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(shí)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

　　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。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(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。

　　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(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多的韌性評價(jià)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(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、長大，引起掉肉和開裂。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，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。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(yàn)。該試驗(yàn)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(yàn)后試樣表面的裂紋狀況，進(jìn)行比較評價(jià)。

　　SKD61改良鋼的熱裂紋大深度下降到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(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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