模具材料及表面處理技術全套可編輯PPT課件

0緒論模具材料在模具工業中的地位1模具材料的發展概況2表面工程技術在模具工業中的地位3表面工程技術的發展概況與意義4學習本課程的目的51模具材料概論1.1模具及模具材料的分類模具的分類（1）冷作模具（2）熱作模具（3）型腔模具模具材料的分類（1）模具鋼（2）非鐵金屬材料（3）非金屬材料強度強度是表征材料變形抗力和斷裂抗力的性能指標，影響強度的因素較多。硬度與熱硬性硬度實際上是一種綜合的力學性能，因此，模具材料的各種性能要求，在圖樣上一般只通過標注硬度來表示。熱硬性是指模具在受熱或高溫條件下保持高硬度的能力。多數熱作模具和某些冷作模具應具有一定的熱硬性，才能滿足模具的工作要求。1.2模具材料的主要性能指標耐磨性磨損是一種復雜的過程，在模具中常遇到的磨損形式有磨料磨損、黏著磨損、氧化磨損和疲勞磨損等。韌性韌性是材料在沖擊載荷作用下抵抗產生裂紋的一個特性，反映了模具的脆斷抗力，常用沖擊韌度來評定。它不是單一的性能指標，而是強度和塑性的綜合表現。疲勞性能耐熱性耐蝕性

模具的失效形式模具的主要失效形式有磨損、斷裂、局部崩塊、腐蝕、疲勞和變形等。影響模具失效的因素（1）模具結構包括模具的幾何形狀、模具間隙、沖頭的長徑比、端面傾斜角、過渡角大小、模具中開設的冷卻水路、裝配結構等。1.3模具的失效形式及影響因素三種反擠壓模結構（2）模具材料必須滿足模具對塑性、韌性、強度、硬度、抗疲勞等性能的要求。（3）熱處理及加工制造工藝塔形熱擠壓凹模的早期斷裂模鍛斜度及圓角半徑對應力的影響模具材料與模具壽命模具材料對模具壽命的影響是模具材料種類、化學成分、組織結構、硬度和冶金質量等因素的綜合反映，其中材料種類和硬度影響最為明顯。鍛造與模具壽命鍛造的第一個目的是使鋼材達到模具毛坯的尺寸及規格，為后續加工做好準備。鍛造的第二個目的是改善模具鋼的組織和性能，使大塊碳化物破碎，并均勻分布，改善金屬纖維的方向性，使流線合理分布，消除或減輕冶金缺陷，提高模具鋼的致密度。1.4模具壽命熱處理與模具壽命熱處理可使模具獲得所需的組織和性能，保證在正常服役條件下有一定的使用壽命。

預備熱處理--淬火工藝--回火工藝2模具的失效分析2.1失效和失效分析失效（1）失效和事故（2）失效和可靠（3）失效件和廢品失效的分類（1）按功能分類（2）按材料損傷機理分類失效的分類（3）按機械失效的時間特征分類早期失效、突發失效（4）按機械失效的程度分類部分失效、完全失效（5）按機械失效的后果分類輕度失效、危險性（嚴重）失效、災難性（致命）失效失效分析的分類（1）狹義的失效分析（2）廣義的失效分析（3）新品研制階段的失效分析（4）產品試用階段的失效分析（5）定型產品使用階段的失效分析（6）修理品使用階段的失效分析失效分析預測和預防的地位與作用

失效分析預測和預防是從失敗入手著眼于成功和發展，是從過去入手著眼于未來和進步的科學技術領域，并且正向失效學這一分支學科方向發展。磨損——由于機械作用造成物體表面材料逐漸損耗。磨損失效——由于材料磨損引起的機械產品喪失的應有功能。磨粒磨損（1）磨粒磨損的分類：低應力劃傷式磨料磨損、高應力輾碎式磨料磨損、鑿削式磨料磨損（2）磨粒磨損機理：微觀切削、疲勞破壞、擠壓剝落（3）磨損的性能參量：磨損量、磨損率、磨損度、耐磨性、相對耐磨性（4）影響磨損的因素：硬度、磨粒尺寸、載荷2.2磨損失效磨粒磨損示意圖相對硬度的影響材料硬度影響黏著磨損（1）黏著磨損的機理（2）黏著磨損的形式：輕微黏著磨損、涂抹磨損、擦傷磨損、膠合磨損、咬死黏著點抗剪強度相當高（3）影響黏著磨損的因素：材料性質、表層性質、表面平均壓力、滑動速度、溫度、表面粗糙度、潤滑黏著磨損機理示意圖及磨痕照片

表面疲勞磨損（1）表面疲勞磨損的機理：裂紋從表面上產生和裂紋從表層下產生（2）影響磨損的因素：材料性能、硬度、表面粗糙度、摩擦力、潤滑腐蝕磨損氧化磨損、特殊介質腐蝕磨損表層裂紋擴展示意圖引言斷裂失效是機械產品最主要和最具危險性的失效，其分類比較復雜，一般有如下幾種：（1）按斷裂機理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂；（2）按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂；（3）按斷裂性質分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。在失效分析實踐中大都采用這種分類法。2.3斷裂失效韌性斷裂失效（1）定義：韌性斷裂又叫延性斷裂和塑性斷裂，即零件斷裂之前，在斷裂部位出現較為明顯的塑性變形（2）韌性斷裂機理與典型形貌在電子顯微鏡下觀察到的滑移分離形貌漣波形貌

滑移分離：韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變形，而塑性變形的普遍機理是滑移，即在韌性斷裂前晶體產生大量的滑移，過量的滑移變形會出現滑移分離。晶體材料產生滑移的形式是多種多樣的，主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波狀滑移、滑移碎化和滑移扭折等。滑移分離的宏觀斷口基本特征是：斷面呈45°角傾斜；斷口附近有明顯的塑性變形；滑移分離是在平面應力狀態下進行的。滑移分離的主要微觀特征是滑移線或滑移帶、蛇形花樣、漣波花樣和延伸區。韌窩斷裂：韌窩是金屬韌性斷裂的主要特征。韌窩又稱作迭波、孔坑、微孔或微坑等。典型的韌窩形貌（SEM）韌窩形核及擴展模型

等軸韌窩剪切韌窩撕裂韌窩拉長韌窩（3）韌性斷裂的宏觀特征與微觀特征韌性斷裂的宏觀特征：斷口附近有明顯的宏觀塑性變形,斷口外形呈杯錐狀,斷口表面呈纖維狀，其顏色呈暗灰色。韌性斷裂的微觀特征：在斷口上存在大量的韌窩（4）金屬零件韌性斷裂失效分析韌性斷裂失效分析的判據引起零件韌性斷裂失效的載荷性質分析韌性斷裂原因分析與預防零件韌性斷裂失效實例分析脆性斷裂失效斷裂失效是機械產品最主要和最具危險性的失效，其分類比較復雜，一般有如下幾種：（1）按斷裂機理分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂；（2）按斷裂路徑分為穿晶、沿晶和混晶斷裂；（3）按斷裂性質分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂。在失效分析實踐中大都采用這種分類法。

