模具材料与热处理技术作业指导书

模具材料与热处理技术作业指导书TOC\o"1-2"\h\u12739第1章模具材料概述 365231.1模具材料分类及功能要求 399611.1.1模具材料分类 462841.1.2模具材料功能要求 4324601.2常用模具材料介绍 4163261.2.1碳素钢 4292101.2.2合金钢 5189471.2.3工具钢 5188261.2.4高速钢 5310681.2.5硬质合金 521028第2章模具钢的热处理原理 5298902.1热处理的基本概念 553642.2热处理工艺对模具功能的影响 5121402.2.1退火 5300242.2.2正火 542492.2.3淬火 5127722.2.4回火 616552.3模具钢热处理常见缺陷及防止方法 6268362.3.1常见缺陷 6177102.3.2防止方法 631422第3章模具钢的退火处理 6152023.1退火处理的目的与分类 6209703.2退火处理工艺参数选择 7203943.3退火处理对模具功能的影响 729267第4章模具钢的正火处理 8222184.1正火处理的目的与分类 890904.2正火处理工艺参数选择 8288504.3正火处理对模具功能的影响 918949第5章模具钢的淬火处理 9109035.1淬火处理的目的与分类 9301305.1.1马氏体淬火：通过快速冷却，使奥氏体转变为马氏体，获得高硬度和高强度。 9303615.1.2贝氏体淬火：在较低的温度下进行淬火，使奥氏体转变为贝氏体，提高模具的韧性。 949075.1.3珠光体淬火：在更高的温度下进行淬火，使奥氏体转变为珠光体，获得适当的硬度和韧性。 9199245.2淬火处理工艺参数选择 9251345.2.1淬火温度：根据模具钢的成分和所需功能，选择合适的淬火温度。过高或过低的淬火温度都会影响模具的功能。 9142925.2.2淬火介质：选择合适的淬火介质，如油、水、盐水等，以保证模具在淬火过程中达到所需的冷却速度。 981195.2.3淬火时间：根据模具的尺寸和形状，确定合适的淬火时间。过长或过短的淬火时间都会影响模具的功能。 927505.2.4淬火冷却速度：根据模具钢的成分和所需功能，控制淬火冷却速度，以获得合适的组织结构和功能。 925715.3淬火处理对模具功能的影响 1045265.3.1硬度：淬火处理可显著提高模具的硬度，提高其耐磨性和抗变形能力。 10220385.3.2韧性：合理的淬火处理工艺可以提高模具的韧性，降低模具在使用过程中的脆性断裂风险。 10294665.3.3耐磨性：淬火处理可提高模具的耐磨性，延长模具的使用寿命。 10104405.3.4残余应力：淬火处理过程中会产生残余应力，影响模具的精度和稳定性。因此，在淬火后需要进行回火处理，以消除残余应力。 10161895.3.5膨胀系数：淬火处理会影响模具的膨胀系数，因此在设计模具时应充分考虑这一因素，以避免因热膨胀导致的尺寸变化。 1031831第6章模具钢的回火处理 1037886.1回火处理的目的与分类 10226706.1.1低温回火 1073166.1.2中温回火 10160166.1.3高温回火 10226946.2回火处理工艺参数选择 10275756.2.1回火温度 10108106.2.2保温时间 11298216.2.3冷却方式 11321266.3回火处理对模具功能的影响 11326546.3.1硬度 11258196.3.2韧性 11272436.3.3内应力 1144836.3.4耐磨性 11113496.3.5抗回火稳定性 1117726第7章模具钢的表面热处理 11126287.1表面热处理的目的与分类 12122417.2激光热处理 12303497.2.1激光淬火 