熱作模具鋼與冷作模具鋼：哪一種比較適合我？

在製造業中，產品通常使用鋼製工具進行成型和組裝。這些工具種類繁多，從常見的通用工具（例如鑽頭和螺絲起子）到更專業的設備（例如用於鑄造熔融金屬或成型汽車面板等零件的模具，在工程學中，「成型」指的是鍛造或沖壓）。工具鋼的種類也很多。用於切割金屬的工具鋼通常選用高速鋼（HSS），之所以被稱為高速鋼，是因為它們在高達 600 攝氏度的溫度下仍能保持硬度和耐磨性。與普通鋼材相比，高速鋼能夠以更高的速度切削金屬，而普通鋼材在大約 200 攝氏度以上就開始軟化。用於鑄造或成型金屬的鋼材也存在類似的區分。在這些作業中，工程師會提到熱作模具鋼和冷作模具鋼。熱作模具鋼用於製造將鋁、鋅等熔融金屬固定到位直至液態金屬凝固的模具，或用於在 200 攝氏度（約）以上成型金屬，而冷作模具鋼用於在低於相同溫度下成型金屬。

引言

在製造業中，「工具」和「工具鋼」這兩個術語具有特殊的專業意義。它們用來描述製造機械中與產品接觸的零件，以及該零件所使用的鋼材（如果該零件是由鋼材製成的，通常情況下都是如此）。

如此定義的工具可用於切割、鑄造或成型。

切削是鑽頭或車床上的單點刀具所執行的動作。它也是銑床的多點刀具或鋸片所執行的動作。

鑄造是將熔融金屬或其他熔融材料固定到位，直到其凝固的過程。

成形是指對固體工件進行鍛造、彎曲或沖壓，使其形狀改變而不損失材料的行為。

有時這些動作會結合起來，例如，當沖壓機在金屬板上切割出一個圓，同時將其成型為平底鍋的底部時。

在這種技術用法中，承載工具的機器以及承載工具的機器所使用的材料，通常與工具本身分開提及。

工具鋼的歷史

最早的工具鋼很可能是用來製造傳統工具的，例如鐵鎚、鐵砧、刀子和斧頭。起初，這些工具鋼與使用最原始技術製造的普通鐵幾乎沒有區別。

但隨著時間的推移，傳統鐵匠學會了改變鐵的性質，使其更硬以適應某些用途，更堅韌以適應另一些用途。這些改良後的鐵成為了最早的真正意義上的鋼。

在煉鋼業發展的早期，也就是三千多年前，鐵匠們發現，將特定成分的鐵加熱後立即浸入油或水中，可以使其硬度高於自然冷卻後的硬度。所謂“特定成分”，指的是高溫狀態下鐵中溶解碳的含量約為重量的百分之一左右。突然淬火可以阻止碳從溶液中析出，從而避免在相對純淨且柔軟的鐵基體中形成較大的碳化鐵顆粒。相反，淬火過程會將碳原子固定在鐵碳混合的馬氏體組織中，而這種組織結構更難變形。

當然，當時人們對這些化學知識一無所知。古時的鐵匠們只能憑藉各種經驗法則進行操作。在英語中，這衍生出了“黑魔法”（black art）一詞。鐵匠的工作與其說是科學，不如說是藝術；從物質層面來說，它骯髒而陰暗；更重要的是，沒有人真正了解鐵匠們究竟在做什麼。他們是與來自同樣烈焰地獄的惡魔勾結嗎？正因如此，鐵匠的工作才被稱為“黑魔法”，這個詞如今也被用來指任何其他類似的神秘工藝。

這是一張來自維基共享資源的公共領域圖片，描繪的是一位傳統鐵匠（西元1606年）。

隨著時間的推移，鐵匠的技藝日臻完善，儘管它仍然是一門藝術。他們會將最堅硬的鋼材放置在刀刃的位置，並與較軟但更堅韌的鋼材組合，形成刀身的主體。另一種初步的製備方法是在一塊鋼材中析出碳化物枝晶。然而，最初，這種複合材料需要經過多次鍛造、加熱和折疊，以去除可能導致鋼材脆化的雜質和氣泡，從而創造出刀身堅韌、刃口鋒利的刀刃。這些技術，例如日本的木目金法和中東的大馬士革法，都能鍛造出帶有漩渦狀紋理的鋼材，尤其是在蝕刻後，這些紋理會清晰地展現出鋼材的內部結構。儘管如此，當時人們對鋼材鍛造的真正原理仍然缺乏科學的理解，更多的是一種直覺和藝術的認知。

一把以木目金工藝製作的日本刀，背景是鎖子甲。照片由「Dafannin」拍攝於1986年5月12日，採用CC BY-SA 4.0協議，來自Wikimedia Commons。

