抗熱疲勞裂紋新型熱作模具鋼的開發

吉田潤二

日本高周波鋼業（株）工具鋼技術部材料研發室

于紅（譯）

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連116105）

1 引言

隨著工業技術的迅速發展，模具行業作為新興工業發展迅速，為實現制品的多樣化，縮短生產周期，提高競爭能力，模具的切削加工向著高精度、低成本、見效快、壽命長、生產周期短的方向不斷發展。

為滿足熱作模具鋼的高性能要求，眾多廠家不斷開發新型模具材料。然而，作為高性能優質模具材料，由于大量添加了稀有、昂貴的合金元素，在抗熱疲勞裂紋性能得到改善的同時，也存在著惡化切削加工性能的缺點。因此，為了保持JIS標準中SKD61鋼的優良切削加工性能，開發研制了抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）性優良的高性能熱作模具鋼KDA1S。

2 開發目標

模具的切削加工，包括各種磨削加工占整個制造過程的30%左右。目前，該工作仍大量依賴于熟練的手工勞動者。在很大程度上，前部工序的加工質量優良與否，直接影響著后部磨削的質量及工期。并且，優秀的熟練工老齡化趨勢日益明顯、加工技術傳承不濟等問題愈來愈深刻，提高加工精度、改善切削質量已經刻不容緩。

2.1 改善切削加工性能

目前研發的新型模具材料，絕大部分由于添加了大量的昂貴、稀有的合金元素，使材料的各方面性能得以很大改善的同時，隨之而來的，是高合金化使鋼材內部偏析嚴重，組織不均，從而影響了使用壽命。

KDA1S新材料的開發，以提高模具使用壽命、優化各項性能、穩定產品質量為宗旨。換言之，打造日本金太郎糖注式效應。

無論如何添加合金元素，對改善材料的性能而言，利弊同在。開發理念是：以藥品為例，昂貴的藥物有時雖然可以起到立竿見影的治療效果，但同時也會產生意想不到的副作用。還不如充分利用常用的廉價合金元素，調整其含量、配比，使其充分發揮各自的作用。但，無論如何使用合金元素，在改善鋼材的性能方面，都沒有百利而無一害的。

添加Ni、Co等合金元素，會使鋼材的機械性能有所改變，上有很大差別。新型材料KDA1S就是在對SKD61的成分進行調整（見圖1），合理配比各種合金元素，進而達到最佳的利用效果。

圖1 顯微組織

例如，添加Ni、Co合金元素，可以顯著提高耐熱軟化性和高溫強度。但，筆者認為，控制Cr元素的含量，取而代之適當添加微量的Mo元素可以起到等同的效果。不向鋼材內部添加多余的合金元素，能夠使鋼材的性能穩定單一，有效抑制成分偏析和粗大碳化物，改善切削加工性能。為了使碳化物均勻細小，提高切削加工性能，本公司采用特種冶煉技術，取代僅電爐中脫氣的生產方法，有效抑制了碳化物及非金屬夾雜的數量、形態及尺寸大小。

2.2 改善模具鋼的抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）和韌性

熱作模具鋼的失效，主要是鋼材內部偏析及碳化物所引起的破裂、磨損、沖刷腐蝕、熱疲勞裂紋（見圖2）等原因造成。如果能夠有效控制以上因素，在改善加工性能與抵抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）的同時，可以大幅度提高模具材料的使用壽命。

圖2 模具上產生的熱疲勞裂紋（熱龜裂）

對于高性能模具材料，由于大量地加入了稀有合金元素，而產生內部偏析及碳化物，采用特種冶煉技術雖然可以減少偏析、提高質量，但對于細化10μm以下的碳化物，效果并不明顯。而應采取優化生產工藝、調整成分與特種冶煉相結合的方法，可以有效去除粗大碳化物，減少偏析，有效改善熱疲勞裂紋的產生。