金屬構件脆性斷裂，其宏觀特征雖隨原因不同會有差異，但基本特征是相同的。金屬構件脆性斷裂主要有穿晶脆斷（解理與準解理）和沿晶脆斷兩大類。解理斷裂是金屬在正應力作用下，由于原子結合鍵被破壞而造成沿一定晶體學平面（即解理面）快速分離。準解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷裂形式。

板材構件脆性斷口宏觀特征

解理斷口上的小刻面解理小刻面的微觀形貌

裂紋AB向螺位錯CD擴展裂紋與螺位錯CD交割，形成臺階

解理臺階相互匯合示意圖

通過次生解理或撕裂而形成臺階

河流花樣形成示意圖

準解理裂紋形成機理示意圖

舌狀花樣

準解理斷面典型形貌

沿晶斷裂又稱晶間斷裂，它是多晶體沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面的分離，即沿晶界發生斷裂。按斷面的微觀形貌，通常可將沿晶斷裂分為沿晶韌窩斷裂和沿晶脆性斷裂。

沿晶韌性斷裂沿晶脆性斷裂

脆性斷裂失效分析與預防：要對零件斷裂的起源、裂紋擴展走向及載荷類型與速度等進行分析判斷。引起脆性斷裂失效的原因：有環境溫度、介質、加載速度、材料的晶體結構、顯微組織、應力大小與狀態等。預防脆性斷裂失效的措施：設計措施、制造工藝措施、使用措施。案例分析。

鋼的塑性-脆性轉變曲線疲勞斷裂失效工程構件在交變應力作用下，經一定循環次數后發生的斷裂稱作疲勞斷裂。交變應力與交變應變

應變循環

應力循環

應變-壽命曲線

S-N疲勞曲線

疲勞斷裂分類

疲勞斷裂過程可分為疲勞裂紋的萌生、穩定擴展以及失穩擴展斷裂三個階段，而疲勞裂紋的穩定擴展又可分為兩個階段。

疲勞條帶與小斷塊示意圖

疲勞斷裂過程示意圖

滑移帶中的擠出、擠入現象

塑性疲勞條帶與脆性疲勞條帶

塑性疲勞條帶形成機理示意圖

脆性疲勞條帶形成機理示意圖疲勞斷裂的宏觀分析：型的疲勞斷口按照斷裂過程的先后順序有3個明顯的特征區，即疲勞源區、擴展區和瞬斷區。疲勞斷裂的微觀分析：疲勞斷裂的微觀分析必須建立在宏觀分析的基礎上，它是宏觀分析的繼續和深化。微觀分析一般包括以下內容：疲勞源區的微觀分析，疲勞擴展區的微觀分析，瞬斷區微觀特征分析。

疲勞斷口的宏觀特征

疲勞弧線

引起疲勞斷裂的載荷類型分析：反復彎曲載荷引起的疲勞斷裂，拉-拉載荷引起的疲勞斷裂，扭轉載荷引起的疲勞斷裂

載荷的大小與類型對斷口宏觀形貌的影響

腐蝕疲勞斷裂分析：腐蝕疲勞斷裂是在腐蝕環境與交變載荷交互作用下發生的一種失效模式。環境因素、力學因素、材質冶金因素是影響腐蝕疲勞斷裂過程的相關因素。與一般疲勞斷裂一樣，腐蝕疲勞的斷口上也有源區、擴展區和瞬斷區，但在細節上，腐蝕疲勞斷口有其獨有的特征。

機械疲勞、腐蝕疲勞和應力腐蝕三者的關系

腐蝕疲勞斷口上的典型微觀形貌

熱疲勞斷裂失效分析：零件在沒有外加載荷的情況下，由于工作溫度的反復變化而導致的開裂叫作熱疲勞。提高疲勞抗力的措施：優化設計，合理選材，零件表面強化工藝，減少變形約束。

鋼絲斷口宏觀形貌

熱疲勞斷口上的典型微觀形貌

鋼絲斷口源區微觀形貌

斷裂是工程構件危險的一種失效方式；而脆性斷裂是最危險的一種失效方式。平面應力和平面應變的概念裂紋前端處的應力狀態不同，將顯著影響裂紋的擴展過程和構件的抗斷裂能力。若為平面應力狀態，則裂紋擴展的抗力較高；若為平面應變狀態，則裂紋擴展的抗力較低，易脆斷。2.4金屬的斷裂韌度

（a）平面應變（Z＝0）（b）平面應力（Z＝0）材料變形方式應力場強度因子KI和斷裂韌度KIC裂紋前端處的應力狀態不同，將顯著影響裂紋的擴展過程和構件的抗斷裂能力。若為平面應力狀態，則裂紋擴展的抗力較高；若為平面應變狀態，則裂紋擴展的抗力較低，易脆斷。（1）裂紋形態：張開型、滑開型、撕開型（2）裂紋尖端應力場強度因子KI（3）斷裂韌度KIC（4）斷裂判據（5）影響斷裂失效的主要因素：模具表面形狀、模具材料、加載速率與溫度

張開型（Ⅰ型）滑開型（Ⅱ型）撕開型（Ⅲ型）裂紋擴展的基本形式

平面應變狀態發展而來的平坦斷口表面概論金屬構件在靜載下的行為變形失效的分類金屬的彈性變形失效彈性變形的定義和特點：具有可逆的性質；在彈性變形過程中，有的材料彈性變形的應力和應變保持線性對應關系，有的材料則呈非線性的對應關系；金屬的彈性應變主要發生在彈性階段。彈性變形的物理過程：實際彈性變形量很小。2.5變形失效胡克定律彈性變形失效的特征及判斷依據：（1）失效的零件是否有嚴格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫的工作條件。（2）在分析失效零件時，應注意觀察在正常工作下相互不接觸的配合表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。（3）是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應的措施。（4）驗證是否有彈性變形失效的可能。（5）測量零件的彈性性能，若不符合設計要求，則認為是彈性變形失效。金屬的塑性變形失效塑性變形的定義和特點：各晶粒變形的不同時性，塑性變形量的不均一性，塑性變形的時間性，變形過程中伴隨著力學性能和其他物理、化學性能的改變。塑性變形的物理過程：金屬的塑性變形的方式主要有滑移、孿晶、晶界滑移和擴散性蠕變4種。塑性變形失效的特征及判斷依據：塑性變形一般是不允許在受力的零件上出現的，它的出現說明零件的受力已經過大。但也不是出現任何程度的塑性變形都必然導致失效。模具出現塑性變形失效的主要原因有以下幾方面：（1）模具材料的強度水平不高。（2）模具材料雖選擇正確，但熱處理工藝不正確，未能充分發揮模具鋼的強韌性。（3）沖壓操作不當，發生意外超載。失效分析預測預防的業務工作失效分析的業務工作有兩個方面：一是產品的失效分析；二是產品的安全度評定和剩余壽命的預測。前者是失效事后的分析，而后者是失效事前的分析。失效分析預測預防的研究工作（1）失效物理的研究工作。（2）失效機理的研究工作。（3）失效診斷的研究工作。（4）失效預防的研究工作。2.6失效分析的內容失效分析預測預防的管理和技術的反饋工作零件失效分析的意義：減少和預防同類機械零件失效現象的重復發生，保障產品質量，提高產品的競爭力；分析機械零件的失效原因，為認定事故責任、裁定賠償責任、修改產品質量標準等提供科學依據；為企業技術開發、技術改造提供信息，從而獲得更大的經濟效益。零件失效分析的步驟：事故調查--資料搜集--失效分析--分析結果提交首斷件的判定分析首斷件要遵循原則。主裂紋及裂紋源的判斷（1）“T”形法（2）分叉法（3）變形法（4）氧化顏色法（5）疲勞裂紋長度法

