2083不锈塑料模具钢的淬透性
摘要
确定了2083钢的无铁素体临界淬透直径ΦF。以淬透性为主题论述了2083钢存在问题及其发展路径。
To determine the 2083 steel critical handenable diameter without ferrite ФF . At 2083 steel handenability theme discusses the existing problems and its development path.
钢的淬透性性是钢诸项性能中的重要指标之一。对模具设计、选材，模具加工工序安排、热处理工艺制订、新模具钢研发和现有模具钢的改进、钢的质量控制都有着极其重要的指导意义。
不锈塑料模具钢中最常用的有2083钢，2316钢和2085钢，分别对应于我国SM4Cr14钢、SM3Cr17Mo钢，而2185钢尚无对应牌号。2083钢用作制造高硬度HRc52模型、模芯和镶件；2316钢用作制造中硬度预硬钢的，而2085钢则用作制造模架。这几种钢组合在一起，可构成一付完整的、由不锈塑料模具钢组成的、具有良好耐蚀性的模具。由于每一种钢在模具中所处地位和所起作用的不同，决定了对淬透性要求不同。而且随着塑料模日益大型化，对钢淬透性的要求也越来越高。可以说，以追求更高淬透性为目标，从来就是不锈塑料模钢的发展主线。
2083钢是不锈塑料模钢中的主角，特别是高档镜面模具。但也存在着二大缺点[1]：
一是淬透性低；
二是切削加工性差。
淬透性低所带来的后果是：
1，只能用于制造中、小型模，不能用于制造大型、厚实的中型模。
2，要求淬火时冷却速度快，淬火变形、淬裂危险性相应增大。
3，不适合用作淬透性要求高的预硬钢。
然而，有关2083钢的淬透性都有意无意的迴避着，即便有，也往往是“淬透性很高”[2]。
测定淬透性的方法很多，目前最广泛采用的是顶端淬透性测定法。但此方法只能测定低、中淬透性钢、且限于直径小于150毫米的钢材，不适用于高淬透性大截面钢材。
钢的淬透性实质上是过冷奥氏体转变成马氏体的能力大小，而连续冷却转变图，简称CCT图，是描述过冷奥氏体转变动力学，也是淬透性的物理基础，两者之间存在着定量关系。且由于其更接近淬火生产实际，对实践的指导意义更大。
一，2083钢CCT图
2083钢(4r13)CCT图可以从有关手册和模具钢厂提供的资料中查找，从中选用可信度较高的2083钢(4Cr13钢)CCT图[3]，见图1 (奥氏体化温度980℃)，个别作了更正。
图1 2083钢CCT图
图1中的纵坐标为温度，横坐标为时间对数(logτ秒)；
其中冷却曲线底端圈内的数字代表转变产物的维氏硬度(Hv)；
冷却曲线与转变终了线交点处的数字表示转变产物的含量(％)。
图中各字母代表各相：A-奥氏体；K-碳化物；P-珠光体；F-铁素体；M-马氏体；Ms-马氏体转变开始温度；Ms'-晶界马氏体转变开始温度。
图2为另一幅2083钢的CCT图 (奥氏体化温度1030℃) [4]。
图2 2083钢CCT图
两者相比，图2马氏体开始转变温度明显比图1低；但对珠光体开始转变温度和时间相同。
二，冷却曲线
冷却曲线是指不同直径园棒在不同淬火介质中冷却时表面和中心温度随时间的变化曲线。园棒直径越大，冷却速度越低，冷却时间越长。
确定冷却曲线有三种；
1，实测，可信度高，费钱、费时；
2，分析法，概念清晰、精度低；
3，解析法，可描述截面各点动态过程、精度高。
路塞尔从传热学理论计算得出冷却曲线，结合实测数据，进行修正，所得冷却曲线见图3[5]。
图3 不同直径园棒在不同淬火介质中冷却时表面和中心冷却曲线
图3纵坐标有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五种温度标尺，不同奥氏体化温度使用。因为奥氏体化温度只改变冷却曲线的位置，而不改变冷却曲线的形状。
三，临界冷却速度与无铁素体临界淬透直径
众所周知，当冷却曲线与铁素体或珠光体“鼻子”相切时的冷却速度，即为临界冷却速度。
