日本热作模具钢的种类、特性及生产
热作工具钢广泛用于温锻、热锻、压铸和挤压模具。近年来，由于热加工品的大型化、形状复杂化、以及为提高生产效率的加工节奏快速化，导致模具负荷增加，所以要求模具用钢的特性进一步提高。因此不仅有JIS标准中的热作工具钢，各特钢企业不断增加自主开发的模具用钢，以实现模具用钢的高性能化和长寿化。
1热作工具钢的类别和要求性能
表1是JIS标准中的热作工具钢的主要化学成分。模具使用的热作工具钢主要有SKD系和SKT系。SKD系热作工具钢用于制作温锻、热锻模具和铝材挤压成形模具以及压铸用模具，要求的性能有韧性、高温强度、抗热裂性、耐磨性、抗熔损性。最常用的SKD系热作工具钢牌号是淬透性、高温强度、韧性等综合性能良好的5%Cr-1Mo系的SKD61。Mo、W含量高于SKD61的SKD7、SKD62、SKD4等牌号的热作工具钢的耐磨性和高温强度优于SKD61。用于锤锻模具的SKT系热作工具钢承受锻造时的大冲击力，要求有良好的韧性。SKT3、SKT4已经纳入JIS标准。但实际使用的牌号多是各特钢企业自主开发的热作工具钢。这些开发钢是提高了SKD4淬透性和强度的钢种。
热作工具钢的大类别如上所述，但由于使用环境（用途、温度、压力、气氛）的不同，模具所承受的负荷也是多种多样。为降低压铸用模具的熔损，仅提高模具用钢的性能是不够的，还要利用表面处理技术。为提高模具的使用寿命，应根据使用环境，选择模具用钢并且要在模具设计和其他周边技术方面采取措施。
1.1 高温强度
热锻模具和压铸模具与高温被加工材料直接接触，所以模具表面会发生软化，使模具表面强度下降。此外，模具表面在成形压力和热应力的作用下容易产生裂纹，粘结和掉肉，影响加工品的外观。因此对模具用钢的要求是抑制高温软化、尽量保持钢的强度（抗软化性）。淬火回火后的热作工具钢中的二次碳化物对提高钢的抗软化性有很大作用。钢中添加Mo、W、V等合金元素具有很好的提高抗软化性效果。但是合金元素过量，会发生成分偏析和碳化物增加，导致韧性下降。所以热作工具钢必须兼有抗软化性和韧性。
1.2 韧性
模具裂纹的发生起点是模具角部、加工缺陷和热裂纹等应力集中部位。但钢的韧性对裂纹容易发生的程度（抗裂性）有影响。夏比冲击值和断裂韧性值是使用最多的韧性评价指标。热作工具钢中的Cr、Mo、W、V碳化物对提高抗软化性和淬火硬度有很大作用。但碳化物过剩是热作工具钢韧性下降的主要原因。所以根据强度-韧性平衡的需要，应对钢的成分进行合理设计。Ni是不形成碳化物的元素，但固溶于钢的基体可以提高钢的韧性。所以要求抗冲击性的SKT3、SKD4中都添加了Ni。
钢的韧性与钢的冷却速度有很大关系。大型模具淬火时，由于中心的冷却速度小于表面的冷却速度，中心部位常常得不到正常、均匀的淬火组织，导致韧性下降。为此，应提高钢的淬透性。Cr、Mn、Mo、V是提高淬透性的有效元素。淬透性的评价方法有连续冷却转变曲线（CCT）和半冷时间缓慢冷却淬火的夏比冲击值。半冷时间是钢的温度从淬火温度下降到1/2淬火温度的时间。通过设定各种半冷时间，可以模拟大型模具芯部的冷却速度。
1.3 热裂性
热作工具钢制造的模具，特别是要求加工品表面美观的压铸模具，常常发生模具热裂。热裂纹产生的原因是被加工工件的热影响使模具表面软化导致裂纹产生、模具与大气接触使已经产生的裂纹内部氧化以及反复的加热冷却热循环引起局部膨胀收缩促进裂纹扩展。热裂纹的形状是龟甲状裂纹，这些裂纹在模具使用过程中扩展、连接、长大，引起掉肉和开裂。图1是SKD61制模具磨损部位断面照片。图中的①是淬火回火层，硬度为50HRC、②是发生软化的模具表面，硬度为35～40HRC、③部位因软化产生塑性流变、④是观察到的热裂纹。为抑制热裂纹的发生，应提高钢的高温强度（抗软化性），抑制初期龟裂的发生，以及提高钢的韧性抑制龟裂的扩展。
1.4 抗熔损性
熔损是压铸模具特有的损伤形态。喷射出来的铝材和镁材与模具材料反应使模具表面发生合金化，引起模具磨损和热粘结。这种现象就是熔损。防止熔损的有效方法是，尽量不使液态铝、液态镁与模具材料主成分Fe接触。为此可采用对模具进行扩散处理（氮化、渗硫氮化）和涂膜处理（PVD、CVD）等表面处理。
2 热作工具钢的制造方法
在热作工具钢制造工艺方面，炼钢工序降低杂质和非金属夹杂物含量、减低偏析程度，锻压工序改进锻压工艺提高钢的韧性和降低各向异性。通过这些措施可以显著降低热作工具钢的质量波动，使模具寿命稳定化。对于压铸模具等向大型化和高生产节奏的模具，应推进性能和质量都优良的SKD61高端材料。SKD61高端材料采用ESR（电渣重熔）和VAR（真空电弧重熔）等二次精炼和均质化处理，将钢中杂质降低到最小程度。关于压铸模具用钢的标准有熟知的NADCA（北美压铸协会标准）。
3 模具制造相关技术和热作工具钢材料开发动向
为进一步提高模具寿命，不仅进行钢材开发，而且热处理质量提高和表面处理的研究开发工作也在积极开展。从成本角度来看，用于热作模具的表面热处理的主流方法是氮化处理。氮化方法有气体氮化、等离子氮化、盐浴氮化等等。可根据氮化目的选择适宜的氮化方法。
3.1 提高高温强度
如前所述，适宜的C、Cr、Mo、V含量，增加钢中高温稳定碳化物，对提高热作工具钢高温强度（抗软化性）具有很大作用。图2是SKD61、SKD61改良钢的600℃抗软化性试验结果。图中还列出了钢的冲击值。SKD61改良钢由于成分优化，钢的韧性好于SKD61，抗软化性也得到提高，是永久变形很小的钢。
3.2 提高抗热裂性
对SKD61、SKD61改良钢进行了热裂性试验。该试验方法是，对试样施加如压铸模具那样的局部膨胀-收缩热应力，然后观察试验后试样表面的裂纹状况，进行比较评价。图3是热裂试验后试样的裂纹的最大深度和平均深度。SKD61改良钢的热裂纹最大深度下降到SKD61的70%、平均深度下降到SKD61的50%，说明高强度高韧性可以有效提高钢的抗热裂性。当要求进一步提高抗热裂性时，有效的方法是利用氮化在模具表面形成硬化层。但是，表面硬化层虽然提高了表面强度却降低了韧性，一旦裂纹产生，很容易扩展。所以表面硬化层是模具产生开裂的一个原因。因此，根据模具使用环境，实施适宜的表面处理是十分重要的。（注：图、表参见原创）
(钢讯)
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