判別主裂紋的“T”形法示意圖A—主裂紋；B—二次裂紋

判別主裂紋的分叉法示意圖A—主裂紋；B，C，D—二次裂紋3冷作模具材料及熱處理工藝3.1冷作模具的失效形式與材料的性能要求冷沖裁模的工作條件、失效形式與性能要求性能要求是刃口強韌、耐磨。對于冷沖裁厚鋼板的沖頭，除要求具有強韌性、耐磨性外，還要求沖頭不變形、不折斷。冷鐓模的工作條件、失效形式與性能要求冷鐓模要求有足夠的硬度（凸模為60～62HRC，凹模為58～60HRC）、高的抗壓強度和高的沖擊韌度。

冷擠壓模的工作條件、失效形式與性能要求制作冷擠壓模的材料必須具有高的強韌性及良好的耐磨性。拉拔模及成型模的工作條件、失效形式與性能要求對拉拔模的主要性能要求是高的耐磨性，一般凸模硬度要求為58～62HRC，凹模硬度要求為62～64HRC，并且還要求具有良好的抗咬合性。對成型模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度為54～58HRC，凹模硬度為56～60HRC，但要求有較高的韌性。使用性能要求（1）良好的耐磨性（2）高強度（3）足夠的韌性（4）良好的抗疲勞性能（5）良好的抗咬合能力

3.2冷作模具對材料性能的要求工藝性能要求（1）可鍛性（2）可加工性（3）可磨削性（4）熱處理工藝性：淬透性、回火穩定性、脫碳傾向、過熱敏感性、淬火變形和開裂傾向等。

冷作模具材料的成分特點（1）鋼的含碳量：含碳量是影響冷作模具鋼性能的決定性因素。（2）合金化特點：冷作模具鋼的合金化特點是：加入強碳化物形成元素，獲得足夠數量的合金碳化物，并增加鋼的淬透性和回火穩定性，以達到耐磨性和強韌性的要求。錳、硅、鉻、鉬、鎢、釩、鈷、鎳

低淬透性冷作模具鋼（1）常用的碳素工具鋼有T7A、T8A、T10A、T12A，其中T7A為亞共析鋼，T8A為共析鋼，T10A、T12A為過共析鋼。力學性能--工藝性能--應用范圍（2）GCr15鋼是專用的軸承鋼之一，但也常用來制造冷作模具，如落料模、冷擠壓模和成型模等。力學性能--工藝性能3.3冷作模具材料及熱處理工藝（1）CrWMn鋼在淬火及低溫回火狀態下含有較多的碳化物，因而具有較高的硬度和耐磨性。（3）9SiCr鋼是一種專用刃具鋼，也可用來制造機床附件和冷作模具。低變形冷作模具鋼（高碳低合金）（2）9Mn2V鋼是利用錳、釩資源研制出來的不含鉻的冷作模具鋼。其中錳的質量分數高達1.7%～2.0%，主要是為了提高鋼的淬透性，但晶粒易長大。

力學性能--工藝性能--應用范圍（1）Cr12鋼具有較好的淬透性和良好的耐磨性，由于含碳量較高，容易形成不均勻的共晶碳化物，所以沖擊韌度較差，易脆裂。高耐磨微變形冷作模具鋼（2）Cr12MoV和Cr12Mo1V1（D2）鋼具有較好的淬透性，截面半徑為300～400mm的工件可完全淬透，并有很高的耐磨性。淬火時體積變化小，可用于要求高耐磨的大型復雜冷作模具。

力學性能--工藝性能--應用范圍（1）65Nb鋼是一種含鈮基體鋼，因碳含量的平均值為0.65%，故取名65Nb。鋼中合金元素Cr、W、Mo、V的含量設計取自淬火態的W6Mo5Cr4V2高速鋼的基體成分，合金元素在模具鋼中的作用與高速鋼中的作用相似。高強度高耐磨冷作模具鋼（2）7Cr7Mo2V2Si（LD）鋼是一種不含鎢的基體鋼。鋼中C、Cr、Mo、V的含量都高于高速鋼基體，所以鋼的淬透性和二次硬化能力都得到提高，未溶的VC能顯著細化奧氏體晶粒，提高鋼的韌性和耐磨性。（3）Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）鋼是一種含鋁的基體鋼。其綜合性能好、強韌性高、通用性強，是冷、熱兼用型模具鋼012Al鋼退火工藝曲線（4）6CrNiSiMnMoV（GD）鋼是一種碳化物偏析小而淬透性高的高強韌鋼。GD鋼的合金總量在4%（質量分數）左右，它是在CrWMn鋼的基礎上，適當降低含碳量，以減少碳化物偏析，同時添加Ni、Si、Mn，以提高基體的強度和韌性，其中少量的Mo、V可以細化晶粒，提高淬透性和耐磨性，并提高回火穩定性。GD鋼球化退火工藝曲線（5）火焰淬火冷作模具鋼7CrSiMnMoV（CH-1）鋼屬于火焰淬火鋼，用其制造大型、復雜的冷作模具。CH-1鋼可用于模具刃口部位，經氧-乙炔火焰加熱到淬火溫度，然后空冷即達到淬硬目的。CH-1鋼變形小，不需經過其他加工。GD鋼球化退火工藝曲線

8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）鋼是我國研制的易切削精密冷作模具鋼。在具有較高強度和韌性的調質狀態，8Cr2S鋼仍具有較好的切削加工性能，使模具在加工后可以直接使用，這對于形狀復雜或要求尺寸配合特別高的模具非常適用。易切削精密冷作模具鋼8Cr2MnWMoVS鋼球化退火工藝曲線8Cr2MnWMoVS鋼一般退火工藝曲線（1）9Cr6W3Mo2V2（GM）鋼屬萊氏體鋼，是一種制作精密、耐磨、高壽命冷作模具的新鋼種，其韌性和耐磨性均高于Cr12系列模具鋼。鋼中碳及鉻的含量只有Cr12MoV鋼的一半，大大降低了共晶碳化物的不均勻程度。高耐磨高強韌性冷作模具鋼淬火溫度對GM鋼及其他鋼硬度的影響GM鋼淬火、回火工藝曲線（2）Cr8MoWV3Si（ER5）鋼是在美國專利鋼種的基礎上研制的新型冷作模具鋼，與GM鋼有類似的性能，而耐磨損性能比GM鋼要好。與基體鋼相比，ER5鋼提高了C、Cr、V等的含量，使ER5鋼具有更高的耐磨性和強韌性。ER5鋼退火工藝曲線7Mn15Cr2Al3V2WMo無磁模具鋼（7Mn15），除具備一般冷作模具鋼的使用性能外，還具有在磁場中使用時有不被磁化的特性。高錳含量可提高奧氏體的穩定性，碳與鋼中的釩、鉻、鎢、鉬等元素形成合金碳化物，增加了鋼的耐磨性。特殊用途冷作模具鋼7Mn15鋼高溫退火工藝曲線（1）金屬陶瓷硬質合金：具有高的硬度、高的抗壓強度和高的耐磨性，脆性大，不能進行鍛造和熱處理，主要用于制作多工位級進模和大直徑拉深凹模的鑲塊。與鎢鈷鈦類硬質合金相比，鎢鈷類硬質合金有較好的強度和韌性，在模具中得到較廣泛的應用。硬質合金（2）鋼結硬質合金：鋼結硬質合金是以難熔金屬碳化物為硬質相，以合金鋼或高速鋼粉末為黏結劑，經混合壓制、燒結而成的粉末冶金材料，是一種新型模具材料。它的出現填補了工具鋼和普通硬質合金的空白。DT合金的熱處理工藝：鍛造工藝--退火工藝--淬火、回火工藝與普通硬質合金對比，DT合金在退火軟化后具有較好的切削加工性，可進行車、銑、刨、鉆、攻螺紋等各種切削加工。T合金性能優越，越來越多的DT合金用來制造冷鐓模、冷擠壓模、冷沖裁模、拉深模等，使用效果良好。