18 世紀末 19 世紀初，情況變得更加科學化。現代化學的出現清楚地表明，當時的鋼是鐵和其他元素的合金，實際上是複合材料；主要的添加劑是碳；碳在軟鋼、硬鋼和鑄鐵中以不同的形式存在（鑄鐵中碳的濃度約為 4% 的重量百分比）。

透過控制提高鋼中碳的含量，可以生產出硬度極高但略脆的鋼材，這種鋼材非常適合切割其他類型的鋼材。現代工具鋼的雛形由此誕生。

這些早期的工具鋼主要由馬氏體（淬火硬化）基體和額外的碳化鐵夾雜物組成。

然而，它們的缺點是溫度高於攝氏 200 度時容易軟化，這限制了它們切割其他鋼材的速度。

1868 年，蘇格蘭工程師羅伯特·穆謝特（Robert Mushet）發明了一種在較高溫度下仍能保持硬度的鋼材。他的父親是最早認識到碳重要性的鋼鐵大亨之一。

這種被稱為穆謝特鋼的新型合金不僅含有常規量的碳，還含有大量的錳和鎢。穆謝特鋼還有一個不尋常的特性：無需在液體中淬火。它是第一種「空冷」鋼：只需將鋼材從熾熱狀態用氣流冷卻，即可達到類似馬氏體的硬度。

1900世紀初，美國工程師弗雷德里克·溫斯洛·泰勒及其同事進一步改進了穆舍特鋼的性能。改良後的成果稱為高速鋼（HSS）。高速鋼在高達500甚至600攝氏度的溫度下仍能保持良好的硬度，因此得名“高速鋼”，因為它可以比穆舍特鋼以更高的速度切割其他鋼材。除了所有鋼材都含有的鐵和碳之外，大多數高速鋼合金還含有大量的鎢，以及取代了最初穆舍特鋼配方中錳的鉻。

如今，硬質合金刀頭常用於要求最苛刻的金屬切削應用，但高速鋼仍然是製造鋸片和麻花鑽頭的首選材料，因為對於這些產品，插入硬質合金刀頭通常是不切實際的，尤其是在較小直徑和較細齒尺寸的等級中。

那麼鑄造和成型製程呢？

到目前為止，我主要介紹了用於切割的工具鋼的改進，從早期的刀片到現代高速鋼工業工具。然而，現代冷作工具鋼和熱作工具鋼之間的區別，實際上更適用於鑄造和成型用鋼。

熱作鋼用於工具溫度超過攝氏 200 度（392 華氏度）的加工過程中。

冷作模具鋼用於工具溫度保持在攝氏 200 度以下的加工過程中。

200 攝氏度的分界線並不是絕對的硬性規定，因為有許多不同性質的合金，但它是文獻中廣泛提及的一條常規分界線。

所有類型的工具鋼失效的主要原因包括斷裂、變形（特別是永久變形或「塑性」變形）、表面磨損以及由循環應力引起的表面疲勞裂縫的產生。循環應力既有機械應力也有熱應力；熱應力對於熱作模具鋼而言尤其嚴重。

冷作工具鋼

冷作模具鋼通常是高碳鋼，碳含量一般在1%到1.5%左右（以重量計）。最常見的類型包括油淬低合金鋼、空淬中合金鋼和高碳高鉻鋼。

油淬低合金鋼是最便宜的。除了雜質含量較少之外，它們與穆舍特鋼出現之前使用的傳統工具鋼基本相同。

中合金鋼採用空冷硬化工藝，硬化過程中變形比需要淬火的鋼材小。此外，與油淬鋼相比，空冷硬化鋼可硬化更厚的截面，厚度可達100毫米甚至更厚。

高碳高鉻鋼，依其特定成分，以油淬或空冷硬化的方式進行硬化，具有最強的耐磨性。

冷作模具鋼通常用於多種日常工業用途，包括：

• 塑膠壓鑄
• 用於成型薄金屬板（例如汽車的曲面車身面板）的模具
• 車床卡盤和中心架
• 壓路機
• 用於螺紋和滾花的輥壓成型模具
• 擴孔器、鉸刀、絲錐和芯軸
• 輪子和支架用於金屬絲和冷管的運作
• 剪刀、刀片和其他切割工具，適用於切割時間短、產生的熱量少的應用場合。
• 儀表
• 沖裁模、拉延模和沖孔模

熱作工具鋼

與穆舍特鋼和早期高速鋼一樣，熱作模具鋼傳統上都含有大量的鎢作為合金元素。然而，也有一些熱作模具鋼以鉻為主要合金元素，還有一些牌號以鉬為主要合金元素。

除了高速金屬切削和鑽孔外，熱作模具鋼通常也用於：

• 金屬壓鑄
• 擠壓
• 鍛造
• 玻璃製品製造

鑄造材料選擇

使用工具鋼的鑄造工藝稱為壓鑄，其中工具可作為模具，以比砂型鑄造更忠實、更可重複的方式賦予最終產品詳細或相對精確的形狀。

壓鑄技術可能起源於公元1400世紀活字印刷術中，當時使用與字母形狀相同的開放式模具進行鑄造。而現代意義上的壓鑄，則是將金屬在高壓下注入由兩個相對的模具組成的模具中，使其精確地填充模具。

