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冷作工具鋼是用做量規、鋼釬、沖床等工具和沖壓、鍛造、滾軋、輥壓等模具，進行切斷、彎曲、沖壓、壓縮等加工。在這些加工中，模具承受高面壓和沖擊負荷，大部分模具因磨損、熱粘結、掉肉、開裂等原因報廢。因此，冷作模具鋼要求具有高強度、高耐磨性、高耐疲勞性和高韌性。 1冷作工具鋼的特點 圖1是主要冷作工具鋼的性能匹配情況。表1是主要冷作工具鋼的化學成分。冷作工具鋼的最重要的特性就是耐磨性。提高耐磨性的基本方法是提高鋼的硬度。冷作工具鋼一般要進行淬火回火，在硬度為60HRC左右的狀態下使用。提高鋼的C含量可以提高硬度。此外，添加 Cr、Mo、V、W等碳化物生成元素，使鋼中含有M7C3、M6C、MC等硬質碳化物（表2），可進一步提高鋼的耐磨性。但碳化物量大時，鋼的韌性和耐疲勞性下降。因此要根據用途選擇適宜的冷作工具鋼。 2碳素工具鋼 C含量為0.55～1.50%，并含有少許Si、Mn的鋼種是碳素工具鋼。JIS中有11個碳素工具鋼的牌號。碳素工具鋼經750～840℃淬火和150～200℃回火，硬度可達54～63HRC。由于碳素工具鋼中合金元素少，淬透性差，所以要進行水冷淬火。并且即使水冷，工件中心也不能淬透，只有表面被淬硬，中心的硬度仍然較低。JIS碳素工具鋼中最常用的牌號是SK105（1.05C-0.2Si-0.25Mn）。SK105用做刀具、鋼釬、夾具和沖模等。 3 合金工具鋼 JIS將合金工具鋼分為4類：切削工具鋼、耐沖擊工具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼。其中冷作模具鋼有10個牌號。此外還有許多以JIS鋼為基礎的改良鋼牌號。以下對合金工具鋼的代表性牌號的特點做簡要說明。 3.1 低合金工具鋼 冷作模具鋼中合金元素含量比較少的是低合金工具鋼，常用的牌號是SKS93（1.05C-0.95Mn-0.4Cr）和SKS3（0.95C-1.05Mn-0.75Cr）。這兩個牌號的Mn含量都是1%左右，SKS93含有0.4Cr，SKS3含有0.75Cr，提高了鋼的淬透性。此外，SKS3還含有0.75%的W提高了淬透性和韌性。低合金工具鋼用做剪刃、量規、沖模等。 3.2 高C高Cr冷作工具鋼 高C高Cr冷作工具鋼最有名的牌號是SKD11（1.5C-12Cr-1Mo系）。SKD11的最大特點是良好的耐磨性。由于Cr含量高，在母相中有粗大的Cr碳化物（M7C3），提高了耐磨性。SKD11的淬透性良好，空冷就可以獲得均勻的芯部硬度。SKD11的淬火溫度是1000～1040℃。這是真空熱處理爐常用的淬火溫度。耐磨性優于SKD11的冷作工具鋼是SKD1（2C-12Cr系）。SKD1的C、Cr含量多于SKD11，所以粗大的Cr碳化物的量也多，使SKD1成為耐磨性極高的工具鋼。由于粗大的Cr碳化物量很多，所以韌性和耐疲勞性不如SKD11。由于SKD1的淬火溫度是950℃，與一般常用的淬火溫度不同，并且淬透性差，必須油淬。所以很少使用SKD1。 在SKD11基礎上已經開發出的適用于不同用途的各種改良鋼，得到了廣泛應用。 3.3 8%Cr冷作工具鋼 8%Cr系鋼雖然沒有納入JIS標準中，但是得到廣泛應用。該鋼在SKD11的基礎上，調整成分、主要成分為1C-8Cr-2Mo。8%Cr產生的背景是，上世紀70年代，對淬火回火模具鋼進行電火花放電加工十分普遍，但出現了電火花放電加工引起模具鋼產生裂紋的問題。裂紋產生的主要原因是放電加工異常層去除不夠，但也有淬火殘余應力和韌性不足的原因。采用高溫回火可以有效消除殘余應力。但SKD11經高溫回火處理后，得不到要求的硬度，而且韌性也不好。因此，在SKD11的基礎上，降C和Cr提高韌性，添加較多的Mo，使鋼經高溫回火也可獲得62HRC的高硬度，于是形成了8%Cr鋼。8%Cr的耐磨性不如SKD11，但由于綜合性能優良，在目前仍得到廣泛應用，是與SKD11并列的冷作工具鋼標準牌號。此后又開發出對8%Cr鋼進行改良的鋼種。 由于日本經濟長期低迷、工具鋼生產企業全球化、東南亞各國工具鋼制造技術的提高，日本工具鋼企業為了生存，降低成本和縮短交貨時間成為當務之急。在這種背景下，提高切削性和降低熱處理變形成為縮短交貨時間的有效手段。SKD11系鋼中的粗大硬質碳化物多，切削性差，而且熱處理后工價尺寸變化大，尺寸修正要花費時間，所以迫切要求開發出切削性好、熱處理變形小的工具鋼。目前已經開發出的切削性好、熱處理變形小的8%Cr改良鋼充斥于工具鋼市場。 3.4 基體沖壓模具鋼 基體沖壓模具鋼是消除SKD11粗大碳化物的、成分相當于基體鋼的鋼種。基體沖壓模具鋼尚未納入JIS標準中，但各特鋼企業開發并銷售多種基體沖壓模具鋼。上述的8%Cr鋼在SKD11的基礎上，降C和Cr，減少了粗大碳化物，改善了韌性，但鋼中仍然有許多粗大碳化物。基體沖壓模具鋼在8%Cr的基礎上，進一步降C和Cr，使鋼中幾乎沒有粗大碳化物。因此韌性和耐疲勞性大大好于8%Cr鋼。并且切削性和熱處理尺寸變形各向異性也有明顯改善。基體沖壓模具鋼的采用，縮短了模具成品的交貨時間。 3.5 5%Cr冷作工具鋼 JIS 中的5%Cr冷作工具鋼著名牌號是SKD12（1C-5Cr-1Mo系）。SKD12的C和Cr小于SKD11，韌性優良，但耐磨性不如SKD11。SKD12的特點是熱處理尺寸變形各向異性小。SKD12的淬火溫度是970℃、低溫回火硬度雖然是60HRC，但高溫回火硬度小于58HRC，這些都缺乏通用性，所以很少使用 3.6火焰表面淬火鋼 工具鋼一般經常規淬火回火后使用。火焰表面淬火鋼是簡化進行淬火回火處理的鋼類。火焰表面淬火是對加工后的模具用焊接噴嘴或熔斷噴嘴只對工件要求硬度部位加熱，然后冷卻，獲得60HRC以上硬度的熱處理方法。火焰表面淬火鋼要求的特性是，淬火溫度范圍大、并具有一定的淬透性、韌性和焊接性。火焰表面淬火鋼沒有納入JIS標準，但各特鋼企業自行生產銷售滿足上述特性要求的表面淬火鋼。表面淬火鋼的主要成分是0.7C-1Si-1Mn-1Cr。由于表面淬火鋼的價格比沖壓模具鋼便宜，并且熱處理工時少、交貨期短，多用于汽車制造廠的切斷用模具。（注：圖、表參見原創） |
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