什麼是SKD61鋼？

SKD61鋼是一種高性能熱作模具鋼，專為熱鍛、壓鑄和擠壓模具應用而設計。由于其具備高溫強度、出色的抗熱疲勞性和尺寸穩定性，非常适合用于經曆反複熱循環的工具。

SKD61在硬度保持性、可加工性與表面處理兼容性（如滲氮、PVD塗層等）之間實現了良好平衡，有助于顯著延長模具使用壽命，提升工藝過程的可預測性，并降低維護頻次與成本。

SKD61鋼國際通用等效牌号

* 盡管這些牌号在整體性能上相近，但化學成分與熱處理響應的細微差異仍可能影響模具在高溫工況下的表現。在跨國項目或替代選用時，建議結合具體工藝條件進行充分驗證。

SKD61化學成分 —— JIS G 4404：2022

典型元素主要功能：

• C：通過馬氏體轉變提供硬度和耐磨性；影響二次硬化。
• Si：強化鐵素體基體，有助于抗回火軟化。
• Mn：提高淬透性，并有助于整體韌性。
• Cr：提高淬透性、耐腐蝕性和高溫強度。
• Mo：提高紅硬性、二次硬化能力和抗熱疲勞性能。
• V：形成細小的碳化物，提高耐磨性并細化晶粒。

工程意義：

• 較高的Cr和Mo含量确保在反複高溫循環下具有良好的尺寸穩定性和抗熱疲勞能力。
• 釩碳化物可在關鍵模具表面提高耐磨性。
• 矽和錳有助于優化回火穩定性，降低長時間使用過程中發生軟化的風險。

顯微組織與材料科學解析

馬氏體組織與碳化物分布

SKD61鋼經淬火後形成回火馬氏體組織，合金碳化物均勻分布，是其高溫強度和抗熱疲勞性能的基礎。主要碳化類型包括：

• ——M₆C：主要元素W、Mo，促進二次硬化并保持高溫硬度；
• ——MC：主要元素V，細化晶粒、提高耐磨性；
• ——M₂₃C₆：主要元素Cr，提高高溫強度并增強回火軟化能力。

淬火後通常含有少量殘餘奧氏體（＜3～5%），雖然殘餘奧氏體會略微降低硬度，但其在服役過程中的轉變有助于補償厚截面中的微小應力，從而改善尺寸穩定性。

ESR（電渣重熔）與純淨度

• 夾雜物減少：最大限度減少了非金屬夾雜物，這些夾雜物是熱循環下微裂紋的常見萌生地。
• 疲勞壽命提升：更潔淨的顯微組織支提高了抗熱裂和熱疲勞能力。
• 抛光性能改善：更少的夾雜物和均勻的碳化物分布改善了表面光潔度，對光學極或高光潔度模具尤為重要。

工程意義：對于模具設計師和工程師而言，采用ESR工藝的SKD61在長期生產中具有更高的可靠性，并能獲得一緻的高質量表面光潔度，從而減少維護和停機時間。

熱處理過程中的顯微組織演變

1. 奧氏體化：加熱至1020～1080℃，溶解合金碳化物并形成均勻的奧氏體基體。
2. 淬火：采用空冷、油冷或真空冷卻，使奧氏體轉變為馬氏體，從而獲得高硬度和耐熱性。殘餘奧氏體含量受冷卻速度和截面厚度影響。
3. 回火：通常進行2～3次回火，析出細小合金碳化物，釋放内應力，增強韌性，同時減少微裂紋的形成。

工程意義：

• 多次回火循環優化了硬度與韌性的平衡，這對于承受熱循環和高機械載荷的模具至關重要。
• 适當控制的熱處理降低了回火引起的軟點風險，并确保尺寸穩定性，特别是對于複雜或厚壁截面的模具。

機械性能

物理性能

• 密度：≈7.8g/cm³，影響搬運、夾具設計和結構支撐。
• 熱導率：25～30W/m·K，影響高速成型中的散熱和循環時間。
• 彈性模量：210GPa，決定剛度和抗負載變形能力。
• 熱膨脹系數：11.5×10⁻⁶/℃，指導厚壁截面尺寸變化的允許量。