3 新型壓鑄模具鋼的特點與性能

本公司研發的KDA1S鋼具有“偏析小”和“碳化物形態控制良好”的特點，使材料的性能在SKD61鋼的基礎上，抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）性等有了大幅度的提高。

3.1 新型壓鑄模具鋼的特點

該新型材料的特點，概括起來，不僅具有目前市場上SKD61鋼的同等價位，保持了其優良的加工性能，而且具有抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）性。總而言之，是一種同時具備SKD61鋼及其改良鋼的所有優良性能的新型材料。

KDA1S的顯著特點是，不僅有抑制初期微細裂紋的產生，而且極大地延緩初期的微裂紋向宏觀裂紋的擴展，有效抑制機械疲勞裂紋擴展速率，從而極大地延長了模具的使用壽命。

根據不同的生產條件，采用不同的模具，新型材料ADC12等具有初期產生微裂紋的形態細小良好的顯著特點。

目前為止，從KDA1S鋼的使用情況來看，與一般鋼材的裂紋形態不同，傾向于微細化。難以引發為宏觀裂紋，保證了模具的使用周期，延緩了模具的使用壽命，特別適用于形狀復雜的精密模具。對于形狀簡單、單一的模具效果并不明顯。另外，由于沒有添加多種合金元素，與SKD8相比高溫強度低，并不適用于高硅材及H30合金等的高溫壓鑄模。KDA1S和ADC12更適用于標準壓鑄模的使用。

3.2 KDA1S的性能

3.2.1 KDAS1的特點

KDA1S鋼是廣泛使用的抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）和切削加工性兼顧的新型熱作工具鋼。抗熱疲勞裂紋性能優良。①與SKD61鋼相比，裂紋細微，且不易擴展；②與新型改良鋼種具有同樣優良的抗熱疲勞裂紋性，大幅度提高模具使用壽命；③與SKD61鋼相比，切削加工性提高30%以上；④是新型改良鋼種的5倍；⑤良好的韌性；⑥與SKD61鋼相比，韌性提高80%以上（T方向）；⑦與新型改良鋼種具有同樣優良的韌性，優良的耐熱軟化性；⑧是SKD61鋼2倍的耐熱軟化性性，能夠長時間保持高硬度。

3.2.2 KDAS1的用途

KDAS1鋼可用于壓鑄模、熱鍛造模等。

3.2.3 特性

（1）抗熱疲勞裂紋性（熱龜裂）。壓鑄模要具有良好的強韌性配合，同時保持較高的熱疲勞抗力，因而能夠承受高溫拉、壓、沖擊作用，同時還要承受高溫磨損、氧化及激冷激熱周期性溫度變化等作用。因而，在模具表面極易產生熱龜裂，稱之為熱疲勞裂紋。此熱疲勞裂紋是造成模具損耗及破裂的主要因素。本公司采用高周波誘導加熱-冷卻100℃<=>600℃的方式，經1,000個熱循環周期試制，對熱裂紋試驗結果進行分析評定，KDA1S新材料的裂紋發生頻率僅為SKD61鋼的1/2左右，有了很大程度的改善，如圖3～圖7所示。

圖3 高周波線圈加熱示意圖

圖4 經2,000個熱循環周期試驗后的試片表面

圖5 經3,000個熱循環周期試驗后的試片表面

圖6 經1,000個熱循環周期試驗后的斷面組織

圖7 熱疲勞裂紋的比較

（2）切削加工性。模具的切削加工費用很高，占整個模具費用的70%以上，特別是近年來迅速發展起來的形狀復雜的模具，加工費用更是居高不下，因此，可以說模具的切削加工性能對整個模具費用有著舉足輕重的影響。

KDA1S新型材料無論是在退火態還是在調質態與SKD61鋼具有同等的切削加工性能。為了減少熱處理變形，縮短加工制造周期，特別適用于形狀復雜的精密模具。特別是壓鑄模在服役條件下不斷承受高速、高壓噴射、金屬的沖刷腐蝕和周期性的急冷急熱作用，所以首先考慮使用性能優良的改良鋼種，但是突發性各種質量問題還時有發生，KDA1S新型材料可以有效抑制各種突發性問題（見圖8）。