狀態力學性能硬度/HRC抗彎強度抗壓強度抗拉強度沖擊韌度彈性模量低溫淬火態62～642

500～3

600400～4

2001

500～1

60015～20等溫淬火態55～623

200～3

800240～2

800—18～25DT合金的力學性能冷作模具的熱處理工藝（1）冷作模具的制造工藝路線鍛造→球化退火→機械加工成型→淬火與回火→鉗修裝配鍛造→球化退火→機械粗加工→淬火與回火→精加工成型（凸模成型磨削、凹模電加工）→鉗修裝配鍛造→球化退火→機械粗加工→高溫回火或調質→機械加工成型→鉗工修配。（2）冷作模具的淬火：合理選擇淬火加熱溫度、淬火保溫時間、淬火冷卻介質，采用合適的淬火加熱保護措施。3.4冷作模具的熱處理工藝和熱處理特點（3）冷作模具鋼的強韌化處理工藝主要包括低淬低回、高淬高回、微細化處理、等溫和分級淬火等。還有形變熱處理、噴液淬火、快速加熱淬火、消除鏈狀碳化物組織的預處理工藝、片狀珠光體組織預處理工藝等，這些都可以明顯提高冷作模具鋼的強韌性。鋼

號常規淬火溫度/°C低淬低回強韌化處理工藝規范硬度/HRCCrWMn820～850800～810

°C

加熱，150

°C

熱油中冷卻10

min，210

°C

回火

1.5

h58～60Cr12970～990850

°C

預熱，930～950

°C加熱保溫后油冷，320～360

°C、1.5

h

回火兩次52～56Cr12MoV1

020～1

050980～1

000

°C

加熱保溫后油冷，400

°C

回火56～59W18Cr4V1

260～1

2801

200

°C

加熱保溫后油冷，600

°C、1

h回火兩次59～61W6Mo5Cr4V21

150～1

2001

160

°C

加熱保溫后油冷，300

°C

回火59～61幾種常用冷作模具鋼的低淬低回強韌化處理工藝規范主要冷作模具的熱處理特點（1）冷沖裁模的熱處理：薄板冷沖裁模、厚板冷沖裁模、冷剪刀。冷沖裁模的工作條件、失效形式、性能要求不同，其熱處理特點也不同。T12鋼制冷沖裁模的常規熱處理工藝曲線T12鋼制冷沖裁模的碳化物超細化處理工藝曲線（2）冷鐓模熱處理特點a對于碳素工具鋼制冷鐓模凹模，常采用噴水淬火法。b冷鐓模必須充分回火，回火保溫時間在2h以上，并進行多次回火，使其內應力全部釋放。c采用中溫淬火、中溫回火工藝。d采用快速加熱工藝。e采用表面處理。（3）冷擠壓模的熱處理特點a對于易斷裂、易脹裂、回火抗力和耐磨性要求不高的冷擠壓模，采用常規工藝的下限溫度淬火，再經回火。b對于高碳高合金鋼冷擠壓模，一般采用較長時間的回火或多次回火，消除應力，提高韌性，穩定尺寸。c對于以脆性破壞為主、韌性不足的冷擠壓模，采用等溫淬火工藝，然后再采用二次回火以減小內應力和脆性。d應用表面強化處理。e在使用過程中進行低溫去應力回火。（4）拉深模的熱處理特點a避免模具表面產生氧化脫碳。b對模具進行表面處理，如滲硼、滲氮、鍍硬鉻、滲釩等。鋼

號工

藝

規

范Cr12MoV①

1

030

°C

淬火＋200

°C

硝鹽分級

5～8

min＋160～180

°C

回火

3

h，硬度為

62～64

HRC②（1

050～1

080

°C）×2

h

油淬＋500

°C×2

h

回火

3

次＋450～480

°C離子滲碳QT500-7600～650

°C

預熱＋（890

°C±10

°C

入鹽水中冷至

550

°C，入油中冷至250

°C，入熱油（180～220

°C）進行分級淬火＋160～180

°C

回火

5～7

h7CrSiMnMoV890

°C

油淬＋200

°C

回火

2

h，硬度為

60～62

HRC典型拉深模的熱處理規范冷作模具材料的選用原則（1）滿足模具的使用性能要求（2）考慮模具材料的工藝性能（3）經濟性沖裁模具材料的選用

沖裁模具材料的選用應考慮：模具壽命的高低；沖壓件的材質；沖壓件的產量；材料價格以及模具材料費占模具總費用的份額。3.5冷作模具材料的選用拉深模具材料的選用（1）小批量生產，可選表面淬火鋼或鑄鐵。（2）輕載拉深模，可選T10A、9Mn2V、CrWMn等鋼。（3）重載拉深模，應選用強度較高的Cr12等鋼。彎曲模具材料的選用

（1）小件彎曲、卷邊、成型用模具，因承受負荷較輕，磨損較小，均可選用45、T10A、GD鋼。（2）中件彎曲、卷邊、成型用模具，承受負荷較大，磨損較劇烈。拉絲模具材料的選用（1）拉鋁、銅合金細絲用模具，可選T10A、T12A、6W6鋼。（2）拉非鐵金屬的粗棒或鋼絲，應選用Cr12、Cr12Mo1V1、ER5、GM鋼和硬質合金等。冷擠壓模具材料的選用

按被擠壓金屬的流動方向與擠壓凸模運動方向之間的關系，可將冷擠壓模具分為正擠壓、反擠壓和復合擠壓3種。冷鐓模具材料的選用（1）一般載荷冷鐓模具。（2）重載冷鐓模具。冷沖模結構零件材料的選用

零件名稱材料牌號熱處理硬度/HRC上、下模座HT200、Q235、ZG310-570

模柄Q275

導柱20、T10A（滲碳）淬火、回火60～62導套20、T10A（滲碳）淬火、回火57～60凹、凸模固定板Q235、Q275

承料板Q235

卸料板Q275

導料板45淬火、回火43～48導料銷45、T7A淬火、回火43～48或52～56導正銷、定位銷T7、T8淬火、回火52～56墊板45、T8A淬火、回火43～48或54～58螺釘45

