模具材料及表面处理.doc

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《 模具材料及表面处理》
实 训 实 验 指 导 书

李淑英 编 写

适用专业：模具设计与制造

衡阳财经工业职业技术学院

目录
一、基本要求 1
二、实验实训内容及学时数 1
三、实训方式、方法 1
四、实验操作内容 2
实验1 金属力学性能试验 2
实验2 铁碳合金的平衡组织观察 4
实验3 钢的热处理 6
实验4 热处理工艺对工模具钢性能的影响 7
实验5 结构钢的淬透性测定 8

模具材料及表面处理实训（实验）教学指导书
一、基本要求
由于本门课程具有实践性强的特点，为加深学生对所学知识的理解，应使学生对力学性能测定的基本原理及方法，钢的力学性能与成分、组织之间的关系及其热处理对材料力学性能的影响和热处理生产的实践操作应有一定的认识，特安排以下实验教学与选材实训，有条件的可以安排下厂参观。
二、实验实训内容及学时数
序号
实验实训项目名称
学时
1
拉伸及硬度试验
2
2
冲击试验
2
3
金相实验
2
4
热处理实验
10
5
冷作模具选材实训
4
6
热作模具选材实训
4
7
塑料模具选材实训
2
8
模具失效分析
2
合计

28
三、实训方式、方法
主要采用实验室、热处理现场教学和现场操作训练。使学生对力学性能、热处理知识及热处理设备有直观地认识。实训项目与实际产品相结合，培养学生解决生产实际问题的能力。
四、实验操作内容
实验1 金属力学性能试验
Ⅰ 拉伸试验
[实验目的]
1． 测定金属的强度指标（屈服极限σs抗拉极限σb）和塑性指标（伸长率δ及断面收缩率ψ）。
2． 加深对碳钢拉伸曲线的理解。
3． 了解万能试验机的主要结构和使用方法。
[实验设备及材料]
1． 万能试验机一台
2． 低碳钢及铸铁拉伸试样各若干根。
[实验组织及步骤]
1． 实验前复习教材上第一章第三节“强度与塑性”有关内容。
2． 全班分为若干组，每个小组做低碳钢及铸铁拉伸试验各一次。
3． 了解万能试验机的大致结构、试验方法及注意事项。
4． 测量、记录试样原始直径d0和标距尺寸L0（L0=10 d0或 L0=5 d0）。
5． 调整校对试验机。夹装试样，检查试样夹装是否正确。检查测力及绘图机构是否能正常工作。
6． 开动机器后，仔细观察载荷及试样变形情况。当测力盘指针来回摆动或几乎不动时（绘图纸上出现水平或锯齿形线段），材料发生屈服现象，记下载荷Fs；过屈服阶段，指针继续转动，曲线又开始上升。载荷达到某一数值后，指针开始回转，此时试样产生缩颈现象，曲线又开始向下，记下此时载荷Fb，它是试样断裂前的最大载荷。
7． 试样拉断后，停止机器工作，取下断试样，测量并记录缩颈处最小直径d1及断裂后标距长度L1。
8． 填写实验报告。