塑膠模具通常採用特殊等級的冷作鋼（稱為P鋼）、鋁或鈹銅合金製成。銅和鋁用於此用途的優點在於其導熱性遠高於鋼，因此冷卻速度更快、更均勻。

另一方面，鋼模的使用壽命更長（可達數百萬次循環），並且能更好地抵抗高速塑膠噴射的侵蝕，尤其是在塑膠中含有玻璃纖維等磨蝕性複合材料增強材料的情況下。此外，某些表面光潔度也只有鋼模才能可靠地實現。

成型製程的材料選擇

使用冷作模具鋼的金屬成形製程通常不會造成金屬的大幅變形。例如，透過軋製在棒材表面形成螺紋，或將扁平金屬板壓製成汽車車身面板的複雜曲面，都是典型的冷成形工藝。

螺紋的冷軋成型。圖片由「Tosaka」提供，2009年10月12日，CC BY 3.0 授權，來自Wikimedia Commons。

冷加工製程通常透過金屬晶體結構的重新取向和加工硬化來改善金屬的質量，儘管對晶體結構的影響通常僅限於表面，而且不如鍛造那麼顯著，我將在下一節中討論鍛造。

所有較劇烈的金屬成形製程都涉及熱加工（溫度高於攝氏200度）。如前所述，這些工藝包括：

• 擠出和
• 鍛造

正如我們之前提到的，玻璃製品的製造是熱作模具鋼的另一個主要應用領域。

擠壓成型是將加熱軟化後的材料通過模具擠壓，形成具有恆定橫截面輪廓的長條狀製品的過程。最常見的擠壓製品是塑膠型材和鋁型材，它們的形狀可以非常複雜。塑膠型材可以用冷作模具擠壓成型，而鋁型材則必須用熱作模具擠壓成型。

擠壓成型過程中有一種特殊的類型是鐓粗擠壓，用於製造鋁罐罐體和藥管等產品。鐓粗擠壓的原理是：將模具向下壓入金屬坯料中，金屬坯料隨後繞著模具向後流動，從而形成罐體或管體。令人驚嘆的是，這種方法能夠製造出壁厚如此薄且均勻的罐體和管體。

無縫管也可透過擠壓成型製造。首先將實心鋼坯加熱，然後在中間穿孔。之後將其套在芯軸上，透過擠壓成型獲得最終尺寸和壁厚。

鍛造是指將一塊熾熱的金屬（通常是燒紅的）用工業用鎚敲打成最終形狀，之後只需進行少量機械加工（切割）工序。扳手就是一個典型的鍛造產品。錘子可以由機械驅動雙向敲擊，也可以由機械裝置提升後依靠重力落下（“落鍛”）。

鍛造鐵路列車車輪的鋼製輪胎。照片由Rainer Halama拍攝，2010 年 6 月 19 日，CC BY-SA 3.0授權，來自Wikimedia Commons。

鍛造是木紋金和大馬士革鋼等古老鍛造技術的直接工業繼承者。它具有類似的效果，即使玻璃狀雜質和氣泡分散並閉合，使鑄態金屬內部通常存在的大晶體或“顆粒”（類似於鍍鋅鐵柵欄上的亮片，它們本身也是一種金屬晶體）被破壞並被更小的晶體所取代，並且在許多情況下，還會沿著最終形狀的外弧方向變形。

正如人們所預料的那樣，細晶粒結構優於粗晶粒結構；而晶粒形狀與產品形狀一致的細晶粒結構則進一步改善了最終產品的機械性能，使其在重載荷下發生邊角開裂的可能性遠低於其他情況。

dropforging.net網站上有一個非常好的形狀跟隨晶體的插圖。它與早期技藝最精湛的鐵匠的作品有著本質的相似之處，只不過這裡最終得到的是工業製品，而不是劍。

許多最「重要」的機械部件，即那些承受重載且一旦斷裂會造成嚴重或至少非常惱人後果的部件，都是鍛造的。例如，扳手如果採用其他方法製造，可能會在螺帽附近的應力最大點斷裂；鍛造零件還包括引擎的曲軸和連接活塞與曲軸的連桿，儘管活塞本身通常是鑄造的。 （不過，鍛造活塞用於賽車發動機，並且在日常使用中也越來越受歡迎。）

鍛造主要分為兩種：自由鍛造和閉式模鍛。自由鍛造將金屬錘鍛造成大致形狀，改善其內部結構，但不會賦予其任何特定的形狀或晶粒紋理。閉式模鍛則可以產生更明確的形狀和晶粒紋理。