銷釘45、T7

推桿、頂板、頂桿45淬火、回火43～48拉伸模壓料圈T8A淬火、回火54～58定位板45、T8淬火、回火43～48或52～56楔塊、滑塊T8A、T10A淬火、回火60～62彈簧65Mn、60Si2Mn淬火、回火40～45冷沖模結構零件材料的選用3.6冷作模具材料選用實例光欄片上沖模簡圖CrWMn鋼光欄片上沖模淬火、回火工藝T10鋼組合凹模T10鋼組合凹模的淬火工藝曲線4熱作模具材料及熱處理工藝4.1熱作模具的失效形式與材料的性能要求變形失效

斷裂失效

熱疲勞失效

熱磨損失效

4.2熱作模具對材料性能的要求及其成分特點熱作模具的使用性能要求（1）較高的高溫強度和良好的韌性。（2）良好的耐磨性能。（3）高的熱穩定性。（4）優良的耐熱疲勞性。（5）高淬透性。（6）良好的導熱性。熱作模具的工藝性能要求鍛造成型性、淬火工藝性和切削工藝性。熱作模具的成分特點熱作模具鋼的成分與合金調質鋼相似，一般碳的質量分數小于0.5%（個別鋼種碳的質量分數可達0.6%～0.7%），并含有Cr、Mn、Ni、Si等合金元素。碳含量低可保證其具有足夠的韌性。4.3熱作模具鋼及熱處理工藝熱作模具鋼的分類按用途錘鍛模和大型機鍛模用鋼中、小機鍛模和熱擠壓模用鋼壓鑄模用鋼熱沖裁模用鋼錘鍛模和大型機鍛模用鋼中、小機鍛模和熱擠壓模用鋼壓鑄模用鋼熱沖裁模用鋼按工作溫度低耐熱鋼（350～370C）中耐熱鋼（550～600C）高耐熱鋼（580～650C）錘鍛模和大型機鍛模用鋼中、小機鍛模和熱擠壓模用鋼壓鑄模用鋼熱沖裁模用鋼按性能高韌性熱作模具鋼高熱強熱作模具鋼高耐磨熱作模具鋼常用熱作模具鋼及其熱處理工藝（1）錘鍛模及大型機鍛模用鋼與熱處理錘鍛模在工作中受到高溫、高壓、高沖擊負荷的作用。錘鍛模和大型機鍛模的主要失效形式是氧化磨損、斷裂、熱疲勞裂紋等。該類模具的制造工藝路線一般為：下料→鍛造→退火→機械粗加工→探傷→機械加工或電火花加工成型→淬火、回火→鉗修→拋光。模具類型模面硬度（新規定）/HRC模面硬度（舊規定）/HRC燕尾硬度/HRC小型42～3947～4235.0～39.5中型42～3942～3932.5～37.0大型40～3540～3530.5～35.0特大型37～3437～3427.5～35.0各類錘鍛模的硬度選擇范圍（2）熱擠壓模及中、小型機鍛模用鋼與熱處理熱擠壓模工作時，受到壓應力、彎曲應力和脫模的拉應力作用。中、小型機鍛模的工作條件與熱擠壓模相近，所不同的是所受到的沖擊載荷比熱擠壓模大。這類模具的制造工藝路線一般為：下料→鍛造→預先熱處理→機械加工成型→淬火、回火→精加工。鉻系熱作模具鋼化學成分鋼

號化學成分（質量分數，%）CSiMnPSCrWMoV4Cr5MoSiV0.33～0.430.80～1.200.20～0.50≤0.030≤0.0304.75～5.50

1.10～1.650.30～0.604Cr5MoSiV10.32～0.450.80～1.200.20～0.50≤0.030≤0.0304.75～5.50

1.10～1.750.80～1.204Cr5W2VSi0.32～0.420.80～1.20≤0.40≤0.030≤0.0304.75～5.501.60～2.40

0.60～1.00（3）壓鑄模用鋼及熱處理具有較高的耐熱性、良好的高溫力學性能、優良的耐熱疲勞性、高的導熱性、良好的抗氧化性和耐蝕性、高的淬透性等。常用的壓鑄模用鋼以鎢系、鉻系、鉻鉬系和鉻鎢鉬系熱作模具鋼為主。①一般壓鑄模：鍛造→退火→機械粗加工→穩定化處理→精加工成型→淬火及回火→鉗工修配。②形狀復雜、精度要求高的壓鑄模：鍛造→退火→粗加工→調質→電加工或精加工成型→鉗工修磨→滲氮（或軟氮化）→研磨拋光。

3Cr2W8V鋼制壓鑄模的幾種熱處理工藝熱處理規范硬度/HRC應用范圍

40～4444～48承受一定沖擊載荷，要求韌性較高的模具

40～4444～48要求熱硬性較高的模具

40～48大型、簡單模具模具類型及其零件名稱推薦選用的材料牌號可代用的材料牌號要求的硬度HBWHRC熱切邊模凸模8Cr3、4Cr5MoSiV、5Cr4W5Mo2V5CrMnMo、5CrNiMo、5CrMnSiMoV

35～40凹模

43～45熱沖孔模凸模8Cr3

368～415

凹模8Cr3

321～368熱沖裁模的材料選用舉例及其要求的硬度4.4其他熱作模具材料硬質合金高溫合金難熔金屬合金壓鑄模用鋼合金種類牌

號化學成分（質量分數，%）CSiMnCrMoTiAlNiCoFe其他鐵基A-2860.050.51.35151.252.00.226

其余V0.3鎳基Waspaloy0.08

194.43.01.3其余13.5

Zr0.08、B0.008鎳基EX0.050.20.2146.03.01.2其余4.028.85

鈷基S-8160.38

204

20其余4W4、Cd4幾種高溫合金的牌號和化學成分4.5熱作模具的強韌化處理熱作模具的高溫淬火熱作模具的復合熱處理

復合強韌化處理（雙重淬火法）和復合等溫處理5CrNiMo、5CrMnMo鋼的復合等溫處理工藝熱作模具熱處理實例4Gr5MoSiV1鋼制凸輪軸鍛模的熱處理工藝

5橡塑模具材料及熱處理工藝5.1塑料模具的失效形式與材料的性能要求塑料成型模具的分類及工作條件根據塑料的熱性能和成型方法的不同，塑料成型模具分為兩大類：熱固性塑料成型模具和熱塑性塑料成型模具。模具名稱工作條件特

點熱固性塑料壓模溫度為200～250

°C、受力大、易磨損、易腐蝕壓制各種膠木粉，一般含大量固體填充劑，多以粉末直接放入壓模，熱壓成型，受力較大，磨損較重熱塑性塑料注射模受熱、受壓、受磨損，但不嚴重。部分產品含有氯及氟，在壓制時放出腐蝕性氣體，腐蝕型腔表面通常不含固體填料，以軟化狀態注入型腔，當含有玻璃纖維填料時，會加劇型腔磨損熱固性塑料壓模和熱塑性塑料注射模的工作條件及特點

塑料模具的主要失效形式

表面磨損塑性變形斷裂模具型腔表面粗糙度惡化模具型腔尺寸超差型腔表面侵蝕

橡塑模具材料的性能要求使用性能要求（1）合適的強度與韌性。（2）足夠的硬度與耐磨性。（3）良好的耐腐蝕性能。（4）良好的耐熱性和尺寸穩定性。（5）材料應高度純凈，組織均勻致密。加工工藝性能要求（1）良好的機械加工性能。（2）良好的鏡面加工性能和表面裝飾紋加工性能。（3）應具有良好的熱加工性能。（4）焊接修補方便。（5）良好的電加工性能。5.2橡塑模具材料的分類及熱處理橡塑模具材料的分類