Ⅱ 硬度试验
[实验目的]
1． 了解布氏、洛氏硬度测定的基本原理和应用范围。
2． 了解布氏、洛氏硬度计的主要结构，掌握操作方法。
3． 根据不同金属零件的性能特点，掌握选择测定硬度的方法。
[实验设备及材料]
1． 布氏硬度试验机；
2． 洛氏硬度试验机
3． 读数显微镜
4．淬火钢、退火钢、铸铁、有色金属试样
[实验组织]
1． 实验前，应复习教材“硬度”有关内容。
2． 了解各种硬度计的构造原理、操作规程及注意事项
3． 全班分若干小组在几个硬度计上轮流进行操作。
[试样及测试技术条件]
1． 试样被测表面应制成光滑平面，不应有氧化皮及污物。试样面应保证压痕直径（或压痕对角线）能精确测量。布氏、洛氏硬度试样表面粗糙度Ra值一般不应大于0.8um。
2． 在试样制备过程中，应尽量避免由于受热及冷加工对试样表面硬度的影响。
3． 布氏、洛氏硬度试样的最小厚度应大于压痕深度的10倍。
4． 试验一般应在10~35℃温度范围内进行。
5． 试验时，必须保证试验力作用方向与实验面垂直。对不规则的试样，应根据其形状采用合适的支承台，以保证压头与轴线垂直。
[实验步骤与要求]
一．布氏硬度试验
步骤
1． 根据试样材质及预计硬度范围，选择压头材料及直径，试验力及试验力保持时间。
2． 将选定的钢球或硬质合金球压头装入硬度计主轴衬套内并紧固，调好砝码和时间定位器。
3． 将试样稳固的放在工作台上，顺时针方向转动工作台升降手轮，使压头与试样接触，直至升降手轮与螺母发生空转为止。
4． 准备就绪后，施加试验力。开电源开关，电源绿色指示灯亮后，按下加力按钮：当红灯亮时，表示试验力已加上，迅速拧紧时间定位器的压紧螺钉使其转动，开始计时，达到预定加力时间后，红灯熄灭，试验力自动卸除。
5． 关闭电源，逆时针方向转动手轮，使工作台下降，取下试样。
6． 用读数显微镜测出试样表面压痕直径d（在两个垂直方向各测一次，取其平均值）。
7． 根据压痕平均直径d，用教材附表2查出所测材料的布氏硬度值。
要求
1． 试验后，压痕直径应在（0.24~0.6）D之间，否则无效。此时应更换砝码，调整试验力，再做试验。
2． 压痕中心距试样边沿距离不应小于压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心距离不应小于压痕平均直径的4倍，布氏硬度小于35时，上述距离英分别为压痕直径的3倍和6倍。
二．洛氏硬度试验
步骤
1． 根据试样材质及预计硬度范围，选择压头类型和初、主载荷（见教材第9页表1-3）。
2． 根据试样形状和大小，选择适宜的工作台，将试样平稳的放在工作台上。
3． 顺时针方向缓慢转动工作台升降手轮，将试样与压头缓慢接触使指示器指针或指示线至规定标志即加上初始载荷。如超过规定则应卸除初载荷，在试样另一位置试验。
4． 调整指示器至零点后，加主载荷（应在4~8s内完成）。
5． 施加完主载荷后，总载荷的保持时间应以示值指示器指针基本停止移动为准。
6． 卸除主载荷后，从表盘指针所指读数即为所测洛氏硬度值。
7． 逆时针方向旋转手轮，降下工作台，取下试样。
注意
1． 试样两相邻压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘距离一般不小于3mm。特殊情况下，这个距离可以减小，但不应小于压痕直径的3倍。
2． 在每个试样上的试验点数应不小于4点（第一点不计）。
3． 要十分注意工作台升降手轮的旋转方向，特别是在实验快结束需下降工作台卸除载荷取下试样或调换试样位置时，手轮不得转错方向，否则就容易损坏压头。

Ⅲ 冲击试验
[实验目的]
1． 了解冲击试验机的结构及操作原理。
2． 了解金属材料在常温下冲击韧性的测定方法。
[实验设备及材料]
1． 冲击试验机；
2． 冲击试样（材料一般用中碳钢）。
[实验组织及步骤]
1． 实验前，应复习教材“冲击韧性”有关内容。
2． 实验前，应了解冲击试验机的结构原理及操作方法。
3． 检查试样尺寸，安装试样。
4． 进行冲击试验。
5． 式样冲断后，记录表盘上数值。
6． 填写实验报告。

