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日本熱作模具鋼的種類、特性及生產(chǎn)
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-09-24
日本進(jìn)口熱作模具鋼：SKD61、SKD7、SKD62、SKD4、SKT3、SKT4.
?熱作工具鋼廣泛用于溫鍛、熱鍛、壓鑄和擠壓模具。近年來(lái)，由于熱加工品的大型化、形狀復(fù)雜化、以及為提高生產(chǎn)效率的加工節(jié)奏快速化，導(dǎo)致模具負(fù)荷增加，所以要求模具用鋼的特性進(jìn)一步提高。因此不僅有JIS標(biāo)準(zhǔn)中的熱作工具鋼，各特鋼企業(yè)不斷增加自主開發(fā)的模具用鋼，以實(shí)現(xiàn)模具用鋼的高性能化和長(zhǎng)壽化。
1熱作工具鋼的類別和要求性能
表1是JIS標(biāo)準(zhǔn)中的熱作工具鋼的主要化學(xué)成分。模具使用的熱作工具鋼主要有SKD系和SKT系。SKD系熱作工具鋼用于制作溫鍛、熱鍛模具和鋁材擠壓成形模具以及壓鑄用模具，要求的性能有韌性、高溫強(qiáng)度、抗熱裂性、耐磨性、抗熔損性。最常用的SKD系熱作工具鋼牌號(hào)是淬透性、高溫強(qiáng)度、韌性等綜合性能良好的5%Cr-1Mo系的SKD61。Mo、W含量高于SKD61的SKD7、SKD62、SKD4等牌號(hào)的熱作工具鋼的耐磨性和高溫強(qiáng)度優(yōu)于SKD61。用于錘鍛模具的SKT系熱作工具鋼承受鍛造時(shí)的大沖擊力，要求有良好的韌性。SKT3、SKT4已經(jīng)納入JIS標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際使用的牌號(hào)多是各特鋼企業(yè)自主開發(fā)的熱作工具鋼。這些開發(fā)鋼是提高了SKD4淬透性和強(qiáng)度的鋼種。
熱作工具鋼的大類別如上所述，但由于使用環(huán)境（用途、溫度、壓力、氣氛）的不同，模具所承受的負(fù)荷也是多種多樣。為降低壓鑄用模具的熔損，僅提高模具用鋼的性能是不夠的，還要利用表面處理技術(shù)。為提高模具的使用壽命，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境，選擇模具用鋼并且要在模具設(shè)計(jì)和其他周邊技術(shù)方面采取措施。
1.1?高溫強(qiáng)度
熱鍛模具和壓鑄模具與高溫被加工材料直接接觸，所以模具表面會(huì)發(fā)生軟化，使模具表面強(qiáng)度下降。此外，模具表面在成形壓力和熱應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋，粘結(jié)和掉肉，影響加工品的外觀。因此對(duì)模具用鋼的要求是抑制高溫軟化、盡量保持鋼的強(qiáng)度（抗軟化性）。淬火回火后的熱作工具鋼中的二次碳化物對(duì)提高鋼的抗軟化性有很大作用。鋼中添加Mo、W、V等合金元素具有很好的提高抗軟化性效果。但是合金元素過量，會(huì)發(fā)生成分偏析和碳化物增加，導(dǎo)致韌性下降。所以熱作工具鋼必須兼有抗軟化性和韌性。
1.2?韌性
模具裂紋的發(fā)生起點(diǎn)是模具角部、加工缺陷和熱裂紋等應(yīng)力集中部位。但鋼的韌性對(duì)裂紋容易發(fā)生的程度（抗裂性）有影響。夏比沖擊值和斷裂韌性值是使用最多的韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)。熱作工具鋼中的Cr、Mo、W、V碳化物對(duì)提高抗軟化性和淬火硬度有很大作用。但碳化物過剩是熱作工具鋼韌性下降的主要原因。所以根據(jù)強(qiáng)度-韌性平衡的需要，應(yīng)對(duì)鋼的成分進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。Ni是不形成碳化物的元素，但固溶于鋼的基體可以提高鋼的韌性。所以要求抗沖擊性的SKT3、SKD4中都添加了Ni。
鋼的韌性與鋼的冷卻速度有很大關(guān)系。大型模具淬火時(shí)，由于中心的冷卻速度小于表面的冷卻速度，中心部位常常得不到正常、均勻的淬火組織，導(dǎo)致韌性下降。為此，應(yīng)提高鋼的淬透性。Cr、Mn、Mo、V是提高淬透性的有效元素。淬透性的評(píng)價(jià)方法有連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）和半冷時(shí)間緩慢冷卻淬火的夏比沖擊值。半冷時(shí)間是鋼的溫度從淬火溫度下降到1/2淬火溫度的時(shí)間。通過設(shè)定各種半冷時(shí)間，可以模擬大型模具芯部的冷卻速度。
