模具表面强化技术第一章综述

模具表面强化技术12345模具及模具材料分类模具材料性能模具零件失效形式模具材料热处理模具材料表面强化技术主要内容工作条件失效形式性能要求材料选用材料热处理模具表面强化使用性能、工艺性能、冶金质量改变材料内部组织以获得所需组织和性能有效提高模具表面各性能，心部保有强韧性塑性变形、磨损、疲劳、冷热疲劳、断裂开裂冷作模具、热作模具、型腔模具受力、受热决定形式供应商早期参与：客户与供应商关于产品设计和模具开发等方面的技术探讨报价：包括模具价格、模具寿命、周转流程、机器要求吨数以及交货期订单：客户订单、订金的发出以及供应商订单的接受模具生产计划及排工安排模具设计：可能使用的设计软件有Pro/Engineer、UG、Solidworks、AutoCAD、CATIA等采购材料模具加工模具装配模具试模样板评估报告样板评估报告批核现代模具生产流程第一章综述1.1模具1.1.1模具分类1.1.2模具材料分类1.1.3选择模具材料的一般原则1.2性能1.2.1使用性能1.2.2工艺性能1.3热处理1.3.1工艺分类1.3.2热处理温度点、组织、铁碳平衡相图1.3.3退火1.3.4正火1.3.5淬火1.3.6回火1.3.7不同模具材料的热处理工艺1.4表面强化技术1.4.1化学热处理1.4.2高能束表面强化技术1.4.3模具表面气相沉积强化1.5失效形式1.5.1基本概念1.5.2失效形式1.5.3失效原因模具的地位：现代工业产品的发展和生产效益的提高，很大程度上取决于模具的发展和技术水平。作用：以其特定的形状通过一定的方式使原材料成型优点：生产效率高、质量稳定、一致性好、省料、生产成本低应用：汽车、冶金、电子、轻工、机械制造等1.1模具——1.1模具——模具是工业生产上在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的各种模子和工具，其主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工，素有“工业之母”的称号。模具由各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成，具有特定的轮廓或内腔形状，具有刃口的轮廓形状可以使坯料按轮廓线形状发生分离(冲裁)。应用内腔形状可使坯料获得相应的立体形状。模具一般包括动模和定模(或凸模和凹模)两个部分，二者可分可合。分开时取出制件，合拢时使坯料注入模具型腔成形。按工作条件分类：冷作模具：主要用于金属或非金属材料的冷态成型，如冷冲压、冷挤压、冷镦模、拉伸弯曲模、拉丝模、滚丝模等热作模具：对高温状态下的工件进行压力加工的模具，如热锻模、热挤压模、热冲裁模、压铸模等型腔模具：又叫凹模，是成型塑件外表面的工作零件，如塑料模具、陶瓷模具、玻璃模具、橡胶模具、粉末冶金模具等1.1.1模具分类热锻模具橡胶模具冷冲压模具冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围很广，.从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。冷作模具钢具是真空脱气精炼钢，内质纯净，机械加工性良好，切削明显提高，淬透性良好，空冷淬硬不易出现淬裂，耐磨性极为优异，韧性良好，可用作不锈钢及高硬度材料的冲裁模。冷作模具热作模具钢主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工的模具。如：热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。常用的热作模具钢有：中高含碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具钢；对特殊要求的热作模具钢，有时采用高合金奥氏体耐热模具钢制造。热作模具由于塑料的品种很多，对塑料制品的要求差别也很大，对制造塑料模具的材料也提出了各种不同的性能要求。所以，不少工业发达的国家已经形成了范围很广的塑料模具用钢系列。包括碳素结构钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢、易切塑料模具钢、整体淬硬型塑料模具钢、马氏体时效钢以及镜面抛光用塑料模具钢等。塑料模具模具材料模具钢冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢其它模具材料铸铁有色金属及其合金硬质合金非金属材料模具材料的品种繁多、分类方法也不尽相同。由于模具钢是制造模具的主要材料，所以我们可将材料分类如下：根据模具的工作条件不同，一般把模具钢分为三类:1.冷作模具钢2.热作模具钢3.塑料模具钢1.1.2模具材料分类研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之相宜的加工方法的最佳组合。由于所能采用的材料和加工方法很多，因而材料的选用常常是一个复杂而困难的判断、优化过程。毫无疑问，所选材料应满足产品（零件）使用的需要，经久耐用，易于加工，经济效益高。选材一般应遵循四个基本原则：1、满足使用性能要求；2、工艺性能良好；3、材料来源方便；4、经济性合理。在大多数情况下，使用性能是选材的首要原则与依据，然后再综合考虑工艺性能和经济性能，得出优化结果。1.1.3选择模具材料的一般原则1）分析零件的工作条件，确定其使用性能。零件的工作条件分析包括：①受力情况；②工作环境，如工作温度、工作介质；③其它特殊要求，如导热性、密度与磁性等。2）进行失效分析，确定主要使用性能。在工程应用中，失效分析能暴露零件的最薄弱环节，找出导致失效的主导因素，直接准确地确定零件必备的主要使用性能。3）将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体数值的要求。通过分析、计算，将使用性能要求指标化、量化，再按这些性能指标数据查找有关手册中各类材料的性能数据及大致应用范围，进行判断、选材。按使用性能选材的具体方法与步骤：1.2.1使用性能强度硬度塑性韧性疲劳性能1.2.2工艺性能切削性尺寸稳定性镜面性焊接修复性1.2性能要求影响模具生产成本和制造难易的主要因素之一根据模具的工作条件和使用寿命要求决定1．强度强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。冷作模具的强度指标主要为常温下屈服强度；热作模具的强度指标主要为高温下屈服强度。2．硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。3．塑性塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。，常用断后伸长率和断面收缩率两个指标表示。