熱加工工模具鋼的用途分為熱壓鑄用、熱擠壓用、熱鍛造用三大領(lǐng)域。各領(lǐng)域隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)率提高，模具的使用條件越加苛刻，在模具鋼材方面也要求達(dá)到過去JIS規(guī)格鋼以上的特性。為適應(yīng)這些要求，特殊鋼生產(chǎn)廠開發(fā)出各種改良鋼種已被實(shí)際應(yīng)用。以下介紹熱加工工模具鋼必須有的基本特性，以及針對(duì)各使用領(lǐng)域要求改善的狀況。
㈠熱加工工模具鋼的基本特性
    如果把JIS熱加工工模具鋼的規(guī)格鋼種按韌性和高溫強(qiáng)度兩種特性來定位，在各領(lǐng)域最多使用的鋼種是韌性和高溫強(qiáng)度均衡性好的JIS SKD61及其改良鋼種，但根據(jù)用途和使用條件，模具所承載的溫度和應(yīng)力不同，要求特性也不同。報(bào)廢原因也很多，有磨損、變形、裂紋、熱裂，特別是熱壓鑄模因熔損也會(huì)造成報(bào)廢。在考慮這些原因的基礎(chǔ)上選擇模具鋼材以及設(shè)計(jì)熱處理?xiàng)l件、模具型腔硬度是非常重要的。
⒈高溫強(qiáng)度
    熱加工工模具鋼的主要特性高溫強(qiáng)度，受到Mo、W、V等二次硬化的碳化物形成元素的添加量很大影響。這些元素在退火狀態(tài)下，鐵素體基體以碳化物分布，通過淬火大部分固溶在奧氏體基體中。然后通過回火析出微細(xì)碳化物后二次硬化，提高高溫強(qiáng)度。另外，在同一材質(zhì)情況下，一般是室溫硬度越高，高溫強(qiáng)度就越高。但是，Mo、W、V添加量增多和提高硬度往往對(duì)韌性產(chǎn)生不利影響，所以需同時(shí)改善韌性。
⒉抗軟化性
    在高溫下使用的同時(shí)，由于促進(jìn)二次硬化的碳化物生長(zhǎng)、凝聚而發(fā)生軟化。高溫強(qiáng)度高的鋼種，抗軟化性也強(qiáng)。添加Co的效果與Mo、W、V的添加效果一樣，提高了C的活度系數(shù)，抑制了析出碳化物生長(zhǎng)。
⒊韌性
    韌性有助于提高模具的耐裂紋性和耐熱裂性。作為合金元素的功能，固溶于基體中的Ni等元素可提高韌性。但對(duì)Mo、W、V等碳化物形成元素，如果添加量增加，碳化物量則增大，韌性就會(huì)降低。另外，韌性受淬火冷卻速度的影響很大。熱加工工模具鋼的淬透性良好，淬火冷卻時(shí)即使不進(jìn)行油冷也能獲得高硬度。但如果淬火冷卻速度不同，即使硬度相同，韌性也會(huì)有很大變化。為此，對(duì)韌性的評(píng)價(jià)，必須同時(shí)研究成分對(duì)冷卻變態(tài)特性的影響，基本上是通過Cr來提高淬透性。
⒋耐熱裂性
    許多熱壓鑄模和熱鍛造模，為了縮短成形循環(huán)時(shí)間要對(duì)模具表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。因此，模具表面在短時(shí)間內(nèi)承受反復(fù)的加熱和冷卻，由于模具表面和模具內(nèi)部的溫度差，受到壓縮和拉伸熱應(yīng)力反復(fù)作用，在模具表面產(chǎn)生了熱裂。要提高耐熱裂性，必須提高高溫強(qiáng)度和韌性。但一般趨向是高溫強(qiáng)度越高，韌性越低，所以如何把二者達(dá)到最佳均衡狀態(tài)是很重要的。
㈡各使用領(lǐng)域要求的特性
    ⒈熱壓鑄模具
熱壓鑄模具有時(shí)會(huì)由于熱裂和熔損不能生產(chǎn)正常產(chǎn)品而壽命終止，有時(shí)會(huì)從雕刻部位和冷卻用水冷孔等應(yīng)力集中的地方產(chǎn)生疲勞龜裂，并因此導(dǎo)致出現(xiàn)大裂紋而報(bào)廢。大多數(shù)情況是由于熱裂而報(bào)廢，但因出現(xiàn)大裂紋報(bào)廢時(shí)，由于對(duì)模具更換難以預(yù)測(cè)，一旦發(fā)生，經(jīng)常造成生產(chǎn)線不能正常運(yùn)行。防止熱裂的有效對(duì)策是提高模具型腔的硬度和高溫強(qiáng)度。但硬度提高又會(huì)使韌性降低，加大產(chǎn)生大裂紋的可能性。另外，因水冷孔內(nèi)部生銹使氫侵入，導(dǎo)致模具鋼材脆化的現(xiàn)象也存在。因此，模具鋼材必需具備不易生銹、抗氫脆化性能強(qiáng)的特性。
    ⒉熱鍛造模
