压坑压坑及二次及二次裂纹裂纹等。等。n 2）多次塑变磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析 多次塑变磨损后产生金属表面分离的磨多次塑变磨损后产生金属表面分离的磨屑是因为材料表层微观组织受磨粒反复屑是因为材料表层微观组织受磨粒反复作用的应力超过材料表面的疲劳极限所作用的应力超过材料表面的疲劳极限所造成的。造成的。l 3）疲劳磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析 对于脆性材料，在压痕试验中可以观察到对于脆性材料，在压痕试验中可以观察到材料表面材料表面压痕伴有压痕伴有明显的

52、明显的裂纹裂纹 根据这一现象，微观断裂磨损机理认为：根据这一现象，微观断裂磨损机理认为：脆性材料在磨粒磨损时会使横向裂纹互相脆性材料在磨粒磨损时会使横向裂纹互相交叉或扩散到表面，造成材料剥落。交叉或扩散到表面，造成材料剥落。l 4）微观断裂磨损机理磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析 从以上分析可知，各种机理都可以解释从以上分析可知，各种机理都可以解释部分磨损特征，但都不能解释所有的磨部分磨损特征，但都不能解释所有的磨粒磨损现象粒磨损现象 所以磨粒磨损过程可能是这几种机理综所以磨粒磨损过程可能是这几种机理综合作用的反映，而其中的某一种损害可合作用的反映，而其中的某一种损害可能起

53、主要作用。能起主要作用。磨粒磨损机理的主要理论分析磨粒磨损机理的主要理论分析3.影响磨粒磨损的因素 1 1）磨粒尺寸与几何形状）磨粒尺寸与几何形状 磨粒尺寸越大，金属表面的体积磨损量越大。磨粒尺寸越大，金属表面的体积磨损量越大。但当磨粒的尺寸超过一定值后，体积磨损量但当磨粒的尺寸超过一定值后，体积磨损量增加的幅度明显减小。增加的幅度明显减小。 当磨粒的棱角尖锐且凸出较高时，金属表面当磨粒的棱角尖锐且凸出较高时，金属表面磨损率较大。当磨粒棱角不尖锐且凸出较小磨损率较大。当磨粒棱角不尖锐且凸出较小时，磨损率较小。时，磨损率较小。磨粒磨损磨粒磨损 2 2）磨粒硬度）磨粒硬度 磨粒磨损与磨粒硬度磨粒磨

54、损与磨粒硬度HaHa和金属硬度和金属硬度HmHm之间的相之间的相对值的大小有关。对值的大小有关。 区为低磨损状态：HmHm1.25Ha1.25Ha，金属表面产生轻微磨损，磨损率，金属表面产生轻微磨损，磨损率较小。曲线上升平缓。较小。曲线上升平缓。 区为磨损过渡状态：0.8Ha0.8HaHmHm1.25Ha1.25Ha，磨损轻、重转化阶段，磨，磨损轻、重转化阶段，磨损率急剧增加，曲线上升很陡。损率急剧增加，曲线上升很陡。 影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素 区为高磨损状态：Hm0.8Ha，金属表，金属表面产生严重磨损，磨损面产生严重磨损，磨损量大，磨损率小。曲线量大，磨损率小。曲线平缓。平缓。

55、影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素 试验结果表明：试验结果表明：要减小磨粒磨损量，金属的硬度要减小磨粒磨损量，金属的硬度Hm应比磨粒的硬度应比磨粒的硬度Ha高。高。 实际经验：实际经验：只要求满足只要求满足 Hm1.3Ha，就可达到减，就可达到减小磨损量的目的。小磨损量的目的。 因为因为Hm高到一定时，不会再得到更显著的改善。高到一定时，不会再得到更显著的改善。 3 3）模具与工件表面压力）模具与工件表面压力 模具与工件之间的表面压力越大，磨粒压入金模具与工件之间的表面压力越大，磨粒压入金属表面的深度越深，则磨损量越大。属表面的深度越深，则磨损量越大。 但当压力达到一定值后，磨粒棱角变钝，使