12318637.2.2激光熔覆 12149247.2.3激光表面合金化 12144027.3火焰淬火 12259697.3.1火焰淬火的工艺参数 12164787.3.2火焰淬火后的处理 12166677.4电镀及化学镀 1280717.4.1电镀 13252847.4.2化学镀 13154237.4.3电镀和化学镀的注意事项 1318988第8章模具钢的特殊热处理 1314008.1渗碳和碳氮共渗 13183808.1.1渗碳工艺 13311878.1.2碳氮共渗工艺 13142468.1.3渗碳和碳氮共渗的应用 1314498.2渗氮和氮碳共渗 13152638.2.1渗氮工艺 13221278.2.2氮碳共渗工艺 13148088.2.3渗氮和氮碳共渗的应用 14302708.3离子注入 14180778.3.1离子注入原理 14226528.3.2离子注入工艺 1478988.3.3离子注入对模具功能的影响 1423048.3.4离子注入的应用实例 1416190第9章模具材料与热处理的应用实例 14310159.1冲模材料与热处理 14177779.1.1应用实例一：高速冲裁模 146889.1.2应用实例二：精密冲模 14297109.2压铸模材料与热处理 14139139.2.1应用实例一：铝压铸模 14141329.2.2应用实例二：镁压铸模 15318999.3注塑模材料与热处理 15140699.3.1应用实例一：高精度注塑模 152349.3.2应用实例二：大型注塑模 1511757第10章模具材料与热处理的检测与质量控制 152571010.1模具材料功能检测方法 151170810.1.1硬度测试 152331410.1.2拉伸功能测试 15211410.1.3冲击功能测试 151185210.1.4金相组织分析 16302110.2热处理工艺参数检测与控制 161513610.2.1加热温度控制 162907710.2.2保温时间控制 162793410.2.3冷却速度控制 16645810.2.4热处理变形与应力控制 16164610.3模具热处理质量评价与控制措施 161668010.3.1硬度均匀性评价 161770610.3.2模具尺寸稳定性评价 161100910.3.3组织结构评价 161448410.3.4功能测试与评价 162163710.3.5质量控制措施 17第1章模具材料概述1.1模具材料分类及功能要求模具材料是影响模具质量和使用寿命的关键因素，其分类及功能要求如下：1.1.1模具材料分类模具材料根据化学成分、生产工艺和使用功能等不同特点，可分为以下几类：（1）碳素钢：碳素钢具有良好的机械加工功能和热处理功能，广泛应用于模具制造。（2）合金钢：合金钢具有较好的淬透性、耐磨性和耐蚀性，适用于对模具功能要求较高的场合。（3）工具钢：工具钢具有高硬度、高强度、高耐磨性和一定的韧性，适用于冷冲模、热作模等。（4）高速钢：高速钢具有高硬度、高耐磨性和高热稳定性，适用于高速切削模具。（5）硬质合金：硬质合金具有极高的硬度和耐磨性，适用于高精度、高耐磨的模具。1.1.2模具材料功能要求模具材料应具备以下功能要求：（1）硬度：模具在工作过程中承受较大的压力，要求材料具有较高的硬度以保证模具的耐磨性。（2）强度：模具材料应具有较高的抗拉强度和抗弯强度，以保证模具在服役过程中的稳定性。（3）韧性：模具材料应具有一定的韧性，以承受冲击载荷，降低模具的断裂风险。（4）耐磨性：模具在工作过程中与工件产生摩擦，要求材料具有良好的耐磨性。（5）热稳定性：模具在高温环境下工作，要求材料具有良好的热稳定性，以保证模具尺寸的稳定性。1.2常用模具材料介绍以下为几种常用模具材料的特点及应用：1.2.1碳素钢碳素钢主要包括低碳钢、中碳钢和高碳钢。