高溫強度

SKD61鋼專為高溫模具應用而設計，在反複熱循環條件下能夠同時保持硬度和韌性：

• 熱硬性：在600–650°C範圍内仍能有效保持硬度，确保尺寸穩定性和加工/成型性能的一緻性。
• 抗熱疲勞性：回火馬氏體組織與細小合金碳化物相結合，可抑制熱循環過程中熱裂紋的萌生與擴展。

工程意義：對模具設計師而言，這意味着SKD61模具能夠勝任高速鍛造、壓鑄和擠壓工藝，而不會過早軟化或發生表面劣化。

疲勞與失效機制

• 熱裂：快速加熱時從表面缺陷或夾雜物處萌生。
• 表面剝落/崩缺：反複熱循環導緻硬化層局部脫落。
• 氧化/起皮：長時間暴露高溫或腐蝕性環境中會降低表面完整性。

緩解策略：

• 控制熱處理和回火，平衡硬度和韌性。
• 采用ESR重熔減少夾雜物引發的熱裂。
• 合理設計冷卻系統，減少局部過熱和應力集中。

熱處理與表面強化

标準熱處理工藝：

• 退火：780～820℃ 爐冷，用于消除内應力并改善可加工性，硬度約為220–250 HB。
• 去應力處理：粗加工後進行，以降低後續熱處理風險。
• 奧氏體化：1020～1080℃，加熱需避免過熱以防晶粒粗化。
• 淬火：采用油冷、空冷或氣冷，冷卻速度需受控以防止淬裂。
• 回火：通常在540～560℃進行2～3次回火，最終硬度為48～52 HRC。

工程提示：預加工尺寸需考慮淬火和回火過程中的尺寸變化，精确控制溫度、時間和冷卻方式可确保性能一緻性。

表面硬化技術

• 滲氮：形成高硬度擴散層，顯著提高耐磨性，典型層深0.2～0.4mm，尺寸變形小。
• PVD/CVD塗層：如TiN、CrN，可降低摩擦、減少粘着磨損并提高抗熱裂能力。
• 複合處理：滲氮+PVD可在高循環鍛造和壓鑄模具中發揮協同優勢。

變形控制與尺寸穩定性

• 合理的夾具設計以減少熱處理過程中的翹曲。
• 預留0.3～0.5mm餘量用于最終磨削。
• 熱處理後采用輕磨或抛光達到最終尺寸。

機加工與制造指南

CNC加工建議

• 銑削與車削：采用塗層硬質合金或金屬陶瓷刀具；粗加工切削速度80–120 m/min，精加工120～180m/min。
• 切深控制：避免一次性重切削，采用多次走刀。
• 磨削：熱處理後使用CBN或氧化鋁砂輪并充分冷卻。
• 冷卻方式：高壓冷卻或霧化冷卻有助于散熱和延長刀具壽命。

抛光與表面處理

• 砂紙從P240～P400逐步到P800～P1200，最終使用6～1μm金剛石膏或膠體二氧化矽。
• 避免局部過熱，防止橘皮或微劃痕。

修複與再加工

• 焊接：使用相容的鎳基或不鏽鋼模具鋼焊絲，預熱200～300℃。
• 焊後處理：進行去應力或回火以恢複性能。
• 後續磨削與抛光：恢複尺寸和表面質量。

典型應用及鋼種對比

典型應用：熱鍛模具、壓鑄模具（鋁、鋅合金）、擠壓與熱沖壓模具。

工程案例：

案例1：高循環鍛造模具某鍛造廠将H11模具替換為SKD61後：

• 模具壽命提升約30%
• 熱疲勞裂紋明顯減少
• 在50萬次循環中保持尺寸精度

案例2：鋁合金壓鑄由H13改用SKD61後，模腔表面氧化和磨損降低，廢品率下降，維護周期延長。

結語

SKD61鋼是一種性能卓越的熱作模具鋼，具有出色的抗熱疲勞能力、熱硬性和尺寸穩定性。其Cr‑Mo‑V碳化物均勻分布的回火馬氏體組織，尤其是在ESR精煉版本中，使其具備更高的耐磨性、抛光性和模具壽命。通過合理的化學成分控制、熱處理和表面工程（如滲氮、PVD/CVD），可進一步提升其硬度、韌性和疲勞壽命。

對于追求高溫耐久性、熱疲勞抗力和長期精度的工程師、設計師和采購人員而言，SKD61是優于SKD6或H11的可靠選擇。