实验2 铁碳合金的平衡组织观察
[实验目的]
1． 鉴别铁碳合金常温下的显微组织。
2． 分析成分（含碳量）对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
3． 了解金相试样的制备过程及金相显微镜的使用方法。
[实验设备及材料]
金相显微镜；金相标准试样；制备金相样品（取样、磨制、抛光及腐蚀）所需的设备及材料。
[实验组织及步骤]
1． 实验前复习教材“铁碳合金的基本组织”有关内容。
2． 了解金相试样的制备过程及金相显微镜的主要结构、使用方法及注意事项（如严禁用手帕或一般纸擦镜头或试样等）。
3． 根据设备条件，分两人或数人一组，每组显微镜一台，标准试样一套，金相图谱一本。
4． 了解显微镜的操作过程。
5． 按观察要求，选择物镜与目镜，并装在显微镜上。
6． 将试样磨面对着物镜放在载物台上。
7． 接通电源。
8． 用双手慢旋粗调焦（距）手轮，试试样缓慢靠近物镜，同时在目镜上观察，视场由暗到亮，调至看到组织。然后再旋动微调焦（距）手轮，直至看到最清晰图像为止。调节动作要缓慢，勿使试样与物镜接触。
9． 观察一般组织时，由低倍数到高倍数，并移动载物台，对试样各部进行观察。
10．分析比较试样内部组织。
11．填写实验报告。
[金相试样的制备]
金相试样的制备主要包括取样、磨制、抛光及腐蚀等步骤
 　１.取样
在需要分析观察的材料或零件具有代表性的部位，截取（用锯、切割机、锤击等方法）试样的工作称为取样。取样时，应注意保证不使试样被观察面的金相组织发生变化。试样尺寸一般以高为10～15㎜、边长或直径为15～25㎜的方形或圆柱形较合适。试样太小或形状不规则的小颗粒，可以镶嵌在熔点低的电木粉或环氧树脂内，或用夹具夹持。
2．磨制
２.１粗磨　　准备好的试样，软材料可用锉刀锉平，钢铁材料先在粗砂轮上磨平，候磨痕均匀一致后，即移至细砂轮上续磨，磨时须用水冷却试样，使金属的组织不因受热而发生变化。粗磨完后，试样应倒角，以免在细磨、抛光过程中将砂纸或抛光布撕裂。
２.２细磨　　经砂轮磨好、洗净、吹干后的试样，随即依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，我厂采用在预磨机上进行磨制，从粗砂纸到细砂纸、再换一次砂纸，试样须转90°角与旧磨痕成垂直方向。
    　３.抛光
经预磨后的试样，先在抛光机上进行粗抛光(抛光织物为细帆布抛光液为Cr２Ｏ3溶液)然后进行精抛光(抛光织物为锦丝绒，抛光液为Cr２Ｏ3溶液)抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止，即粗糙度为Ra0.04以下。
   ４.浸蚀
   ４.1 精抛后的试样，便可浸入盛于玻璃皿之浸蚀剂中进行浸蚀。浸蚀时，试样可不时地轻微移动，但抛光面不得与皿底接触。
   ４.2 浸蚀剂一般采用4％硝酸酒精溶液。
   ４.3 浸蚀时间视金属的性质、检验目的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜。
   ４.4 试样浸蚀完毕后，须迅速用水洗净，表面两用，酒精洗净，然后用吹风机吹干。

实验3 钢的热处理
[实验目的]
1. 根据试样或简单零件要求拟定热处理规范。
2. 进一步加深对Fe-Fe3C相图及C曲线的理解和应用，加深对钢的成分-热处理-组织-性能关系的认识。
3. 熟悉淬火及回火等热处理工艺。
4. 提高火花鉴别及使用硬度计的能力。
[实验设备及材料]
1． 箱式电炉及控温仪表；
2． 淬火用水槽及油槽；
3． 洛氏硬度计，布氏硬度计；
4． 实验用试样：用20、45及T8(或T10)钢做成直径为12~20mm、高为15~25 mm的圆柱体试样，或制成短拉伸试样。
[实验组织及步骤]
1． 实验前复习教材“钢的热处理”有关内容。
2． 全班分成若干组，每组领取下述试样或零件6块（20钢1块，45钢3块，T8钢2块）。
3． 用火花鉴别法鉴别所发材料是否与规定材料相符并测定其原始硬度。
4． 根据下表对材料经热处理后的硬度要求，拟定试样或零件的热处理规范，并绘出包括加热温度、保温时间及冷却方法的工艺曲线。经小组讨论后确定正式操作步骤。
试样编号
材料牌号
热处理后要求达到的硬度
1
20
〉HRC20
2
45
HRC35±2
3
45
HRC30±2
4
45
HRC25±2
5
T8
HRC58±2
6
T8
HRC60±2

