抗熱疲勞裂紋新型熱作模具鋼的開(kāi)發(fā)

吉田潤(rùn)二

日本高周波鋼業(yè)（株）工具鋼技術(shù)部材料研發(fā)室

于紅（譯）

（東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連116105）

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，模具行業(yè)作為新興工業(yè)發(fā)展迅速，為實(shí)現(xiàn)制品的多樣化，縮短生產(chǎn)周期，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，模具的切削加工向著高精度、低成本、見(jiàn)效快、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)周期短的方向不斷發(fā)展。

為滿足熱作模具鋼的高性能要求，眾多廠家不斷開(kāi)發(fā)新型模具材料。然而，作為高性能優(yōu)質(zhì)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(shí)，也存在著惡化切削加工性能的缺點(diǎn)。因此，為了保持JIS標(biāo)準(zhǔn)中SKD61鋼的優(yōu)良切削加工性能，開(kāi)發(fā)研制了抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）性優(yōu)良的高性能熱作模具鋼KDA1S。

2 開(kāi)發(fā)目標(biāo)

模具的切削加工，包括各種磨削加工占整個(gè)制造過(guò)程的30%左右。目前，該工作仍大量依賴于熟練的手工勞動(dòng)者。在很大程度上，前部工序的加工質(zhì)量?jī)?yōu)良與否，直接影響著后部磨削的質(zhì)量及工期。并且，優(yōu)秀的熟練工老齡化趨勢(shì)日益明顯、加工技術(shù)傳承不濟(jì)等問(wèn)題愈來(lái)愈深刻，提高加工精度、改善切削質(zhì)量已經(jīng)刻不容緩。

2.1 改善切削加工性能

目前研發(fā)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(shí)，隨之而來(lái)的，是高合金化使鋼材內(nèi)部偏析嚴(yán)重，組織不均，從而影響了使用壽命。

KDA1S新材料的開(kāi)發(fā)，以提高模具使用壽命、優(yōu)化各項(xiàng)性能、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量為宗旨。換言之，打造日本金太郎糖注式效應(yīng)。

無(wú)論如何添加合金元素，對(duì)改善材料的性能而言，利弊同在。開(kāi)發(fā)理念是：以藥品為例，昂貴的藥物有時(shí)雖然可以起到立竿見(jiàn)影的治療效果，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生意想不到的副作用。還不如充分利用常用的廉價(jià)合金元素，調(diào)整其含量、配比，使其充分發(fā)揮各自的作用。但，無(wú)論如何使用合金元素，在改善鋼材的性能方面，都沒(méi)有百利而無(wú)一害的。

添加Ni、Co等合金元素，會(huì)使鋼材的機(jī)械性能有所改變，上有很大差別。新型材料KDA1S就是在對(duì)SKD61的成分進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖1），合理配比各種合金元素，進(jìn)而達(dá)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(qiáng)度。但，筆者認(rèn)為，控制Cr元素的含量，取而代之適當(dāng)添加微量的Mo元素可以起到等同的效果。不向鋼材內(nèi)部添加多余的合金元素，能夠使鋼材的性能穩(wěn)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(xì)小，提高切削加工性能，本公司采用特種冶煉技術(shù)，取代僅電爐中脫氣的生產(chǎn)方法，有效抑制了碳化物及非金屬夾雜的數(shù)量、形態(tài)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(nèi)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(jiàn)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(shí)，可以大幅度提高模具材料的使用壽命。

圖2 模具上產(chǎn)生的熱疲勞裂紋（熱龜裂）

對(duì)于高性能模具材料，由于大量地加入了稀有合金元素，而產(chǎn)生內(nèi)部偏析及碳化物，采用特種冶煉技術(shù)雖然可以減少偏析、提高質(zhì)量，但對(duì)于細(xì)化10μm以下的碳化物，效果并不明顯。而應(yīng)采取優(yōu)化生產(chǎn)工藝、調(diào)整成分與特種冶煉相結(jié)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(chǎn)生。

3 新型壓鑄模具鋼的特點(diǎn)與性能

本公司研發(fā)的KDA1S鋼具有“偏析小”和“碳化物形態(tài)控制良好”的特點(diǎn)，使材料的性能在SKD61鋼的基礎(chǔ)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(diǎn)

該新型材料的特點(diǎn)，概括起來(lái)，不僅具有目前市場(chǎng)上SKD61鋼的同等價(jià)位，保持了其優(yōu)良的加工性能，而且具有抗熱疲勞裂紋（熱龜裂）性?？偠灾?，是一種同時(shí)具備SKD61鋼及其改良鋼的所有優(yōu)良性能的新型材料。

KDA1S的顯著特點(diǎn)是，不僅有抑制初期微細(xì)裂紋的產(chǎn)生，而且極大地延緩初期的微裂紋向宏觀裂紋的擴(kuò)展，有效抑制機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展速率，從而極大地延長(zhǎng)了模具的使用壽命。