1.2.1使用性能4．冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性，反应了模具的脆断韧性，常用冲击韧度来评定。5．疲劳前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指标。实际上，许多机器零件都是在交变载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。疲劳性能反映了材料在交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的性能指标。1.2.1使用性能模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的工艺性能。1.机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说，材料的硬度越高，加工硬化能力越强，切屑不易断排，刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。但若硬度太低，切削会变得连续不断，使得表面粗糙。切削性要求：切削刀具费用低、切屑易处理、加工表面光滑。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180—230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢（如高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢）的切削加工性能较差。铝合金、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。1.2.2工艺性能2.尺寸稳定性材料在受机械力、热或其他外界条件作用下，其外形尺寸不发生变化的性能。模具必须经过粗加工、热处理、精加工后才能投入使用，这要求模具热处理时具有尺寸稳定性，否则会导致加工周期延长。另外，模具投入使用后，随着时间的推移，尺寸会出现微米级变化，称为时效变化。随着模具向高精度方向发展，需要有效控制热处理后模具的尺寸变化、形状变化、时效变化。1.2.2工艺性能3.镜面性指工件表面不出现针孔等微小缺陷，表面粗糙度值所能达到的微细程度。无论何种塑料模具，其型腔的允许表面粗糙度极小，几乎都要求能做到镜面光泽。而要达到镜面光泽，主要的一点是钢材必须具有不低于38HRC的硬度，最好为40～46HRC，而达到55HRC为最佳。要达到镜面光泽，首先钢材中的夹杂物要尽量少，而且不能有气泡存在，并且纤维组织均匀。在大量生产中的模具，为了减少磨损，除了型腔的表面硬度以外，表面粗糙度也是重要条件。1.2.2工艺性能4.焊接修复性在型腔加工中，有时难免要补焊。因此模具钢必须有很好地焊接性能。钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之、高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不太好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。1.2.2工艺性能1.3热处理模具钢热处理一般包括3个部分：普通热处理、表面热处理、形变热处理。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火。退火和正火我们俗称为预先热处理，淬火和回火我们称为最终热处理。退火：将钢加热到一定温度保温一段时间，再缓慢冷却。正火：将钢加热至Ar3或Accm以上30~50℃，在空气中冷却。淬火：将钢加热至奥氏体化，再快速冷却（大于临界冷却速度）使其进行马氏体转变。回火：将钢加热到＜A1点的某一温度保温一段时间，再冷却。1.3.1工艺分类目的：改善钢的加工性能及组织结构，发挥钢的潜力，提高钢的使用性能，节约成本，延长工件的使用寿命Ac1：加热时珠光体(P)向奥氏体(-Fe)转变的温度；Ar1：冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；Ac3：加热时先共析铁素体(-Fe)均转变为奥氏体的终了温度；Ar3：冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度；Accm：加热时二次渗碳体(Fe3CⅡ)全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm：冷却时从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度。1.3.2热处理温度点、组织、铁碳平衡相图一、温度点（1）纯铁及铁基固溶体纯铁在固态下有-Fe、-Fe和a-Fe三种同素异构体。铁的三种同素异构体都可以溶解一定量的碳形成间隙固溶体。碳在-Fe中的固溶体称为铁素体，用符号F或表示。铁素体为体心立方晶格，其溶碳能力很低，在727°C时最高，为0.0218%,而在室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒。其性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性高。碳在δ-Fe中的固溶体称为δ铁素体，又称高温铁素体，用符号δ表示。δ铁素体也是体心立方晶格，其最大溶碳量为1495°C时的0.09%。1.3.2热处理温度点、组织、铁碳平衡相图二、钢的组织（1）纯铁及铁基固溶体碳在-Fe中的固溶体称为奥氏体，用符号A或表示。奥氏体为面心立方晶格，其溶碳能力比铁素体高，1148°C时最大，为2.11%。奥氏体也是不规则多面体晶粒，但晶界较直，如图所示。奥氏体强度低、塑性好，因而钢材的热加工都在奥氏体相区进行。碳钢室温下的组织中无奥氏体，但当钢中含有某些合金元素时，可部分或全部变为奥氏体组织。二、钢的组织铁素体组织400×奥氏体组织400×（2）渗碳体渗碳体（即Fe3C）是铁与碳的间隙化合物，含碳量为6.69%，用Fe3C或Cm表示。渗碳体的硬度很高（HB»800），塑性和韧性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、网状或球状存在。它的尺寸、形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。渗碳体是介稳相，在一定的条件下，它将发生分解：Fe3C®3Fe+C，所分解出的单质碳称为石墨，该分解反应对铸铁有着重要意义。由于碳在a-Fe中的溶解度很低，所以常温下碳在铁碳合金中主要以渗碳体或石墨的形式存在。二、钢的组织（3）珠光体珠光体是由奥氏体