5． 将试样放入加热炉中加热到指定温度。
6． 经一定保温时间后，进行淬火。
7． 试样清除氧化皮后，测定硬度。
8． 根据回火要求进行回火处理。
9． 回火后，清除氧化皮，测定硬度。
10.观察热处理后的金相显微组织（可用事先准备好的金相样品进行观察）。
11.由实验老师验收成品。
12.填写实验报告。

实验4 热处理工艺对工模具钢性能的影响
[实验目的]
1. 了解淬火及回火温度对9SiCr、5CrW2Si、5CrMnMo等工模具钢硬度的影响。（或9Cr2、5CrNiMo、60Si2Mn代用）
2. 拟定上述钢种作刃具及冷冲模具或热作模具适宜的热处理工艺
[概述]
正确的热处理工艺对工模具的性能和使用寿命有着决定性的影响，因此，了解不同淬火、回火温度对工模具钢的性能的影响，便可作为合理制定热处理工艺的依据。
本实验通过测定不同淬火、回火温度与硬度的关系并参照有关资料的性能数据制定上述工模具适宜的热处理工艺
[实验内容与步骤]
1. 将9SiCr、5CrW2Si、5CrMnMo试样分别在750、800、850、900、950℃加热，保温15分钟，在油中淬火。
2. 测试上述温度下每两个试样的淬火硬度的平均值
3. 将上述淬火的试样，于150、200、400、500和600℃回火1h油冷，测其回火硬度。
[实验报告要求]
1. 列表全部淬火、回火硬度数据
2. 作出淬火温度、回火温度与硬度的关系曲线
3. 说明上述钢种哪些适于作刃具或冷做模具，哪些适于作热作模具，拟定相应的热处理工艺

实验5 结构钢的淬透性测定
图1 末端淬透性实验示意图
[实验目的]
1、掌握淬透性的概念；
2、学会用未端淬火法测定钢的淬透性曲线；
3、比较45钢和40Cr钢的淬透性能。
[实验原理]
至水冷端距离(mm)
图2钢的淬透性曲线示意图
硬度(HRC)
冷却速度V(℃/s)
(b)
(a)
淬透性是钢材的一种热处理工艺性能，所谓钢的淬透性就是指钢在淬火时能够得到淬硬层深度的能力，通常用淬透性曲线来表示。钢的淬硬层越深，表明淬透性越好。
淬透性的判定标准通常规定由钢的表面向里深入到半马氏体区的距离当作淬硬层的深度，并以这个深度作为衡量淬透性的标准。
半马氏体组织的硬度随碳含量的增加有规律性地提高。按照国家标准规定，淬透性的测定方法有下列两种：(1)碳素工具钢淬透性试验法(GB227-63)；(2)结构钢未端淬透性试验法(GB226-63)。GB226-63是最常用的未端淬火法，它适用于碳素结构钢和一般合金结构钢。下面对未端淬火法加以介绍。
(1)原理
将一个圆柱形试样加热至规定的淬火温度，然后对试样的未端喷水冷却进行淬火，如图界1所示。由于试样仅未端淬火，所以整个圆柱体沿长度方向由下而上冷却速度逐渐减小。如图2(a)的所示，显然未端的冷却速度最大(大于V临界)，其组织应为马氏体，随后为屈氏体，再逐步过渡到原始组织。其硬度也相应逐渐降低。由此可以建立以硬度(HRC)为纵座标，以距离为横座标的关系曲线,即淬透性曲线，如图2(b)所示。
(2)试样
按照标准，试样尺寸为Φ25×l00mm，离试样顶端3~5mm处的直径为28~30mm，以供淬火时悬挂试样之用，如图3所示。若没有条件制作标准试样时也可采用Φ20mm(顶端为Φ25mm)或Φ12mm(顶端为Φ17mm)的试样，但长度保持不变仍为100mm。
(3)加热
试样应在温度准确的箱式电炉中加热，淬火温度根据钢的成分确定，保温时间一般不少于30分钟。加热时为防止试样未端发生氧化脱碳现象，可将试样放在保护管内，并在管底铺上一层石墨粉或铸铁屑，如图4所示。试样悬挂在管内，并使未端与石墨粉之间保持一定距离。
图3 末端淬透性实验标准试样尺寸
(4)淬火
在未端淬火设备上进行。操作要点如下：①实验前先根据试样的直径参照表1中的数据调整试验设备。②试样加热、保温后即由炉内取出迅速放入悬挂支架孔中。③喷水冷却淬火。
图4 试样在保护管内加热示意图
1-试样；2-钢管；3-焊缝；5-石墨粉
(5)硬度测定及淬硬性表示法
将淬火后的试样沿圆柱表面纵向相对的两边各磨去0.3～0.5mm的深度，以获得相互平行的两平面，便于测定硬度。试样在磨制过程中要进行冷却，以免产生回火而影响硬度的测量。
硬度测量时应将试样放在“V”型试样台上，沿试样磨制平面的中心线进行测量。由试样水冷端(即未端)起，每隔1.5mm测量一次，当硬度值下降趋于平稳时，可每隔3mm测量一次。一般测量至离水冷端30~40mm即可。
表1 末端淬火实验的主要调整数据
试样
保温时间
(分)
喷水口直径
(mm)
水柱自由高度
(mm)
喷水口至试样端面的距离
(mm)
直径
(mm)
头部直径
(mm)
长度
(mm)
25
20
12
30
25
17
100
100
100
30
30
15
12.5
12.5
6
65±5
65±5
100±5
12.5
12.5
10