低碳钢具有良好的机械加工功能，适用于简单模具；中碳钢适用于中等负载的模具；高碳钢适用于高负载、高耐磨的模具。1.2.2合金钢合金钢具有良好的淬透性和耐磨性，如Cr12、Cr12MoV等，适用于对模具功能要求较高的场合。1.2.3工具钢工具钢包括冷作工具钢和热作工具钢。冷作工具钢如T8、T10等，适用于冷冲模；热作工具钢如H13、H21等，适用于热作模。1.2.4高速钢高速钢具有高硬度、高耐磨性，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，适用于高速切削模具。1.2.5硬质合金硬质合金具有极高的硬度和耐磨性，如YG8、YG20等，适用于高精度、高耐磨的模具。本章对模具材料进行了概述，介绍了模具材料的分类、功能要求及常用模具材料的特点和应用。为模具设计和制造提供了基础参考。第2章模具钢的热处理原理2.1热处理的基本概念热处理是通过加热和冷却来改变金属材料的组织，从而获得所需功能的一种工艺方法。对于模具钢而言，热处理是提高其使用功能的关键环节。热处理主要包括退火、正火、淬火、回火等几种基本工艺。2.2热处理工艺对模具功能的影响2.2.1退火退火是通过加热至适当温度并保温一段时间，然后缓慢冷却的方法来软化模具钢，消除内应力，改善切削功能。退火后的模具钢具有良好的塑性，但强度和硬度较低。2.2.2正火正火是将模具钢加热至适当温度，然后放入空气中冷却的方法。正火可以提高模具钢的硬度和强度，但相对于退火，正火后的塑性降低。2.2.3淬火淬火是将模具钢加热至临界温度以上，然后迅速冷却至室温的方法。淬火可以显著提高模具钢的硬度和强度，但韧性降低。模具钢的淬火工艺对其功能具有决定性影响。2.2.4回火回火是淬火后的补充工艺，通过加热至适当温度并保温一段时间，然后冷却至室温。回火可以降低模具钢的脆性，提高韧性，同时保持一定程度的硬度和强度。2.3模具钢热处理常见缺陷及防止方法2.3.1常见缺陷（1）过热：热处理过程中，加热温度过高，导致模具钢组织粗大，功能下降。（2）氧化：模具钢在高温下与氧气发生化学反应，形成氧化皮，影响模具表面质量。（3）裂纹：由于热应力、组织应力等原因，模具钢在热处理过程中产生裂纹。（4）变形：热处理过程中，模具钢由于热膨胀和冷却收缩不均匀，导致尺寸和形状发生变化。2.3.2防止方法（1）严格控制热处理工艺参数，避免过热现象。（2）在热处理过程中采用保护气氛，防止氧化。（3）选用合适的冷却介质，减小热应力和组织应力，防止裂纹产生。（4）优化模具设计，减小热处理变形。通过以上措施，可以有效避免模具钢热处理过程中的常见缺陷，提高模具的使用功能和寿命。第3章模具钢的退火处理3.1退火处理的目的与分类模具钢的退火处理是改善钢材内部组织，消除锻造、轧制、切削等加工过程中产生的内应力，提高钢材的塑性、降低硬度，为后续的热处理工序创造有利条件的重要工艺。退火处理的目的主要包括以下几点：（1）降低模具钢的硬度和强度，提高塑性。（2）消除或减少内应力，防止模具在加工和使用过程中产生变形和开裂。（3）改善模具钢的切削功能，便于后续加工。（4）为最终热处理作组织准备，提高模具的使用寿命。退火处理主要分为以下几类：（1）完全退火：将模具钢加热至Ac3以上3050℃，保温一定时间后，缓慢冷却至室温。（2）球化退火：将模具钢加热至Ac1以上3050℃，保温一定时间后，缓慢冷却至室温，以获得球状珠光体组织。（3）去应力退火：将模具钢加热至Ac1以下100150℃，保温一定时间后，随炉冷却或缓慢冷却至室温，以消除内应力。3.2退火处理工艺参数选择退火处理的工艺参数主要包括加热温度、保温时间和冷却速度。合理选择这些参数对模具钢的功能具有重要影响。（1）加热温度：应根据模具钢的成分、牌号和工艺要求来确定。