模具鋼、非鐵合金、鋼結硬質合金、鎳基合金類

別鋼

種類

別鋼

種滲碳型20、20Cr、20Mn、12CrNi3A、20CrNiMo、DT1、DT2、0Cr4NiMoV預硬型3Cr2Mo、Y20CrNi3AlMnMo（SM2）、5NiSCu、Y55CrNiMnMoV（SM1）、4Cr5MoSiVS、8GCr2MnWMoVS（8Gr2S）調質型45、50、55、40Cr、40Mn、50Mn、S48C、4Cr5MoSiV、38CrMoAlA耐蝕型3Cr13、2Cr13、Cr16Ni4Cu3Nb（PCR）、1Cr18Ni9、3Cr17Mo、0Cr17Ni4Cu4Nb（74PH）淬硬型T7A、T8A、T10A、5CrNiMo、9SiCr、9CrWMn、GCr15、3Cr2W8V、Cr12MoV、45Cr2NiMoVSi、6CrNiMnMoV（GD）時效強化型18Ni140級、18Ni170級、18Ni210級、10Ni3MnCuAl（PMS）、18Ni9Co、06Ni6CrMoVTiAl、25GrNi3MoAl塑料模具用鋼分類

滲碳型橡塑模具鋼

12CrNi3鋼20Cr2Ni4鋼0Cr4NiMoV（LJ）鋼預硬型橡塑模具鋼3Cr2Mo（P20）鋼3Cr2NiMo（P4410）鋼8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）鋼5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）鋼Y55CrNiMnMoV（SM1）鋼特點、工藝性能特點、工藝性能、力學性能、實際應用

時效硬化型橡塑模具鋼

時效硬化型橡塑模具鋼主要包括兩種類型，即馬氏體時效鋼和析出硬化型時效鋼。

馬氏體時效鋼

析出硬化型時效鋼

25CrNi3MoAl鋼06Ni6CrMoVTiAl（06Ni）鋼18Ni類鋼10Ni3CuAlMoS（PMS）鋼Y20CrNi3AlMnMo（SM2）鋼

耐蝕型塑料模具鋼

高碳高鉻型耐蝕鋼中碳高鉻型耐蝕鋼（4Cr13）低碳鉻鎳型耐蝕鋼（1Cr17Ni2）0Cr16Ni4Cu3Nb（PCR）鋼

特點、工藝性能、力學性能、實際應用其他橡塑模具材料非鐵合金鋼結硬質合金低熔點合金鋅合金鋁合金銅合金5.3塑料模具的熱處理工藝塑料模具的制造工藝路線低碳鋼及低碳合金鋼制模具：下料→鍛造模坯→退火→機械粗加工→冷擠壓成型→再結晶退火→機械精加工→滲碳→淬火、回火→研磨拋光→裝配高合金滲碳鋼制模具：下料→鍛造模坯→正火并高溫回火→機械粗加工→高溫回火→機械精加工→滲碳→淬火、回火→研磨拋光→裝配調質鋼制模具：下料→鍛造模坯→退火→機械粗加工→調質→機械精加工→修整、拋光→裝配碳素工具鋼及合金工具鋼制模具：下料→鍛造模坯→球化退火→機械粗加工→去應力退火→機械半精加工→淬火、回火→機械精加工→研磨拋光→裝配預硬鋼制模具：下料→改鍛→球化退火→刨或銑六面→預硬處理（34～42HRC）→機械粗加工→去應力退火→機械精加工→拋光→裝配

塑料模具的熱處理特點塑料模具的表面處理

鋼

號加熱溫度/°C冷卻方式回火溫度/°C預硬硬度/HRC3Cr2Mo830～840油冷或160～180

°C硝鹽分級580～65028～365NiSCa880～930油冷550～68030～458Cr2MnWMoVS860～900油冷或空冷550～62042～48P4410830～860油冷或硝鹽分級550～65035～41SM1830～850油冷620～66036～42鋼號固溶處理工藝時效處理工藝時效硬度/HRC06Ni6CrMoVTiAl800～850

°C油冷（510～530

°C）×（6～8

h）43～48PMS800～850

°C空冷（510～530

°C）×（3～5

h）41～4325CrNi3MoAl880

°C水淬或空冷（520～540

°C）×（6～8

h）39～42SM2900

°C×2

h油冷＋700

°C×2

h510

°C×10

h39～40PCR1

050

°C

固溶空冷（460～480

°C）×4

h42～44部分預硬鋼的預硬處理工藝部分時效硬化型塑料模具鋼的熱處理規范

5.4塑料模具材料的選用與實例塑料模具材料的選用

根據塑料制品種類和質量要求選用根據塑料件生產批量選用根據塑料件的尺寸大小及精度要求選用根據塑料件形狀的復雜程度選用零件名稱鋼

種硬

度零件名稱鋼

種硬

度導柱、導套、斜導柱T8、T10、T12、Cr12、CrWMn、GCr15

推桿、推套、流道拉桿CrWMn、T10、T12、38CrMoAl

動模板、動模座板、定模板、定模座板、流道推板、推件板45、50、55、40Cr、42CrMo、50、55、T8、40Cr185～235

HRC鎖緊塊、擋塊50、55、T10、T1252～56

HRC拉桿、拉板45、50125～235

HB定位圈、定位銷50、55、T8185～235

HB推板、墊板45、50125～235

HRC彈簧65Mn52～56

HRC澆口套T8、T10、42CrMo>

40

HRC限位螺釘、滑座45、50、55183～235

HB支腳、支柱45、50125～235

HB復位桿50、55、T840～45

HRC斜楔T8、T10、T1250～55

HRC塑料模具結構零件材料選用舉例

橡塑模具材料選用與熱處理實例

12CrNi3A鋼制開膠木模及最終熱處理工藝CrWMn鋼模套及熱處理工藝6模具的表面處理技術6.1表面處理技術概述按作用原理分按表面強化層材料分按工藝特點分按表面改性的目的或性質分材料表面工程技術的分類圖

在模具材料的表面，通過某些方式，將新的材料覆蓋在模具原來材料的表面，從而發揮新的功能。6.2常用的表面處理技術途徑表面覆蓋技術電鍍真空蒸鍍堆焊熔結電火花涂敷離子鍍熱浸鍍搪瓷涂敷陶瓷涂敷熱噴涂塑料粉末涂敷濺射鍍黏結涂裝化學鍍電刷鍍化學氣相沉積分子束外延離子束合成薄膜化學轉化膜熱燙印暫時性覆蓋處理

表面改性技術噴丸強化表面熱處理化學熱處理等離子擴滲處理（PDT）激光表面處理電子束表面處理高密度太陽能表面處理離子注入表面改性6.3模具材料表面的熱處理技術（1）整體熱處理技術：多數模具需要整體熱處理，如壓鑄模、鍛模、冷鐓模和部分沖模等。（2）表面淬火：表面淬火適用于變形小、工件尺寸較大、其余部分起輔助作用的場合。（3）深冷處理：一些模具經深冷處理后顯著提高了使用壽命。（4）滲碳、滲氮、滲硼和滲金屬處理：化學熱處理能有效提高模具表面的耐磨性、耐蝕性、抗咬合性和抗氧化性等性能。6.4常用的模具材料表面改性技術

