冷加工模具鋼材高性能化現(xiàn)狀及未來趨勢冷加工方法有鍛造、沖壓、精密落料、滾軋成形、軋制成型等。這些用途的模具鋼材要求具有一定的硬度、強(qiáng)度和耐磨損性，所以在C較高(0．7％ ～2．4％)的鋼中，需添加許多可形成Cr、Mo、V、W等硬質(zhì)碳化物的合金元素。迄今使用的代表性冷加工工模具鋼是稱為冷加工三鋼種的JIS SK3、SKS3、SKD11。一直以來，要求冷加工模具具有很高的強(qiáng)度和耐磨損性，但隨著近年來塑性加工技術(shù)的進(jìn)步，由于近終形加工致使應(yīng)力負(fù)荷增大，以及汽車部件采用高強(qiáng)度鋼板使被加工材料強(qiáng)度提高，這種超負(fù)荷產(chǎn)生的裂紋和重復(fù)應(yīng)力負(fù)荷造成的疲勞破壞，導(dǎo)致早期退役的事例不斷增加，抑制裂紋缺陷成為一大課題。
另一方面，模具制作中的重要課題是降低模具制造成本和縮短加工時(shí)間，以及通過改善熱處理效率縮短超前時(shí)間。本文針對這些“高性能化”、“降低成本”、“易使用”等多樣化要求，闡述了對提高模具鋼材功能的研究。㈠提高模具壽命冷加工模具主要的損傷形態(tài)是磨損、剝落、裂紋、變形幫粘結(jié)等，要求模具鋼材有很高的硬度、耐磨損性、強(qiáng)度和韌性。但在高硬度情況下使用，再加上高應(yīng)力，往往會出現(xiàn)裂紋、剝落、磨損而導(dǎo)致早期壽命結(jié)束。作為影響這種冷加工模具鋼材機(jī)械特性的***大因素是組織中碳化物的彌散狀態(tài)。由于高C-高Cr的通用模具鋼材SKD11(1．5％C-12％Cr-1％Mo-0．2％V)在煉鋼鋼錠的凝固過程中，一次碳化物(Cr系)結(jié)晶很多，易粗大化，所以，一次碳化物及其凝聚部分成為破壞機(jī)械特性的主要原因。因此，以SKD11為基礎(chǔ)開發(fā)出了合金成分達(dá)到***佳化，可控制碳化物的8％Cr系模具鋼。8％Cr系模具鋼材通過降低C和Cr，抑制了由于粗大碳化物的生成而造成的裂紋、剝落。由此，通過減少一次碳化物、均勻彌散微細(xì)析出碳化物獲得了高于SKD11的3～4倍的沖擊值。而且，通過恰當(dāng)調(diào)整Mo、V量，在高溫回火中達(dá)到62HRC以上的高硬度，由于其硬度和韌性均衡性***，主要被廣泛用于易產(chǎn)生裂紋和剝落的用途，特別是使用環(huán)境苛刻的冷鍛造模、精密落料模、剪切機(jī)刀刃等也都達(dá)到了良好的壽命。㈡降低模具制造成本在汽車沖壓模具方面，如上所述，隨著部件的近終形加工和被加工材強(qiáng)度的提高，過去作為模具材料使用的鑄鋼、SKS等合金工具鋼和火焰硬化鋼逐漸被換成模具鋼材SKD11，其使用比率不斷增加。但是，模具鋼材用于需要重切削的深雕刻形狀的模具，由于不易切削，因而改善切削性是***大的課題。為此，各公司以縮短模具加工時(shí)間和減少切削工具來降低模具制作成本為目標(biāo)，開發(fā)出了快削模具鋼材。以下介紹8％Cr系列快削模具鋼材的實(shí)例。8％Cr系快削模具鋼材不僅大幅度改善了SKD11的切削性，而且是與8％Cr系模具鋼材有相同韌性和疲勞強(qiáng)度的鋼種。一般認(rèn)為，如果添加快削元素就會惡化機(jī)械特性。