当把冷却曲线图与CCT图叠在一起时，某冷却曲线与珠光体转变鼻子相切，所对应的冷却速度即为临界冷却速度；所对应的园棒直径，即为所求的临界直径，称为无铁素体临界淬透直径，以ΦF表示。
研究表明，冷却速度在整个冷却过程中不断变化的，各冷却曲线在800℃至500℃间的冷却速度又各不相同，但800℃冷到500间℃的冷却速度几乎不变，故可简化为定值，用冷却时间表述，求得临界(淬透)直径ΦF，如图4所示。
图4 2083钢在不同冷却介质下800～550间冷却时间与直径关系
图4是考虑2083钢的热物理特性绘出的，同类不锈塑料模具钢的热物理特性也不相同，需有各自的冷却时间-直径图。
从图1临界冷却曲线的500℃和800℃处分别引垂线，500℃的时间减去800℃时的时间，得800～550℃间冷却时间。冷却到500℃时间为500秒，冷却到800℃时间为150秒，从800冷到500℃的时间为350秒(冷却速度为0.71℃/秒)。从图4油淬曲线2，求得2083钢:
油淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈200mm。
空淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈25mm，
在大截面高淬透性塑料模具钢中属低的，故不宜用作预硬钢，即使用也只能用作小截面的预硬钢。在模具选材时必须考虑此钢的淬透性大小。
四，等效截面
现在所求得的是园棒(临界)直径，绝大多数的模具截面是矩形的，所以必须解决矩形截面(厚×宽)与园截面(直径)之间的等效换算显得十分必要。图5是国际标准化组织(IS0)颁布的油淬矩形截面与园截面等硬度换算图[6]。
图5 油淬条件下直径与矩形截面尺寸的等硬度换算
一块厚145毫米×宽300毫米模块淬油，其硬度与Φ200毫米园棒相同。
此图只适用于厚度240毫米以下、宽度300毫米以下的扁钢。对于厚度240毫米以上、宽度300毫米以上的扁钢，则可近似按式[7]换算：
D=2ab/(a+b)
式中-D为等效直径(mm)；
a为钢材厚度(mm)；
b为钢材宽度(mm)
用上述方法可以对任一扁钢或模块能否淬透，作出最终定量判断。
五，淬透性与热处理
淬透性是一条带，称为淬透性带。在实际生产的2083钢中不同炉次的淬透性，甚至同炉次钢的淬透性离散度大。有时出现化学成分合格，而淬不硬，淬不透现象，热处理工程师有苦难言。
图6 2083钢真空高压气淬硬度和800-500℃冷却时间关系
目前多数2083钢模型、芯采用真空炉高压气淬,压力5巴以上，即使如此，气淬冷却速度仍低于油淬冷却速度，在5巴气淬条件下的淬透性约为150毫米。
某厂有截面600×70毫米4Cr13扁钢，油淬硬度仅为45HRc,。后改用15～20％浓度的AQ3699(聚乙烯吡咯烷酮,PVP)水溶性淬火剂。表面硬度达到了54～56HRc，“心部硬度和抗拉强度也令人满意”[9]。此规格扁钢此换算成等效临界淬透直径为84毫米,应能完全淬透。该方法虽然硬度合格，但造成淬不硬的冶金缺陷仍然存在着，由其制成的模具令人堪憂。
又有王凯旋和宛农[8]针对某厂截面220～300×610毫米4Cr13扁钢淬油淬不透，建立了一条扁钢喷淬生产线。此规格扁钢换算后等效临界淬透直径为400毫米,已超过其等效临界淬透直径,淬不迭是正常的。应该选用淬透性更好的钢材。
淬不硬，淬不透根本原因，在于共晶碳化物多和偏析。4Cr13钢的铬偏析系数有的高达6.46。这关系到热加工的所有环节，采取恰当措施。
扩散退火，亦称均匀化退火，在各类高级模具钢中己被普遍采用，行之有效。扩散退火能减轻成分偏析，理想情况下偏析系数可减小到<1.1。
图7是4Cr13钢扩散退火奥氏体化温度和共晶碳化物含量的关系[10]，到1200℃时碳化物含量几乎消失。乘扩散退火余热进行锻轧，在锻轧过程中发生的形变再结晶，减少了高温扩散退火带来的晶粒粗化。
图7 扩散退火奥氏体化温度和碳化物含量关系
美国 ASM 5506A标准中规定：420钢除常规的检测项目之外，厚度＞1/2英寸的钢材应测定淬透性。从钢材上截取厚1/2英寸试样，于980-1000℃空淬，硬度应该≥50HRc。如同北美压铸协会NADCA#207-2006“H13铝合金压铸模钢”这类补充标准，值得借鉴。