表面噴涂技術是用氧氣、乙炔將物質等噴在模具表面。涂料與基體結合堅固，可以實現提高表面厚度和增加耐磨性的目的。7金屬表面形變強化7.1金屬表面的強化機理通過機械手段在金屬表面產生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，從而使表面層硬度、強度提高，并引入高的殘余壓應力的一種表面技術。7.2金屬表面強化的主要方法噴丸強化（1）噴丸強化設備：機械離心式噴丸機和氣動噴丸機（2）噴丸材料：鋼絲切割丸、鑄鐵丸、鑄鋼丸、玻璃丸、陶瓷丸、塑料丸、液態噴丸介質硬化層結構變化殘余應力噴丸形變硬化層結構和應力變化示意圖

（3）選擇噴丸參數的原則丸粒的選擇、噴射距離及角度、噴射時間（4）噴丸強化后對零件的影響在離心力拋丸強化中，拋頭工藝變量對強化效果的影響。直接壓力式噴丸強化中工藝變量對強化效果的影響。

錘擊強化超聲波沖擊強化激光沖擊強化滾壓強化超聲波強化技術原理多個滾輪滾壓7.3表面形變強化的應用表面形變強化在改善材料疲勞性能中的應用碳鋼的疲勞強度和抗拉強度之間的關系表面形變強化在改善腐蝕疲勞和應力腐蝕性能中的應用Cr7Ni2A馬氏體不銹鋼不同加工處理的弓形試樣噴丸前后的應力腐蝕斷裂時間（NaCl3%水溶液）8熱擴滲技術8.1熱擴滲技術分類對于鋼鐵材料而言，可以根據熱擴滲的溫度分為高溫、中溫和低溫熱擴滲。按滲入元素化學成分的特點，將熱擴滲技術分為非金屬元素熱擴滲、金屬元素熱擴滲、金屬-非金屬元素多元共滲和通過擴散減少或消除某些雜質的擴散退火。滲入非金屬元素滲入金屬元素滲入金屬-非金屬元系擴散消除某元素單元多元單元多元CN+CAlAl+CrTi+CHNN+SZnAl+ZnTi+NOSN+OCrAl+TiCr+CCBN+C+STi

Al+Si雜質ON+C+OV

Al+Cr+Si

BiN+C+BNb

熱擴滲技術按滲入元素成分分類

熱擴滲技術按工藝特點分類8.2熱擴滲層形成的基本條件及機理滲層形成的基本條件第一，溶質原子與基材金屬原子相對直徑的大小、晶體結構的差異、電負性的大小等因素必須符合一定條件；第二，被滲的元素與基材之間必須有直接接觸，一般通過設計相應的工藝或創造不同工藝條件來實現；第三，被滲元素在基體金屬中要有一定的滲入速度。

滲層形成機理（1）產生滲劑元素的活性原子并提供給基體金屬表面。活性原子的提供方式包括熱激活能和化學反應。（2）在基體金屬表面上的滲劑元素的活性原子發生吸附，隨后被基體金屬所吸收，形成最初的表面固溶體或金屬間化合物，從而建立熱擴滲所必需的濃度梯度。（3）滲劑元素原子向基體金屬內部擴散，基體金屬原子也同時向滲層中擴散，逐漸使熱擴滲層增厚，實際上熱擴滲層的成長過程是個擴散過程。8.3影響熱擴滲速度的主要因素

影響化學反應速度的主要因素有反應物濃度、反應溫度和活化劑（催化劑）等。影響熱擴滲擴散速度的主要因素為熱擴滲溫度與時間，并且擴滲過程中升高溫度較延長時間更為有效。反應擴散可以從一開始就形成某種化合物，擴散層的相組成和各相化學成分取決于組成該合金系統的相圖。元素B在金屬A表面飽和時滲層的形成過程8.4固體熱擴滲技術固體熱擴滲的基本特點相比較而言，固體熱擴滲的設備較簡單，滲劑配制也容易，可以實現多種元素的熱擴滲，而且適用于形狀復雜的工件，并能實現局部表面的熱擴滲。但這種方法能耗大，熱效率和生產效率低，工作環境差，工人勞動強度大，滲層組織和深度都難以控制，因此，不符合清潔生產和節能的要求。

固體滲硼技術是將硼元素滲入零件表面的熱擴滲工藝。固體滲硼技術在模具中、工具中和某些特殊零件中得到較好應用。滲硼層硼含量和硬度沿深度變化曲線20鋼滲硼的金相組織照片（950C×2h）

機械能助滲熱擴滲技術機械能助滲能降低擴滲溫度、提高擴滲速度一是因為改變了傳熱方式，二是因為改變了熱擴散機制。機械能助滲利用能量與熱（溫度）相結合，改變了擴散機制，由點陣擴散變為點陣缺陷擴散，致使擴散激活能降低，擴滲溫度大幅度降低，擴滲時間縮短，節能效果顯著。機械能助熱擴滲裝置示意圖8.5液體熱擴滲技術（1）液體熱擴滲的基本特征（2）低溫鹽浴共滲技術（3）硼砂熔鹽金屬覆層技術鹽浴法熱浸法熔燒法序號工藝鹽浴組成（質量分數）滲層厚度/mm擴散層外觀顏色1滲鉻10%鉻粉+90%無水硼砂17.5銀灰色2滲鉻12%三氧化二鉻+5%鋁粉+83%無水硼砂14.7銀灰色3滲釩10%釩粉+90%無水硼砂24.5銀灰色4滲釩10%釩鐵+90%無水硼砂22淺金黃色5滲釩10%五氧化二釩+5%鋁粉+85%無水硼砂17.2淺金黃色6滲鈮10%鈮粉+90%無水硼砂20淺金黃色7滲鈮15%五氧化二鈮+5%鋁粉+80%無水硼砂17.2淺金黃色8滲鉭10%鉭粉+90%無水硼砂17.2淺金黃色硼砂熔鹽滲硼常用滲劑和滲層特性（T12鋼1000C×5.5h）8.6氣體熱擴滲技術（1）氣體熱擴滲的基本特征（2）氣體滲碳氣體滲碳過程示意圖20GrMnTi鋼表面硬度和碳含量曲線連續式作業吸熱式可控氣氛滲碳工作示意圖

（3）氣體滲氮（4）碳氮共滲（5）氣體多元共滲滲氮層各相特性名稱本質及化學式晶體結構wN主要性能a相含氮鐵素體體心立方590

°C

時為0.10%，室溫時降至0.004%有鐵磁性g相含氮奧氏體面心立方≤2.86%在590

°C

時有共析轉變，慢冷時發生g→a+g￠g￠相Fe4N為基的固溶體面心立方5.30%～5.70%鐵磁相，硬度較高，脆性小e相Fe2～3N為基的固溶體

4.55%～11.0%鐵磁相，650

°C發生共析分解e→g+g￠z相化學當量為Fe2N的化合物斜方11.07%～11.18%具有高脆性8.7等離子體熱擴滲技術（1）等離子體熱擴滲的基本特征離子轟擊工件使其表面高度活化，易于吸收被滲離子和隨離子一起沖擊工件表面的活性原子，因而熱擴滲速度加快。通過調節電參數、滲劑氣體成分和壓力等參數來控制熱擴滲層的組織，使其滿足工況要求。離子轟擊作用可以去除工件表面的氧化膜和鈍化膜，使易氧化或鈍化的金屬（如不銹鋼等）能進行有效熱擴滲。易實現工藝過程的計算機控制。