完全退火时，加热温度应控制在Ac3以上3050℃；球化退火时，加热温度应控制在Ac1以上3050℃。（2）保温时间：保温时间应足够，以保证模具钢内部组织充分转变。通常，保温时间根据模具钢的厚度和加热温度来确定，一般为12小时。（3）冷却速度：冷却速度对退火组织的形成和功能具有重要影响。完全退火和球化退火要求缓慢冷却，以防止组织转变不完全；去应力退火可采用随炉冷却或缓慢冷却。3.3退火处理对模具功能的影响退火处理对模具功能的影响主要体现在以下几个方面：（1）组织改善：退火处理可消除模具钢中的碳化物偏析、带状组织等缺陷，使组织更加均匀，从而提高模具的韧性和塑性。（2）硬度降低：退火处理使模具钢的硬度降低，有利于后续的切削加工。（3）内应力消除：退火处理可消除或减少模具钢中的内应力，防止模具在加工和使用过程中产生变形和开裂。（4）切削功能提高：退火处理改善了模具钢的切削功能，有利于提高生产效率。（5）使用寿命提高：通过退火处理，为最终热处理作组织准备，有助于提高模具的使用寿命。第4章模具钢的正火处理4.1正火处理的目的与分类正火处理是模具钢热处理的重要环节，其目的在于改善模具钢的组织功能，提高模具的使用寿命。正火处理主要实现以下目标：消除模具钢中的残余应力，改善其加工功能；获得均匀细小的奥氏体组织，为后续的热处理工序创造有利条件；提高模具的硬度、强度及耐磨性。正火处理可分为以下几类：（1）完全正火：将模具钢加热至临界点Ac3以上3050℃，保温一定时间，然后冷却至室温。（2）不完全正火：将模具钢加热至临界点Ac1与Ac3之间，保温一定时间，然后冷却至室温。（3）扩散正火：在较低温度下进行正火处理，主要目的是改善模具钢的塑性和韧性。4.2正火处理工艺参数选择正火处理工艺参数主要包括加热温度、保温时间和冷却方式。合理选择这些参数，对模具钢的功能具有重要影响。（1）加热温度：根据模具钢的成分、临界点及所需功能，选择合适的加热温度。一般来说，完全正火加热温度为Ac3以上3050℃，不完全正火加热温度为Ac1与Ac3之间。（2）保温时间：保温时间取决于模具钢的厚度、加热速度和加热温度。保温时间过长，会导致晶粒粗大；保温时间过短，则组织转变不完全。通常，保温时间为12小时。（3）冷却方式：冷却方式对模具钢的功能有很大影响。常用的冷却方式有空气冷却、油冷、水冷等。冷却速度越快，模具钢的硬度越高，但韧性降低。应根据模具的使用功能要求，选择合适的冷却方式。4.3正火处理对模具功能的影响正火处理对模具功能的影响主要体现在以下几个方面：（1）硬度：正火处理可以提高模具钢的硬度，提高其耐磨性。（2）强度：正火处理后，模具钢的强度有所提高，有利于承受较大的载荷。（3）韧性：正火处理可以改善模具钢的韧性，降低模具在使用过程中的断裂风险。（4）残余应力：正火处理可以消除模具钢中的残余应力，降低模具在加工和使用过程中的变形。（5）组织均匀性：正火处理使模具钢的组织更加均匀细小，有利于提高模具的使用寿命。第5章模具钢的淬火处理5.1淬火处理的目的与分类模具钢的淬火处理是模具制造过程中的关键环节，其目的在于提高模具的硬度、强度及耐磨性，以满足模具在使用过程中的高精度和高寿命要求。淬火处理主要分为以下几类：5.1.1马氏体淬火：通过快速冷却，使奥氏体转变为马氏体，获得高硬度和高强度。5.1.2贝氏体淬火：在较低的温度下进行淬火，使奥氏体转变为贝氏体，提高模具的韧性。5.1.3珠光体淬火：在更高的温度下进行淬火，使奥氏体转变为珠光体，获得适当的硬度和韧性。5.2淬火处理工艺参数选择5.2.1淬火温度：根据模具钢的成分和所需功能，选择合适的淬火温度。过高或过低的淬火温度都会影响模具的功能。5.2.2淬火介质：选择合适的淬火介质，如油、水、盐水等，以保证模具在淬火过程中达到所需的冷却速度。