1.3?熱裂性
熱作工具鋼制造的模具，特別是要求加工品表面美觀的壓鑄模具，常常發(fā)生模具熱裂。熱裂紋產(chǎn)生的原因是被加工工件的熱影響使模具表面軟化導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生、模具與大氣接觸使已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋內(nèi)部氧化以及反復(fù)的加熱冷卻熱循環(huán)引起局部膨脹收縮促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。熱裂紋的形狀是龜甲狀裂紋，這些裂紋在模具使用過程中擴(kuò)展、連接、長(zhǎng)大，引起掉肉和開裂。圖1是SKD61制模具磨損部位斷面照片。圖中的①是淬火回火層，硬度為50HRC、②是發(fā)生軟化的模具表面，硬度為35～40HRC、③部位因軟化產(chǎn)生塑性流變、④是觀察到的熱裂紋。為抑制熱裂紋的發(fā)生，應(yīng)提高鋼的高溫強(qiáng)度（抗軟化性），抑制初期龜裂的發(fā)生，以及提高鋼的韌性抑制龜裂的擴(kuò)展。
1.4?抗熔損性
熔損是壓鑄模具特有的損傷形態(tài)。噴射出來(lái)的鋁材和鎂材與模具材料反應(yīng)使模具表面發(fā)生合金化，引起模具磨損和熱粘結(jié)。這種現(xiàn)象就是熔損。防止熔損的有效方法是，盡量不使液態(tài)鋁、液態(tài)鎂與模具材料主成分Fe接觸。為此可采用對(duì)模具進(jìn)行擴(kuò)散處理（氮化、滲硫氮化）和涂膜處理（PVD、CVD）等表面處理。
2?熱作工具鋼的制造方法
在熱作工具鋼制造工藝方面，煉鋼工序降低雜質(zhì)和非金屬夾雜物含量、減低偏析程度，鍛壓工序改進(jìn)鍛壓工藝提高鋼的韌性和降低各向異性。通過這些措施可以顯著降低熱作工具鋼的質(zhì)量波動(dòng)，使模具壽命穩(wěn)定化。對(duì)于壓鑄模具等向大型化和高生產(chǎn)節(jié)奏的模具，應(yīng)推進(jìn)性能和質(zhì)量都優(yōu)良的SKD61高端材料。SKD61高端材料采用ESR（電渣重熔）和VAR（真空電弧重熔）等二次精煉和均質(zhì)化處理，將鋼中雜質(zhì)降低到最小程度。關(guān)于壓鑄模具用鋼的標(biāo)準(zhǔn)有熟知的NADCA（北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）。
3?模具制造相關(guān)技術(shù)和熱作工具鋼材料開發(fā)動(dòng)向
為進(jìn)一步提高模具壽命，不僅進(jìn)行鋼材開發(fā)，而且熱處理質(zhì)量提高和表面處理的研究開發(fā)工作也在積極開展。從成本角度來(lái)看，用于熱作模具的表面熱處理的主流方法是氮化處理。氮化方法有氣體氮化、等離子氮化、鹽浴氮化等等。可根據(jù)氮化目的選擇適宜的氮化方法。
3.1?提高高溫強(qiáng)度
如前所述，適宜的C、Cr、Mo、V含量，增加鋼中高溫穩(wěn)定碳化物，對(duì)提高熱作工具鋼高溫強(qiáng)度（抗軟化性）具有很大作用。圖2是SKD61、SKD61改良鋼的600℃抗軟化性試驗(yàn)結(jié)果。圖中還列出了鋼的沖擊值。SKD61改良鋼由于成分優(yōu)化，鋼的韌性好于SKD61，抗軟化性也得到提高，是永久變形很小的鋼。
3.2?提高抗熱裂性
對(duì)SKD61、SKD61改良鋼進(jìn)行了熱裂性試驗(yàn)。該試驗(yàn)方法是，對(duì)試樣施加如壓鑄模具那樣的局部膨脹-收縮熱應(yīng)力，然后觀察試驗(yàn)后試樣表面的裂紋狀況，進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。圖3是熱裂試驗(yàn)后試樣的裂紋的最大深度和平均深度。SKD61改良鋼的熱裂紋最大深度下降到SKD61的70%、平均深度下降到SKD61的50%，說(shuō)明高強(qiáng)度高韌性可以有效提高鋼的抗熱裂性。當(dāng)要求進(jìn)一步提高抗熱裂性時(shí)，有效的方法是利用氮化在模具表面形成硬化層。但是，表面硬化層雖然提高了表面強(qiáng)度卻降低了韌性，一旦裂紋產(chǎn)生，很容易擴(kuò)展。所以表面硬化層是模具產(chǎn)生開裂的一個(gè)原因。因此，根據(jù)模具使用環(huán)境，實(shí)施適宜的表面處理是十分重要的。
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