日本冷作模具钢的种类、特性及生产

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冷作工具钢是用做量规、钢钎、冲床等工具和冲压、锻造、滚轧、辊压等模具，进行切断、弯曲、冲压、压缩等加工。在这些加工中，模具承受高面压和冲击负荷，大部分模具因磨损、热粘结、掉肉、开裂等原因报废。因此，冷作模具钢要求具有高强度、高耐磨性、高耐疲劳性和高韧性。

　　1冷作工具钢的特点
　　图1是主要冷作工具钢的性能匹配情况。表1是主要冷作工具钢的化学成分。冷作工具钢的最重要的特性就是耐磨性。提高耐磨性的基本方法是提高钢的硬度。冷作工具钢一般要进行淬火回火，在硬度为60HRC左右的状态下使用。提高钢的C含量可以提高硬度。此外，添加   Cr、Mo、V、W等碳化物生成元素，使钢中含有M7C3、M6C、MC等硬质碳化物（表2），可进一步提高钢的耐磨性。但碳化物量大时，钢的韧性和耐疲劳性下降。因此要根据用途选择适宜的冷作工具钢。
2碳素工具钢
　　C含量为0.55～1.50%，并含有少许Si、Mn的钢种是碳素工具钢。JIS中有11个碳素工具钢的牌号。碳素工具钢经750～840℃淬火和150～200℃回火，硬度可达54～63HRC。由于碳素工具钢中合金元素少，淬透性差，所以要进行水冷淬火。并且即使水冷，工件中心也不能淬透，只有表面被淬硬，中心的硬度仍然较低。JIS碳素工具钢中最常用的牌号是SK105（1.05C-0.2Si-0.25Mn）。SK105用做刀具、钢钎、夹具和冲模等。
　　3 合金工具钢
　　JIS将合金工具钢分为4类：切削工具钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢。其中冷作模具钢有10个牌号。此外还有许多以JIS钢为基础的改良钢牌号。以下对合金工具钢的代表性牌号的特点做简要说明。
　　3.1 低合金工具钢
　　冷作模具钢中合金元素含量比较少的是低合金工具钢，常用的牌号是SKS93（1.05C-0.95Mn-0.4Cr）和SKS3（0.95C-1.05Mn-0.75Cr）。这两个牌号的Mn含量都是1%左右，SKS93含有0.4Cr，SKS3含有0.75Cr，提高了钢的淬透性。此外，SKS3还含有0.75%的W提高了淬透性和韧性。低合金工具钢用做剪刃、量规、冲模等。
　　3.2 高C高Cr冷作工具钢
　　高C高Cr冷作工具钢最有名的牌号是SKD11（1.5C-12Cr-1Mo系）。SKD11的最大特点是良好的耐磨性。由于Cr含量高，在母相中有粗大的Cr碳化物（M7C3），提高了耐磨性。SKD11的淬透性良好，空冷就可以获得均匀的芯部硬度。SKD11的淬火温度是1000～1040℃。这是真空热处理炉常用的淬火温度。耐磨性优于SKD11的冷作工具钢是SKD1（2C-12Cr系）。SKD1的C、Cr含量多于SKD11，所以粗大的Cr碳化物的量也多，使SKD1成为耐磨性极高的工具钢。由于粗大的Cr碳化物量很多，所以韧性和耐疲劳性不如SKD11。由于SKD1的淬火温度是950℃，与一般常用的淬火温度不同，并且淬透性差，必须油淬。所以很少使用SKD1。
　　在SKD11基础上已经开发出的适用于不同用途的各种改良钢，得到了广泛应用。
　　3.3  8%Cr冷作工具钢
　　8%Cr系钢虽然没有纳入JIS标准中，但是得到广泛应用。该钢在SKD11的基础上，调整成分、主要成分为1C-8Cr-2Mo。8%Cr产生的背景是，上世纪70年代，对淬火回火模具钢进行电火花放电加工十分普遍，但出现了电火花放电加工引起模具钢产生裂纹的问题。裂纹产生的主要原因是放电加工异常层去除不够，但也有淬火残余应力和韧性不足的原因。采用高温回火可以有效消除残余应力。但SKD11经高温回火处理后，得不到要求的硬度，而且韧性也不好。因此，在SKD11的基础上，降C和Cr提高韧性，添加较多的Mo，使钢经高温回火也可获得62HRC的高硬度，于是形成了8%Cr钢。8%Cr的耐磨性不如SKD11，但由于综合性能优良，在目前仍得到广泛应用，是与SKD11并列的冷作工具钢标准牌号。此后又开发出对8%Cr钢进行改良的钢种。
　　由于日本经济长期低迷、工具钢生产企业全球化、东南亚各国工具钢制造技术的提高，日本工具钢企业为了生存，降低成本和缩短交货时间成为当务之急。在这种背景下，提高切削性和降低热处理变形成为缩短交货时间的有效手段。SKD11系钢中的粗大硬质碳化物多，切削性差，而且热处理后工价尺寸变化大，尺寸修正要花费时间，所以迫切要求开发出切削性好、热处理变形小的工具钢。目前已经开发出的切削性好、热处理变形小的8%Cr改良钢充斥于工具钢市场。
　　3.4 基体冲压模具钢
　　基体冲压模具钢是消除SKD11粗大碳化物的、成分相当于基体钢的钢种。基体冲压模具钢尚未纳入JIS标准中，但各特钢企业开发并销售多种基体冲压模具钢。上述的8%Cr钢在SKD11的基础上，降C和Cr，减少了粗大碳化物，改善了韧性，但钢中仍然有许多粗大碳化物。基体冲压模具钢在8%Cr的基础上，进一步降C和Cr，使钢中几乎没有粗大碳化物。因此韧性和耐疲劳性大大好于8%Cr钢。并且切削性和热处理尺寸变形各向异性也有明显改善。基体冲压模具钢的采用，缩短了模具成品的交货时间。
　　3.5  5%Cr冷作工具钢
　　JIS 中的5%Cr冷作工具钢著名牌号是SKD12（1C-5Cr-1Mo系）。SKD12的C和Cr小于SKD11，韧性优良，但耐磨性不如SKD11。SKD12的特点是热处理尺寸变形各向异性小。SKD12的淬火温度是970℃、低温回火硬度虽然是60HRC，但高温回火硬度小于58HRC，这些都缺乏通用性，所以很少使用
　　3.6火焰表面淬火钢
　　工具钢一般经常规淬火回火后使用。火焰表面淬火钢是简化进行淬火回火处理的钢类。火焰表面淬火是对加工后的模具用焊接喷嘴或熔断喷嘴只对工件要求硬度部位加热，然后冷却，获得60HRC以上硬度的热处理方法。火焰表面淬火钢要求的特性是，淬火温度范围大、并具有一定的淬透性、韧性和焊接性。火焰表面淬火钢没有纳入JIS标准，但各特钢企业自行生产销售满足上述特性要求的表面淬火钢。表面淬火钢的主要成分是0.7C-1Si-1Mn-1Cr。由于表面淬火钢的价格比冲压模具钢便宜，并且热处理工时少、交货期短，多用于汽车制造厂的切断用模具。