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冷作工具鋼是用做量規(guī)、鋼釬、沖床等工具和沖壓、鍛造、滾軋、輥壓等模具，進(jìn)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(fù)荷，大部分模具因磨損、熱粘結(jié)、掉肉、開裂等原因報(bào)廢。因此，冷作模具鋼要求具有高強(qiáng)度、高耐磨性、高耐疲勞性和高韌性。

1冷作工具鋼的特點(diǎn)

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(xué)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(jìn)行淬火回火，在硬度為60HRC左右的狀態(tài)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(zhì)碳化物（表2），可進(jìn)一步提高鋼的耐磨性。但碳化物量大時(shí)，鋼的韌性和耐疲勞性下降。因此要根據(jù)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(gè)碳素工具鋼的牌號(hào)。碳素工具鋼經(jīng)750～840℃淬火和150～200℃回火，硬度可達(dá)54～63HRC。由于碳素工具鋼中合金元素少，淬透性差，所以要進(jìn)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(hào)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(gè)牌號(hào)。此外還有許多以JIS鋼為基礎(chǔ)的改良鋼牌號(hào)。以下對(duì)合金工具鋼的代表性牌號(hào)的特點(diǎn)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(hào)是SKS93（1.05C-0.95Mn-0.4Cr）和SKS3（0.95C-1.05Mn-0.75Cr）。這兩個(gè)牌號(hào)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(guī)、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(hào)是SKD11（1.5C-12Cr-1Mo系）。SKD11的最大特點(diǎn)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(yōu)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(chǔ)上已經(jīng)開發(fā)出的適用于不同用途的各種改良鋼，得到了廣泛應(yīng)用。

3.3  8%Cr冷作工具鋼

8%Cr系鋼雖然沒有納入JIS標(biāo)準(zhǔn)中，但是得到廣泛應(yīng)用。該鋼在SKD11的基礎(chǔ)上，調(diào)整成分、主要成分為1C-8Cr-2Mo。8%Cr產(chǎn)生的背景是，上世紀(jì)70年代，對(duì)淬火回火模具鋼進(jìn)行電火花放電加工十分普遍，但出現(xiàn)了電火花放電加工引起模具鋼產(chǎn)生裂紋的問題。裂紋產(chǎn)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(yīng)力和韌性不足的原因。采用高溫回火可以有效消除殘余應(yīng)力。但SKD11經(jīng)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(chǔ)上，降C和Cr提高韌性，添加較多的Mo，使鋼經(jīng)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(yōu)良，在目前仍得到廣泛應(yīng)用，是與SKD11并列的冷作工具鋼標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)。此后又開發(fā)出對(duì)8%Cr鋼進(jìn)行改良的鋼種。

由于日本經(jīng)濟(jì)長期低迷、工具鋼生產(chǎn)企業(yè)全球化、東南亞各國工具鋼制造技術(shù)的提高，日本工具鋼企業(yè)為了生存，降低成本和縮短交貨時(shí)間成為當(dāng)務(wù)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(shí)間的有效手段。SKD11系鋼中的粗大硬質(zhì)碳化物多，切削性差，而且熱處理后工價(jià)尺寸變化大，尺寸修正要花費(fèi)時(shí)間，所以迫切要求開發(fā)出切削性好、熱處理變形小的工具鋼。目前已經(jīng)開發(fā)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(dāng)于基體鋼的鋼種。基體沖壓模具鋼尚未納入JIS標(biāo)準(zhǔn)中，但各特鋼企業(yè)開發(fā)并銷售多種基體沖壓模具鋼。上述的8%Cr鋼在SKD11的基礎(chǔ)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(chǔ)上，進(jìn)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(shí)間。

3.5  5%Cr冷作工具鋼

JIS 中的5%Cr冷作工具鋼著名牌號(hào)是SKD12（1C-5Cr-1Mo系）。SKD12的C和Cr小于SKD11，韌性優(yōu)良，但耐磨性不如SKD11。SKD12的特點(diǎn)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(jīng)常規(guī)淬火回火后使用。火焰表面淬火鋼是簡化進(jìn)行淬火回火處理的鋼類。火焰表面淬火是對(duì)加工后的模具用焊接噴嘴或熔斷噴嘴只對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，但各特鋼企業(yè)自行生產(chǎn)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(jià)格比沖壓模具鋼便宜，并且熱處理工時(shí)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(chuàng)）