根據(jù)不同的生產(chǎn)條件，采用不同的模具，新型材料ADC12等具有初期產(chǎn)生微裂紋的形態(tài)細(xì)小良好的顯著特點(diǎn)。

目前為止，從KDA1S鋼的使用情況來(lái)看，與一般鋼材的裂紋形態(tài)不同，傾向于微細(xì)化。難以引發(fā)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(fù)雜的精密模具。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單、單一的模具效果并不明顯。另外，由于沒(méi)有添加多種合金元素，與SKD8相比高溫強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)壓鑄模的使用。

3.2 KDA1S的性能

3.2.1 KDAS1的特點(diǎn)

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?？篃崞诹鸭y性能優(yōu)良。①與SKD61鋼相比，裂紋細(xì)微，且不易擴(kuò)展；②與新型改良鋼種具有同樣優(yōu)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(yōu)良的韌性，優(yōu)良的耐熱軟化性；⑧是SKD61鋼2倍的耐熱軟化性性，能夠長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)韌性配合，同時(shí)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(shí)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(chǎn)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(dǎo)加熱-冷卻100℃<=>600℃的方式，經(jīng)1,000個(gè)熱循環(huán)周期試制，對(duì)熱裂紋試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)定，KDA1S新材料的裂紋發(fā)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(jīng)2,000個(gè)熱循環(huán)周期試驗(yàn)后的試片表面

圖5 經(jīng)3,000個(gè)熱循環(huán)周期試驗(yàn)后的試片表面

圖6 經(jīng)1,000個(gè)熱循環(huán)周期試驗(yàn)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(fèi)用很高，占整個(gè)模具費(fèi)用的70%以上，特別是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的形狀復(fù)雜的模具，加工費(fèi)用更是居高不下，因此，可以說(shuō)模具的切削加工性能對(duì)整個(gè)模具費(fèi)用有著舉足輕重的影響。

KDA1S新型材料無(wú)論是在退火態(tài)還是在調(diào)質(zhì)態(tài)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(fù)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(yōu)良的改良鋼種，但是突發(fā)性各種質(zhì)量問(wèn)題還時(shí)有發(fā)生，KDA1S新型材料可以有效抑制各種突發(fā)性問(wèn)題（見(jiàn)圖8）。

圖8 立銑刀的壽命比較

（3）抗溶損性。對(duì)使用初期模具溶損性評(píng)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(jīng)表面處理后KDA1S與SKD61沒(méi)有差別。但是，在熔融態(tài)的Al等的作用下，經(jīng)過(guò)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(guān)系，新型材料KDA1S的抗溶損性表現(xiàn)，在眾多熱作模具鋼中脫穎而出。

本公司對(duì)相關(guān)溶損問(wèn)題做了一系列研究，發(fā)現(xiàn)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(fā)明顯的裂紋，熔融態(tài)物質(zhì)就會(huì)迅速進(jìn)入沒(méi)有實(shí)施表面處理的裂紋內(nèi)，產(chǎn)生鋤犁態(tài)的溝痕，發(fā)生溶損。

對(duì)比SKD61鋼，為了延緩KDA1S新型材料的溶損進(jìn)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(jiàn)圖9）。

圖9 溶損特性比較

（4）耐熱軟化性。模具在使用時(shí)反復(fù)加熱、軟化等熱處理引起內(nèi)腔溶損及熱龜裂產(chǎn)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(jiàn)圖10）。

圖10 軟化抵抗性比較

（5）韌性。當(dāng)熔融金屬鑄入時(shí)，壓鑄模在熱應(yīng)力及射出成型力等復(fù)合應(yīng)力的作用下，要具備極強(qiáng)的高溫強(qiáng)度，但是，鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性往往是相互矛盾的。為了得到高強(qiáng)度，高硬度，熱處理后韌性不足，會(huì)導(dǎo)致初期裂紋的產(chǎn)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(shí)還要合理地選擇鋼的化學(xué)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(qiáng)度和韌性達(dá)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(jiàn)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(shù)。以上方法各有千秋，要根據(jù)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(jià)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(jīng)低溫氣化的金屬鹵化物氣體和導(dǎo)入的反應(yīng)氣體在高溫真空下相互反應(yīng)生成化合物而沉積在工件表面。其特點(diǎn)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(duì)已處理好的工件進(jìn)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(wú)須對(duì)處理過(guò)的工件進(jìn)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(fù)雜的精密模具。

如圖9所示，經(jīng)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(jīng)表面處理后，作用于模具表面的壓縮殘余應(yīng)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(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)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(yōu)良的熱處理性能（見(jiàn)圖12）。

圖12 冷卻曲線與組織的關(guān)系

4 應(yīng)用實(shí)例

KDA1S的應(yīng)用實(shí)例如表2所示。

表2 應(yīng)用實(shí)例