冷加工模具钢材高性能化现状及未来趋势

冷加工方法有锻造、冲压、精密落料、滚轧成形、轧制成型等。这些用途的模具钢材要求具有一定的硬度、强度和耐磨损性，所以在C较高(0．7％ ～2．4％)的钢中，需添加许多可形成Cr、Mo、V、W等硬质碳化物的合金元素。迄今使用的代表性冷加工工模具钢是称为冷加工三钢种的JIS SK3、SKS3、SKD11。一直以来，要求冷加工模具具有很高的强度和耐磨损性，但随着近年来塑性加工技术的进步，由于近终形加工致使应力负荷增大，以及汽车部件采用高强度钢板使被加工材料强度提高，这种超负荷产生的裂纹和重复应力负荷造成的疲劳破坏，导致早期退役的事例不断增加，抑制裂纹缺陷成为一大课题。另一方面，模具制作中的重要课题是降低模具制造成本和缩短加工时间，以及通过改善热处理效率缩短超前时间。本文针对这些“高性能化”、“降低成本”、“易使用”等多样化要求，阐述了对提高模具钢材功能的研究。

㈠提高模具寿命

冷加工模具主要的损伤形态是磨损、剥落、裂纹、变形帮粘结等，要求模具钢材有很高的硬度、耐磨损性、强度和韧性。但在高硬度情况下使用，再加上高应力，往往会出现裂纹、剥落、磨损而导致早期寿命结束。作为影响这种冷加工模具钢材机械特性的最大因素是组织中碳化物的弥散状态。由于高C-高Cr的通用模具钢材SKD11(1．5％C-12％Cr-1％Mo-0．2％V)在炼钢钢锭的凝固过程中，一次碳化物(Cr系)结晶很多，易粗大化，所以，一次碳化物及其凝聚部分成为破坏机械特性的主要原因。因此，以SKD11为基础开发出了合金成分达到最佳化，可控制碳化物的8％Cr系模具钢。8％Cr系模具钢材通过降低C和Cr，抑制了由于粗大碳化物的生成而造成的裂纹、剥落。由此，通过减少一次碳化物、均匀弥散微细析出碳化物获得了高于SKD11的3～4倍的冲击值。而且，通过恰当调整Mo、V量，在高温回火中达到62HRC以上的高硬度，由于其硬度和韧性均衡性优良，主要被广泛用于易产生裂纹和剥落的用途，特别是使用环境苛刻的冷锻造模、精密落料模、剪切机刀刃等也都达到了良好的寿命。

㈡降低模具制造成本

在汽车冲压模具方面，如上所述，随着部件的近终形加工和被加工材强度的提高，过去作为模具材料使用的铸钢、SKS等合金工具钢和火焰硬化钢逐渐被换成模具钢材SKD11，其使用比率不断增加。但是，模具钢材用于需要重切削的深雕刻形状的模具，由于不易切削，因而改善切削性是最大的课题。为此，各公司以缩短模具加工时间和减少切削工具来降低模具制作成本为目标，开发出了快削模具钢材。以下介绍8％Cr系列快削模具钢材的实例。

8％Cr系快削模具钢材不仅大幅度改善了SKD11的切削性，而且是与8％Cr系模具钢材有相同韧性和疲劳强度的钢种。一般认为，如果添加快削元素就会恶化机械特性。但这种8％Cr系快削模具钢材通过恰当添加快削元素量，以及对有助于切削性的夹杂物弥散状态的有效控制，使切削性和机械特性均得到兼备。采用8％Cr系列快削模具钢材，进刀速度为SKD11的1．5倍，由于每个刀刃进刀量是固定的，所以转数也是1．5倍，这种模具加工的结果是：粗加工中缩短加工时间33％ ，工具磨耗减少30％ ；精加工中也是缩短加工时间33％ ，工具磨耗减少50％ ，确实缩短了加工时间和减少了切削工具费用。而且，热处理尺寸变化特性、焊接性和放电加工性能均优良，在模具制作方面，不仅减少了手工作业时间和设计变更等，而且在易使用这点上对用户需求都有较大贡献。

㈢以更高性能化为目标

作为冷加工模具高性能的材料，除了以上介绍的8％Cr系快削模具钢材以外，还使用了基体高速工具钢系列、粉末高速工具钢系列等有高硬度和高韧性，而且可提高耐裂纹性、耐剥落性的钢种。特别是粉末高速工具钢因为是凝固金属粉末制造成的，所以能应对炼钢法中难度大的合金设计，而且能使微细碳化物均匀弥散分布，大幅度提高韧性。因此，能有效抑制模具使用中出现微小剥落和裂纹。尤其是改善过的基体系列粉末高速工具钢，利用合金成分最佳化和粉末工艺达到了最佳韧性，硬度60HRC的是SKD11的5倍以上，64HRC时具有以往粉末高速工具钢2倍以上的高韧性。另外，最高硬度达到66HRC以上，疲劳强度也很好，因此被广泛用于冷锻造、精密落料、各种冲孔、模具、各种冷加工工具(芯棒、滚子等)等用途。

㈣相关的新技术发展动向

随着近年来塑性加工条件越来越苛刻，可以说对于改善模具寿命仅仅靠提高模具钢材的性能是不够的。最近，作为模具相关技术日益受到关注的是表面处理，在改善由于磨损和粘结等原因报废的模具寿命方面取得了显著的成果。用于冷加工模具的表面处理方法有CVD(化学真空镀膜)、TRD(热反应析出、扩散)、PVD(物理真空镀膜)处理等。CVDQ和TRDQ的处理温度高达1000℃以上，在硬质膜和模具钢材界面可形成扩散层，所以膜的粘附性非常好，主要在汽车高强度钢的深冲、弯曲冲压成型等表面压力高的用途方面，其寿命的改善取得了很好的效果。但是，由于处理温度很高，很容易产生处理前后的尺寸变化和变形等。另外，PVD法的处理温度较低约500℃，所以能够控制处理前后的尺寸变化和变形。但硬质膜的粘附性较差，因此，研究了把氮化等扩散硬化处理作为底层处理来改善粘附性的复合表面处理方法。在实际使用方面也有许多改善金属模寿命的例子。而且，最近在汽车冲压成型用的PVD法，具有与CVD和TRD法相同的性能，已在实际中应用。

㈤综述

本文针对冷加工模具钢材的高性能化问题进行了阐述。今后，随着全球性竞争，对模具寿命、成本的要求会越来越高，不只是模具钢材，通过与热处理、表面处理、CAE分析等相关技术的综合效应来提高模具品质和性能是今后的一个重要课题。