熱鍛造模一般使用JIS SKT4系列和SKD61系列的鋼材。對(duì)于以耐沖擊性為主的鍛造模，使用低合金化和添加Ni的韌性好的SKT4系列鋼材；而對(duì)于要求具有高溫強(qiáng)度、耐磨損性、耐熱裂性等特性的沖壓模，使用SKD61系列的鋼材。熱鍛造模報(bào)廢的原因主要是磨損和裂紋，尤其是突發(fā)的裂紋在很多情況下會(huì)造成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)率降低等問題。另外，在熱鍛造領(lǐng)域，為了總成本降低，鍛造件要進(jìn)行近終形加工(準(zhǔn)精加工形狀)。為了提高鍛造件尺寸精度，鍛造溫度與以往相比處于較低狀態(tài)，使得被鍛造材料變形抗力提高、加大了模具表面壓力和摩擦作用。加上進(jìn)行復(fù)雜形狀的一體化鍛造，使模具的負(fù)載不斷增加。
    ⒊熱擠壓工具
熱擠壓模由于在高溫、高壓下，與鋁合金之間產(chǎn)生滑動(dòng)、摩擦，所以滑動(dòng)成型部位易出現(xiàn)磨損及粘結(jié)。另外，最近隨著擠壓產(chǎn)品薄壁化、尺寸高精度化、高強(qiáng)度化和大型化由于擠壓模高溫強(qiáng)度不足出現(xiàn)了撓曲，以及擠壓阻力增大導(dǎo)致出現(xiàn)了裂紋等問題，因此，模具鋼材必需同時(shí)兼?zhèn)浜芨叩母邷貜?qiáng)度和韌性。另外，為防止滑動(dòng)成型部位磨損及粘結(jié)，擠壓模需進(jìn)行反復(fù)氮化，但過分氮化會(huì)加大初期裂紋、降低缺口韌性。而且，氮化處理時(shí)由于加熱隨著擠壓模軟化而強(qiáng)度下降，因此，熱擠壓模模具鋼材必需具有很高的抗軟化性。
㈢熱加工工模具鋼的改進(jìn)狀況
    提高模具鋼材特性的方法有改變合金添加量以及改變生產(chǎn)工藝。下面以最普通的熱加工工模具鋼JIS SKD61為例，介紹其改進(jìn)狀況。
⒈改變合金添加量
    提高熱加工工模具鋼韌性及耐熱裂性的有效方法，是減少si添加量和增加Mo添加量。由此增加了以SKD61為基礎(chǔ)的低Si和高M(jìn)o為特點(diǎn)的改良鋼種。減少Si添加量，有效改善了回火時(shí)二次硬化中韌性的降低，但同時(shí)又惡化了模具的加工性能，因此希望采取相應(yīng)的對(duì)策。增加Mo添加量，有助于提高熱加工金屬模材料的高溫強(qiáng)度和抗軟化性能?，F(xiàn)在生產(chǎn)和供給的是超過JIS SKD61上限值、添加Mo 1．5％ ～2．0％ 和2．5％ ～3．O％ 等級(jí)的SKD61改良鋼種。
①減少SKD61雜質(zhì)，增加Mo至1．8％ 的改良鋼，在600~C的抗軟化性能與通常SKD61比較的結(jié)果。從初期硬度47HRC軟化到40HRC的時(shí)間改進(jìn)了兩倍左右。
②增加Mo 1．8％ 情況下，在500~C的高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)結(jié)果。通過提高M(jìn)o添加量，與過去的SKD61相比，斷裂壽命提高了1．5—2倍。
⒉改變模具鋼材生產(chǎn)方法
    作為熱加工模具鋼材內(nèi)部性質(zhì)的改善措施，主要采用爐外精煉技術(shù)大幅度減少影響熱加工工模具鋼特性的主要雜質(zhì)元素P(磷)、S(硫)等。特殊鋼生產(chǎn)廠供給的大多數(shù)SKD61類型鋼都是經(jīng)過精煉工序改善以后，S含量減小到JIS規(guī)格以下，韌性值得到了提高。而且，SKD61的改良鋼通過強(qiáng)化脫氣精煉，減少了鋼水中的氧，使氧化物系列的非金屬夾雜物降低，因此提高了韌性值。另外，通過改善凝固組織和減少高溫下均質(zhì)化處理造成的偏析，大幅度消除了鋼材縱向與橫向的韌性值差異。并且，對(duì)于要求比通常冶煉、鑄錠方法清潔度高的模具，以及考慮合金量多可能產(chǎn)生一次碳化物的材料，采取了ESR電渣重熔法。通過這些綜合性的提高韌性對(duì)策，可以達(dá)到不損害韌性來增加SKD61的Mo、W 添加量。這種可適應(yīng)更大熱應(yīng)力和熱沖擊的熱加工模具鋼材正在普及。
㈣綜述
    以上詳細(xì)介紹了熱加工工模具鋼各種用途所要求的特性及其高性能化。這些質(zhì)量的改善和性能的提高，對(duì)實(shí)現(xiàn)增加模具負(fù)荷的新生產(chǎn)工藝也起重要作用。但是，考慮到模具鋼材的成分系列以及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)已接近極限，作為可補(bǔ)充的有效方法，認(rèn)為模具的表面處理技術(shù)顯得更加重要。
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