（2）等離子體熱擴滲原理

輝光放電的電位差和光強度特性輝光放電時的巴興曲線氣體放電的伏安特性曲線

（3）離子滲氮影響離子滲氮層的主要因素：溫度、時間、氣體成分和爐氣氣壓、輝光放電電壓和電流密度離子滲氮裝置示意圖不同鋼種離子滲氮后硬度曲線8.8稀土共滲技術稀土元素在提高滲碳速度、增大滲層厚度、改善滲層組織和性能方面具有良好作用。稀土元素對加速熱擴滲進程、改善表面滲層的微觀組織、提高滲層的綜合力學性能等方面具有重要的作用。9表面淬火（1）表面應力最大（2）表面應力集中最大（3）表面最容易發生變形（4）磨損發生在表面（5）腐蝕從表面開始扭轉試樣沿橫截面的應力分布軸的圓孔處應力分布9.1表面淬火工藝分類實現表面淬火的基本條件

要實現表面淬火，必須采用快速加熱的方法，造成大的溫度梯度，在表層一定深度內獲得奧氏體，而芯部保持原有組織不變。表面淬火方法分類能量密度的不同能量來源的不同低能量密度加熱高能量密度加熱內熱源加熱外熱源加熱

加熱表面淬火火焰加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火加熱時的供熱方法的不同電解液加熱表面淬火激光加熱表面淬火電子束加熱表面淬火離子束加熱表面淬火鹽浴加熱表面淬火紅外線聚焦加熱表面淬火高頻脈沖電流感應加熱表面淬火太陽能加熱表面淬火9.2表面淬火中快速加熱的相變特點提高相變臨界溫度

奧氏體起始晶粒得到細化鋼在不同加熱速度下的加熱曲線加熱速度對45鋼的奧氏體起始晶粒大小的影響

奧氏體成分均勻性降低

要達到合金元素的均勻化，就需加熱到更高的溫度，這就容易造成過熱，因此一般高合金鋼不適合快速加熱。降低過冷奧氏體的穩定性鎳鉻鋼在感應加熱和爐中加熱的奧氏體等溫轉變C曲線鋼在感應加熱和普通加熱兩種情況下的過冷奧氏體等溫轉變C曲線

自回火現象

自回火是利用工件的內外溫差造成的溫差使得淬火部分達到自回火。45鋼高頻淬火后距表面1.5mm處的不均勻馬氏體組織9.3表面淬火后的組織和性能表面淬火后的組織

表面殘余應力45鋼感應加熱溫度與淬火后組織和硬度的關系45鋼表面淬火試樣軸向殘余應力分布曲線45鋼試樣在淬硬區邊界上的硬度和殘余應力

表面淬火后的性能（1）表面硬度碳質量分數對高頻淬火硬度的影響CrWMn鋼表面硬度與淬火溫度的關系表面硬度與加熱溫度的關系

（2）耐磨性（3）疲勞強度感應淬火與普通淬火耐磨性的對比40Cr鋼不同熱處理狀態下的疲勞強度對比（光滑試樣）表面硬度與加熱溫度的關系熱處理方法疲勞強度/MPa正

火200調

質240調質＋表面淬火（d＝0.5

mm）290調質＋表面淬火（d＝0.9

mm）330調質＋表面淬火（d＝1.5

mm）480試樣形式疲勞強度/MPa調質調質＋表面淬火f20

mm光滑試樣450～480630f20

mm缺口試樣140600C＝0.74%鋼硬化層深度對疲勞斷裂周次的影響9.4感應加熱表面淬火

感應加熱表面淬火是待工件放在通有交流電的感應線圈中，利用電磁感應原理使零件在交變磁場中切割磁力線，在工件表面產生感應電流，使工件表面快速升溫然后迅速冷卻的淬火方法。感應加熱的基本原理（1）電磁感應

工件表面吸收的功率與工件圓柱的半徑、感應器中通過的電流平方以及被加熱材料的電阻率、磁導率和電流頻率三者乘積的平方根成正比。

（2）表面效應（集膚效應）表面效應是高頻率電流的最基本特性。在20C時：（mm）在800C時：（mm）渦流由表面向內部的實際變化電流平均的透入深度電流平方變化鋼的磁導率、電阻率與加熱溫度的關系

（3）感應加熱的物理過程感應加熱的優點：表面溫度超過A2點后，最大渦流密度區移向內層，表面的加熱速度下降；加熱迅速，熱損失小，熱效率高；熱量分布較陡，淬火后的過渡層較窄，使表面壓應力提高。傳導式加熱特點：加熱速度慢，容易過熱；加熱溫度曲線較透入式加熱平緩，熱損失大、熱效率低，為20%～50%；過渡區較寬，表面殘余壓應力較小。工件表面高頻加熱時渦流密度和溫度與距離的關系

（4）鄰近效應高頻電流的鄰近效應帶導磁體的感應器加熱內孔時高頻電流和渦流的相對位置高頻電流的環狀效應

感應加熱工藝（1）預先熱處理（2）合理選擇比功率工件比功率與設備比功率的關系為T8鋼感應加熱淬火回火后的力學性能與原始組織的關系原始組織回火溫度/°C力學性能sa/MPasb/MPay/%正火2102

6502

86018調質2

7002

90020淬火2

6502

83015正火3002

3502

56030調質2

3502

550淬火2

3002

520

（3）淬火加熱溫度及加熱方法的選擇（4）冷卻方式及冷卻介質的選擇常用的冷卻方法有浸液冷卻法和噴射冷卻法。感應淬火的冷卻介質有水、油及水溶性淬火介質等。

45鋼淬火溫度與硬度的關系45鋼感應加熱淬火最佳工藝規范

（5）回火工藝規范的確定爐中回火

常用結構鋼表面淬火后爐中回火工藝規范鋼號要求硬度/HRC淬火后硬度/HRC回火溫度/°C回火時間/min4540～45≥50280～30045～60≥55300～32045～6045～50≥50200～22045～60≥55200～25045～6050～55≥55180～22045～605053～6054～60160～1806040Cr45～50>

50240～26045～60>

55260～28045～6050～55>

55180～20060～9042SiMn45～50

220～25045～6050～55180～22060～9015，20Cr，20CrMnTi56～6256～62180～20060～120

自行回火：利用余熱的一種短時間回火，由于時間很短，達到同樣的硬度條件下自回火溫度比爐中回火要高。對于形狀簡單或大批量生產的工件可以采用自回火。感應加熱回火：可提高生產率和自動化水平，它最重要特征是回火時間短，因此要達到相同的硬度，回火溫度較高。

9.5其他高能密度加熱淬火火焰加熱表面淬火設備簡單、費用低、操作方便、靈活性大；火焰加熱溫度高，加熱速度快，加熱時間短，硬化層淺，溫度及淬硬層深度的測量和