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日本熱作模具鋼的種類、特性及生產
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-09-24
日本進口熱作模具鋼：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，由于熱加工品的大型化、形狀復雜化、以及為提高生產效率的加工節奏快速化，導致模具負荷增加，所以要求模具用鋼的特性進一步提高。因此不僅有JIS標準中的熱作工具鋼，各特鋼企業不斷增加自主開發的模具用鋼，以實現模具用鋼的高性能化和長壽化。
1熱作工具鋼的類別和要求性能
表1是JIS標準中的熱作工具鋼的主要化學成分。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系熱作工具鋼牌號是淬透性、高溫強度、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等牌號的熱作工具鋼的耐磨性和高溫強度優于SKD61。用于錘鍛模具的SKT系熱作工具鋼承受鍛造時的大沖擊力，要求有良好的韌性。SKT3、SKT4已經納入JIS標準。但實際使用的牌號多是各特鋼企業自主開發的熱作工具鋼。這些開發鋼是提高了SKD4淬透性和強度的鋼種。
熱作工具鋼的大類別如上所述，但由于使用環境（用途、溫度、壓力、氣氛）的不同，模具所承受的負荷也是多種多樣。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。為提高模具的使用壽命，應根據使用環境，選擇模具用鋼并且要在模具設計和其他周邊技術方面采取措施。
1.1?高溫強度
熱鍛模具和壓鑄模具與高溫被加工材料直接接觸，所以模具表面會發生軟化，使模具表面強度下降。此外，模具表面在成形壓力和熱應力的作用下容易產生裂紋，粘結和掉肉，影響加工品的外觀。因此對模具用鋼的要求是抑制高溫軟化、盡量保持鋼的強度（抗軟化性）。淬火回火后的熱作工具鋼中的二次碳化物對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，會發生成分偏析和碳化物增加，導致韌性下降。所以熱作工具鋼必須兼有抗軟化性和韌性。
1.2?韌性
模具裂紋的發生起點是模具角部、加工缺陷和熱裂紋等應力集中部位。但鋼的韌性對裂紋容易發生的程度（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價指標。熱作工具鋼中的Cr、Mo、W、V碳化物對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。所以根據強度-韌性平衡的需要，應對鋼的成分進行合理設計。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系。大型模具淬火時，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，導致韌性下降。為此，應提高鋼的淬透性。Cr、Mn、Mo、V是提高淬透性的有效元素。淬透性的評價方法有連續冷卻轉變曲線（CCT）和半冷時間緩慢冷卻淬火的夏比沖擊值。半冷時間是鋼的溫度從淬火溫度下降到1/2淬火溫度的時間。通過設定各種半冷時間，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，常常發生模具熱裂。熱裂紋產生的原因是被加工工件的熱影響使模具表面軟化導致裂紋產生、模具與大氣接觸使已經產生的裂紋內部氧化以及反復的加熱冷卻熱循環引起局部膨脹收縮促進裂紋擴展。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展、連接、長大，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是發生軟化的模具表面，硬度為35～40HRC、③部位因軟化產生塑性流變、④是觀察到的熱裂紋。為抑制熱裂紋的發生，應提高鋼的高溫強度（抗軟化性），抑制初期龜裂的發生，以及提高鋼的韌性抑制龜裂的擴展。
1.4?抗熔損性
熔損是壓鑄模具特有的損傷形態。噴射出來的鋁材和鎂材與模具材料反應使模具表面發生合金化，引起模具磨損和熱粘結。這種現象就是熔損。防止熔損的有效方法是，盡量不使液態鋁、液態鎂與模具材料主成分Fe接觸。為此可采用對模具進行擴散處理（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，煉鋼工序降低雜質和非金屬夾雜物含量、減低偏析程度，鍛壓工序改進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量波動，使模具壽命穩定化。對于壓鑄模具等向大型化和高生產節奏的模具，應推進性能和質量都優良的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）等二次精煉和均質化處理，將鋼中雜質降低到最小程度。關于壓鑄模具用鋼的標準有熟知的NADCA（北美壓鑄協會標準）。
3?模具制造相關技術和熱作工具鋼材料開發動向
為進一步提高模具壽命，不僅進行鋼材開發，而且熱處理質量提高和表面處理的研究開發工作也在積極開展。從成本角度來看，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。可根據氮化目的選擇適宜的氮化方法。
3.1?提高高溫強度
如前所述，適宜的C、Cr、Mo、V含量，增加鋼中高溫穩定碳化物，對提高熱作工具鋼高溫強度（抗軟化性）具有很大作用。圖2是SKD61、SKD61改良鋼的600℃抗軟化性試驗結果。圖中還列出了鋼的沖擊值。SKD61改良鋼由于成分優化，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SKD61、SKD61改良鋼進行了熱裂性試驗。該試驗方法是，對試樣施加如壓鑄模具那樣的局部膨脹-收縮熱應力，然后觀察試驗后試樣表面的裂紋狀況，進行比較評價。圖3是熱裂試驗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%，說明高強度高韌性可以有效提高鋼的抗熱裂性。當要求進一步提高抗熱裂性時，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度卻降低了韌性，一旦裂紋產生，很容易擴展。所以表面硬化層是模具產生開裂的一個原因。因此，根據模具使用環境，實施適宜的表面處理是十分重要的。
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