5.2.3淬火时间：根据模具的尺寸和形状，确定合适的淬火时间。过长或过短的淬火时间都会影响模具的功能。5.2.4淬火冷却速度：根据模具钢的成分和所需功能，控制淬火冷却速度，以获得合适的组织结构和功能。5.3淬火处理对模具功能的影响5.3.1硬度：淬火处理可显著提高模具的硬度，提高其耐磨性和抗变形能力。5.3.2韧性：合理的淬火处理工艺可以提高模具的韧性，降低模具在使用过程中的脆性断裂风险。5.3.3耐磨性：淬火处理可提高模具的耐磨性，延长模具的使用寿命。5.3.4残余应力：淬火处理过程中会产生残余应力，影响模具的精度和稳定性。因此，在淬火后需要进行回火处理，以消除残余应力。5.3.5膨胀系数：淬火处理会影响模具的膨胀系数，因此在设计模具时应充分考虑这一因素，以避免因热膨胀导致的尺寸变化。第6章模具钢的回火处理6.1回火处理的目的与分类回火处理是模具钢热处理过程中的重要环节，其主要目的在于调整模具钢的力学功能，改善其加工功能，提高模具的使用寿命。回火处理可分为以下几类：6.1.1低温回火低温回火主要用于消除模具钢在淬火过程中产生的内应力，提高模具的韧性，降低脆性。6.1.2中温回火中温回火主要用于提高模具的屈服强度和弹性模量，使模具具有一定的硬度和强度。6.1.3高温回火高温回火主要用于提高模具的塑性和韧性，降低模具的硬度，以适应不同的使用场合。6.2回火处理工艺参数选择回火处理工艺参数包括回火温度、保温时间以及冷却方式等，以下为模具钢回火处理工艺参数的选择原则：6.2.1回火温度回火温度的选择应根据模具钢的成分、淬火硬度以及模具使用功能要求来确定。一般情况下，回火温度应低于模具钢的Ac1点，以避免再次发生相变。6.2.2保温时间保温时间应足够长，以保证模具钢内部温度均匀，消除内应力。保温时间可按以下公式计算：t=(d/2)²×α×ΔT×C式中：t为保温时间（小时）；d为模具钢最大厚度（毫米）；α为热扩散系数（平方毫米/秒·摄氏度）；ΔT为回火温度与室温之差（摄氏度）；C为保温常数。6.2.3冷却方式回火后的冷却方式对模具功能有一定影响。通常采用空冷或炉冷，对于尺寸较大的模具，可采用缓慢冷却以减少热应力。6.3回火处理对模具功能的影响回火处理对模具功能的影响主要体现在以下几个方面：6.3.1硬度回火处理过程中，模具钢的硬度会逐渐降低，但通过选择合适的回火温度，可以在保持一定硬度的同时提高模具的韧性。6.3.2韧性回火处理可以提高模具的韧性，降低脆性，减少模具在使用过程中的断裂风险。6.3.3内应力回火处理可以消除模具钢在淬火过程中产生的内应力，降低模具变形和开裂的可能性。6.3.4耐磨性回火处理对模具钢的耐磨性有一定影响。适宜的回火温度可以提高模具的耐磨性，延长模具的使用寿命。6.3.5抗回火稳定性回火处理可以提高模具钢的抗回火稳定性，使模具在使用过程中保持稳定的功能。第7章模具钢的表面热处理7.1表面热处理的目的与分类模具钢的表面热处理是一种改善模具表面功能的重要技术。其主要目的在于提高模具的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳功能，以满足不同工况下的使用要求。表面热处理主要分为以下几类：表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗和其他特殊表面处理技术。7.2激光热处理激光热处理是一种利用激光束对模具钢表面进行快速加热和冷却的表面处理技术。其优点在于加热速度快、冷却速度快、热量影响范围小，因此可以获得细小的晶粒组织和改善模具表面的功能。激光热处理主要包括以下几种工艺：7.2.1激光淬火通过激光束对模具钢表面进行扫描，使表面迅速加热至高温，然后依靠材料自身的冷却能力进行冷却，实现表面淬火。