圖8 立銑刀的壽命比較

（3）抗溶損性。對使用初期模具溶損性評定，模具的表面處理膜的性能比鋼材本身的性能影響大。這意味著，使用初期、經表面處理后KDA1S與SKD61沒有差別。但是，在熔融態的Al等的作用下，經過鋼材表面處理的表層不斷溶損脫落，模具的溶損速度與材料自身的性能有很大的直接關系，新型材料KDA1S的抗溶損性表現，在眾多熱作模具鋼中脫穎而出。

本公司對相關溶損問題做了一系列研究，發現Si含量、偏析及粗大的碳化物能夠極大地加速溶損。存在偏析和粗大的碳化物，易于誘發明顯的裂紋，熔融態物質就會迅速進入沒有實施表面處理的裂紋內，產生鋤犁態的溝痕，發生溶損。

對比SKD61鋼，為了延緩KDA1S新型材料的溶損進程，采取降低Si含量、抑制偏析、極大減少2μm以上的碳化物等措施，使得熱處理材的抗溶損性提高20%，表面處理材提高25%~39%（見圖9）。

圖9 溶損特性比較

（4）耐熱軟化性。模具在使用時反復加熱、軟化等熱處理引起內腔溶損及熱龜裂產生，所以要求具有一定的耐熱軟化性。KDA1S的耐熱軟化性是SKD61鋼的2倍（見圖10）。

圖10 軟化抵抗性比較

（5）韌性。當熔融金屬鑄入時，壓鑄模在熱應力及射出成型力等復合應力的作用下，要具備極強的高溫強度，但是，鋼的韌性、強度和耐磨性往往是相互矛盾的。為了得到高強度，高硬度，熱處理后韌性不足，會導致初期裂紋的產生。特別是模具鋼多向受力的，并存在各向異性，薄弱方向首先破損，因此提高模具鋼的等向性，使組織均勻化，同時還要合理地選擇鋼的化學成分并采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合。

新材料KDA1S與SKD61相比，韌性提高20%～70%，是一種高等向性模具鋼（見圖11）。

圖11 韌性的比較

（6）表面處理特性。為了提高各種模具的使用壽命，常常采用氮化法、PVD法、CVD法、TD法等表面處理技術。以上方法各有千秋，要根據各種模具的不同用途選取不同的處理方法。所謂氮化處理，價格低廉，具有抗熱疲勞裂紋和抗溶損的效果。所謂CVD處理，是經低溫氣化的金屬鹵化物氣體和導入的反應氣體在高溫真空下相互反應生成化合物而沉積在工件表面。其特點是:處理溫度高，膜與基體的粘附性好，沉積速度快，但是被處理工件變形大，母材易軟化，從而需要對已處理好的工件進行二次處理。而PVD處理法與CVD處理法相比，處理溫度低，工件幾乎不變形，無須對處理過的工件進行二次處理。但膜與基體的粘附性比CVD處理法差，不適用于形狀復雜的精密模具。

如圖9所示，經表面處理后，新型材料KDA1S具有良好的抗溶損性。如表1所示，經表面處理后，作用于模具表面的壓縮殘余應力能明顯改善熱龜裂，獲得良好的表面處理效果。

表1 各種表面處理與抗熱疲勞裂紋性的比較

（7）熱處理特性。新型材料KDA1S具有良好的淬透性，中型以上的大型模具同樣具有良好的韌性。貝氏體的轉變開始時間是SKD61鋼的一倍以上（120min），即使是大型模具仍能保持良好的韌性，具有優良的熱處理性能（見圖12）。

圖12 冷卻曲線與組織的關系

4 應用實例

KDA1S的應用實例如表2所示。

表2 應用實例