56、磨但当压力达到一定值后，磨粒棱角变钝，使磨损量的增加减缓。损量的增加减缓。 4 4）工件厚度）工件厚度 工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入工件工件厚度越大，磨粒越易嵌入工件，嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。的深度越深，对模具的磨损量减小。影响磨粒磨损的因素影响磨粒磨损的因素l 1.粘着磨损的形成和特征 工件与模具表面相对运动时，由于表面工件与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平凹凸不平，某些接触点，某些接触点局部应力局部应力超过了超过了材料的屈服强度发生材料的屈服强度发生粘合粘合，粘合的结点，粘合的结点发生发生剪切断裂剪切断裂而拽开，使而拽开，使模具表面材料模具表面材料转移到工件上或

57、脱落转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨的现象称为粘着磨损。损。(二二)粘着磨损粘着磨损磨损失效的类型和机理磨损失效的类型和机理l磨损的四种类型 接触表面发生粘着以后，根据运动产生的接触表面发生粘着以后，根据运动产生的切切应力应力、接触处的、接触处的粘合强度粘合强度、金属、金属本体强度本体强度三三者之间的不同关系而产生的不同破坏现象，者之间的不同关系而产生的不同破坏现象，可以把粘着磨损分为：可以把粘着磨损分为： 1）涂抹；）涂抹；2）擦伤）擦伤 ；3）撕脱；）撕脱； 4）咬死）咬死 粘着磨损粘着磨损l磨损的四种类型 1 1）涂抹）涂抹 当较软金属的剪切强度小于接触处的粘当较软金属的剪切强度小于接

58、触处的粘合强度，也小于外加的切应力时，剪切合强度，也小于外加的切应力时，剪切破坏发生在离粘着结合面不远的较软金破坏发生在离粘着结合面不远的较软金属层内，被剪切的属层内，被剪切的软金属涂抹在硬金属软金属涂抹在硬金属表面上表面上的现象。的现象。粘着磨损粘着磨损l磨损的四种类型 2）擦伤 软金属表面产生软金属表面产生细而浅的划痕细而浅的划痕；有时硬金属表面也有划伤的现象。有时硬金属表面也有划伤的现象。 3）撕脱 剪切破坏发生在摩擦副一方或剪切破坏发生在摩擦副一方或两方金属较深处，有两方金属较深处，有较深划痕较深划痕的现象。的现象。 4）咬死 摩擦副之间摩擦副之间咬死咬死，不能相对运，不能相对运动的现

59、象。动的现象。粘着磨损粘着磨损l 粘着磨损的主要特征 金属表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成交替金属表面有细的划痕，沿滑动方向可能形成交替的裂口、凹穴。的裂口、凹穴。 摩擦副之间有金属转移，摩擦副之间有金属转移，表层金相组织和化学成表层金相组织和化学成分均有明显变化。分均有明显变化。 磨损产物多为片状或小磨损产物多为片状或小颗粒，在金属表面形成颗粒，在金属表面形成大小不等的结疤。大小不等的结疤。粘着磨损粘着磨损2.粘着磨损机理的理论分析 在大气中的金属表面都存在氧的吸附层。图在大气中的金属表面都存在氧的吸附层。图3-6表示表示了经过机械加工后，金属表层的结构。了经过机械加工后，金属表层的结构。

60、第一层为氧的第一层为氧的物理吸附层物理吸附层、第二层为、第二层为氧的化学吸附层氧的化学吸附层。这两层是金属与周围空气中的氧交互作用而形成的。这两层是金属与周围空气中的氧交互作用而形成的。 第三层为第三层为塑性变形层塑性变形层，是机械加工所引起的。，是机械加工所引起的。粘着磨损粘着磨损 在干摩擦情况下，两摩擦表面直接接触。在干摩擦情况下，两摩擦表面直接接触。粘着磨损机理的理论分析粘着磨损机理的理论分析 在边界摩擦情况下，在边界摩擦情况下，边界膜的厚度比两边界膜的厚度比两摩擦表面的粗糙度摩擦表面的粗糙度之和要小，所以两之和要小，所以两摩擦表面之间仍有摩擦表面之间仍有局部接触区。局部接触区。粘着磨损