7.2.2激光熔覆在模具钢表面添加一层具有特定功能的合金粉末，利用激光束加热使之熔化并快速冷却，从而在表面形成一层高功能的合金涂层。7.2.3激光表面合金化利用激光束对模具钢表面进行加热，同时添加合金元素，使表面合金元素与基体材料发生化学反应，形成具有特殊功能的表面层。7.3火焰淬火火焰淬火是利用氧乙炔火焰对模具钢表面进行加热，然后迅速冷却的一种表面热处理方法。火焰淬火的优点在于设备简单、操作方便、成本低，适用于大型模具或不易在炉内进行热处理的模具。7.3.1火焰淬火的工艺参数火焰淬火过程中，加热速度、冷却速度和火焰与模具表面的距离等工艺参数对处理效果有重要影响。7.3.2火焰淬火后的处理火焰淬火后，模具表面会产生一定的应力，需要进行回火处理以消除应力，提高模具的使用寿命。7.4电镀及化学镀电镀和化学镀是利用电化学反应在模具钢表面沉积一层金属或合金的方法，以提高模具的耐磨性和抗腐蚀性。7.4.1电镀电镀是将模具钢作为阴极，在电镀液中沉积金属或合金。电镀层的功能取决于所选用的电镀液和工艺参数。7.4.2化学镀化学镀是通过化学反应在模具钢表面沉积金属或合金，无需外部电源。化学镀层具有均匀、致密的特点，适用于复杂形状的模具表面处理。7.4.3电镀和化学镀的注意事项在进行电镀和化学镀时，应严格把控工艺参数，避免产生氢脆、内应力过大等问题，以保证模具的使用功能和寿命。第8章模具钢的特殊热处理8.1渗碳和碳氮共渗8.1.1渗碳工艺渗碳是一种将碳原子渗入模具钢表面的热处理方法，以提高模具的硬度和耐磨性。本节将介绍渗碳工艺的原理、工艺参数以及渗碳后的冷却处理。8.1.2碳氮共渗工艺碳氮共渗是在渗碳的基础上加入氮元素，进一步提高模具表面层的硬度和耐磨性。本节将阐述碳氮共渗的原理、工艺流程及其对模具功能的影响。8.1.3渗碳和碳氮共渗的应用分析渗碳和碳氮共渗在模具钢热处理中的应用实例，包括模具类型、材料选择及工艺参数设置。8.2渗氮和氮碳共渗8.2.1渗氮工艺渗氮是一种提高模具表面硬度和耐磨性的热处理方法。本节将讨论渗氮的原理、工艺流程以及影响渗氮效果的因素。8.2.2氮碳共渗工艺氮碳共渗是在渗氮的基础上加入碳元素，以提高模具表面层的硬度和抗疲劳功能。本节将介绍氮碳共渗的工艺特点、工艺参数及其对模具功能的影响。8.2.3渗氮和氮碳共渗的应用通过实例分析，探讨渗氮和氮碳共渗在模具钢热处理中的应用，包括模具类型、材料选择和工艺优化。8.3离子注入8.3.1离子注入原理简要介绍离子注入技术的原理，以及其在模具钢热处理中的应用优势。8.3.2离子注入工艺详细阐述离子注入工艺的流程、设备要求以及工艺参数设置。8.3.3离子注入对模具功能的影响分析离子注入对模具钢硬度、耐磨性、抗疲劳功能等功能的影响，以及不同离子注入元素对模具功能的改善。8.3.4离子注入的应用实例介绍离子注入在模具钢热处理中的应用实例，包括模具类型、材料选择和工艺效果评价。第9章模具材料与热处理的应用实例9.1冲模材料与热处理9.1.1应用实例一：高速冲裁模材料选择：采用高碳高铬钢，如Cr12MoV，具有高硬度、高耐磨性和良好的淬透性。热处理工艺：采用真空淬火，以减少模具变形和氧化；随后进行回火处理，提高模具的韧性和抗冲击功能。9.1.2应用实例二：精密冲模材料选择：选用高速工具钢，如W6Mo5Cr4V2，具有高硬度、高耐磨性和良好的红硬性。热处理工艺：采用预冷淬火，降低模具变形；回火处理采用分级回火，提高模具的尺寸稳定性。9.2压铸模材料与热处理9.2.1应用实例一：铝压铸模材料选择：选用热作模具钢，如H13，具有良好抗热疲劳功能、高温强度和硬度。热处理工艺：采用固溶处理，提高模具的韧性和抗热疲劳功能；随后进行时效处理，以提高模具的硬度和耐磨性。9.2.2应用实例二：镁压铸模材料选择：采用高功能的热作模具钢，如HM3，具有更高的高温强度和抗热疲劳功能。热处理工艺：采用双