但這種8％Cr系快削模具鋼材通過恰當(dāng)添加快削元素量，以及對有助于切削性的夾雜物彌散狀態(tài)的有效控制，使切削性和機(jī)械特性均得到兼?zhèn)?。采?％Cr系列快削模具鋼材，進(jìn)刀速度為SKD11的1．5倍，由于每個刀刃進(jìn)刀量是固定的，所以轉(zhuǎn)數(shù)也是1．5倍，這種模具加工的結(jié)果是：粗加工中縮短加工時(shí)間33％ ，工具磨耗減少30％ ；精加工中也是縮短加工時(shí)間33％ ，工具磨耗減少50％ ，確實(shí)縮短了加工時(shí)間和減少了切削工具費(fèi)用。而且，熱處理尺寸變化特性、焊接性和放電加工性能均***，在模具制作方面，不僅減少了手工作業(yè)時(shí)間和設(shè)計(jì)變更等，而且在易使用這點(diǎn)上對用戶需求都有較大貢獻(xiàn)。
㈢以更高性能化為目標(biāo)作為冷加工模具高性能的材料，除了以上介紹的8％Cr系快削模具鋼材以外，還使用了基體高速工具鋼系列、粉末高速工具鋼系列等有高硬度和高韌性，而且可提高耐裂紋性、耐剝落性的鋼種。特別是粉末高速工具鋼因?yàn)槭悄探饘俜勰┲圃斐傻?，所以能?yīng)對煉鋼法中難度大的合金設(shè)計(jì)，而且能使微細(xì)碳化物均勻彌散分布，大幅度提高韌性。因此，能有效抑制模具使用中出現(xiàn)微小剝落和裂紋。尤其是改善過的基體系列粉末高速工具鋼，利用合金成分***佳化和粉末工藝達(dá)到了***佳韌性，硬度60HRC的是SKD11的5倍以上，64HRC時(shí)具有以往粉末高速工具鋼2倍以上的高韌性。另外，***高硬度達(dá)到66HRC以上，疲勞強(qiáng)度也很好，因此被廣泛用于冷鍛造、精密落料、各種沖孔、模具、各種冷加工工具(芯棒、滾子等)等用途。㈣相關(guān)的新技術(shù)發(fā)展動向隨著近年來塑性加工條件越來越苛刻，可以說對于改善模具壽命僅僅靠提高模具鋼材的性能是不夠的。***近，作為模具相關(guān)技術(shù)日益受到關(guān)注的是表面處理，在改善由于磨損和粘結(jié)等原因報(bào)廢的模具壽命方面取得了顯著的成果。用于冷加工模具的表面處理方法有CVD(化學(xué)真空鍍膜)、TRD(熱反應(yīng)析出、擴(kuò)散)、PVD(物理真空鍍膜)處理等。CVDQ和TRDQ的處理溫度高達(dá)1000℃以上，在硬質(zhì)膜和模具鋼材界面可形成擴(kuò)散層，所以膜的粘附性非常好，主要在汽車高強(qiáng)度鋼的深沖、彎曲沖壓成型等表面壓力高的用途方面，其壽命的改善取得了很好的效果。但是，由于處理溫度很高，很容易產(chǎn)生處理前后的尺寸變化和變形等。另外，PVD法的處理溫度較低約500℃，所以能夠控制處理前后的尺寸變化和變形。但硬質(zhì)膜的粘附性較差，因此，研究了把氮化等擴(kuò)散硬化處理作為底層處理來改善粘附性的復(fù)合表面處理方法。在實(shí)際使用方面也有許多改善金屬模壽命的例子。而且，***近在汽車沖壓成型用的PVD法，具有與CVD和TRD法相同的性能，已在實(shí)際中應(yīng)用。㈤綜述本文針對冷加工模具鋼材的高性能化問題進(jìn)行了闡述。今后，隨著全球性競爭，對模具壽命、成本的要求會越來越高，不只是模具鋼材，通過與熱處理、表面處理、CAE分析等相關(guān)技術(shù)的綜合效應(yīng)來提高模具品質(zhì)和性能是今后的一個重要課題。