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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(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，以實現(xiàn)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(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)。但實際使用的牌號多是各特鋼企業(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(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價指標(biāo)。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(jù)強(qiáng)度-韌性平衡的需要，應(yīng)對鋼的成分進(jìn)行合理設(shè)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(guān)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(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。淬透性的評價方法有連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)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(shè)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(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，使模具壽命穩(wěn)定化。對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SKD61、SKD61改良鋼進(jìn)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(yīng)力，然后觀察試驗后試樣表面的裂紋狀況，進(jìn)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(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，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)生開裂的一個原因。因此，根據(jù)模具使用環(huán)境，實施適宜的表面處理是十分重要的。
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