根据试验所测得的硬度数据与未端距离之间的关系，画出淬透性曲线。由于材料的化学成分有一定波动，硬度值便在一定的范围内变化，因此淬透性曲线一般都用两条曲线表示，通常称为淬透性带。需要指出的是，由未端淬火试验所得到的淬透性曲线并不能直接用来决定可以淬透的工件尺寸大小，还需借助由其它试验法求得的一些辅助曲线(换算曲线)或数据来进行换算。
在生产中也常用所谓临界直径Dc来表示淬透性。临界直径是指钢材按规定条件淬火后其心部组织恰好获得50%马氏体的最大直径，显然，在相同冷却条件下，临界直径越大时，钢的淬透性就越好。
[实验材料及设备]
1、箱式电炉；2、未端淬火设备；3、砂轮机；4、洛氏硬度机；5、标准试样(45钢或40钢，40Cr钢)；6、游标卡尺。
[实验内容]
测定45钢(或40钢)和40Cr的淬透性曲线
[实验步骤]
1、每班分若干组，每组以4~5人为宜，分别领取试样；
2、测量试样的尺寸，并根据钢种制定热处理工艺；
3、调整未端淬火设备，做好淬火前的准备；
4、按照规定温度加热及淬火；
5、将淬火后的试样两侧各磨去0.3~0.5mm；
6、按规定测量硬度(HRC)，并将所测得的数据填入表2中；
7、分别绘制出45钢图5(a)和40Cr图5(b)的淬透性曲线。
表2 末端淬实验数据表
距水冷端距离(mm)
1.5
3.0
4.5
6.0
7.5
9.0
12.0
15.0
18.0
21.0
……45
硬度值
HRC
45钢

40Cr

[实验注意事项]
1、支架必须擦干，并尽量靠近加热炉；
2、由炉中取出试样时动作要迅速，放入支架孔中后立即喷水冷却。淬火时间一般为10~15分钟；
3、喷出的水柱应只与试样端部表面接触，而不应喷在圆柱体侧面上。水箱中的水压应保持稳定，以保证喷出的水柱高度基本不变，冷却均匀；
4、在磨制试样两侧平面时要及时进行冷却，以防产生回火现象，影响硬度测定的准确；
5、每次取试样时炉门打开时间不要过长，以免温度下降过多，影响下一步操作；
6、操作时应明确分工，相互配合，动作要协调，以保证整个操作过程的顺利完成。
[实验报告要求]
1、说明本次实验目的；
2、简述未端淬火法的试验原理和方法；
3、实验材料与实验内容；
4、实验步骤；
5、绘制出45(或40)钢和40Cr钢的淬透性曲线；
6、分析实验中存在的问题；
7、实验结论。
14

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