六，改进淬透性钢种
为了改进2083钢的淬透性，钢材成分设计工程师们纷纷探索改善2083钢淬透性的新钢种。
现以瑞典乌德霍尔姆钢厂发展马氏体不锈模钢为例。
2083钢的化学成分就是借用美国普通的AISI 420不锈结构钢制造模具，为了解决该钢淬透性不足，在钢中添加0.3％钒(V)，发展出商品名为STAVAX ESR钢,即现为大家熟知的、一胜百命之为S136钢。
2083钢加钒作用有三：
1，辅予回火时有二次硬化能力；
2，细化晶粒，阻止晶粒长大；
3，提高淬透性。
按照理论计算，如果钢中所含的碳和铬全部溶入奥氏体，是具有足够淬透性的。
钒的加入一方面阻止了凝固过程中大块共晶碳化物析出，让更多的碳和铬溶入奥氏体，提高了过冷奥氏体稳定性，从而使钢的淬透性得到明显提高。
另一方面,钒溶入固溶体能明显提高钢的淬透性,而钒又是强烈形成碳化物元素,部分钒与碳形成碳化物而未溶入奥氏体中而降低钢的淬透性。两者的平衡点为0.28%V。当钒含量<028%时,淬透性随钒含量的增加而增加,说明钒全部溶于奥氏体中;而当钒含量>028%时,淬透性随钒含量的增加而下降, 说明钒主要碳化物形态存在。
2083钢+0.3%V—4Cr13V后的淬透性为:
油淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈300mm。
空淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈50mm，
适用于制造中小型模具,甚至可用作中小型模具预硬钢,由此就诞生了STAVAX ESR PRE HARDENED预硬钢。
我国宝钢现己生产2083钢+V的BSM136钢,抚顺特钢亦推出了FT64钢,但未讲明添加何种元素，目的何在？不明。
这里需强调指出的：STAVAX ESR钢的淬透性得到提高，但淬火时仍必须保持足够的冷却速度，在一胜百提供的资料中规定，热处理淬火介质：
·足够正压的真空气冷
·高速气体／循环气氛
·流态炉或盐浴炉250－550℃分级淬火后在空气中风冷
·温油，大约80℃
后两种淬火介质容易理解，前两种，特别是第二种，不好理解。实际上，真空气淬炉有两种，一种是高压气淬真空炉，另一种是高流率气淬真空炉。用高流率气淬真空炉淬火时，炉内充入高纯氮气体或氮氢混合气氛，并在炉内高速循环流动，绝不可理解为在空气中用鼓风机吹风冷却。
STAVAX ESR钢要求淬火时在保证变形量合格的条件下，冷速尽可能高，真空气淬时的N2压力4～5巴。
对大型模具而言,STAVAX ESR钢的淬透性仍显不足,为此发展出大型塑料模钢MIRRAX ESR 钢和POLMAX钢,加入Cr-Ni-V诸元素(1.33％Ni、0.35％Mo、0.35％V，但碳同时含量降到O．25％)。
其淬透性为
油淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈800-1000mm。
空淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈200-400mm，
如此高的淬透性可确保大型模具在较低的淬火冷却速度下仍能淬透、淬硬，减少了内应，而且整个截面性能均匀一致,它是马氏体不锈钢中一种新概念钢种。
七,淬透性与标准
我国GB/T 2454-2009”优质合金模具钢”中有 40Cr13钢(此标准规定4Cr13钢改用40Cr13称呼), 现在看，当初把为胡须刀开发的420钢直接移植过来用作模具钢，进入现代己弊端众生，己不能满足模具钢的要求,应逐步淘汰出局,纳入加钒的4Cr13V钢。
在YB/T 094-1997”塑料模具用扁钢”中有SM4Crl3钢,在5 .6特殊要求节中第5.6.4项规定检验淬透性。在6章试验方法中表8试验項目中序号9中也列有”淬透性”,试验方规定按GB225、 GB/T 227。但令人遗憾的是,标准对淬透性沒有量化指标,淬透性方法也完全不适用高淬透性模具钢。这可参考美国ASM 5506A标准规定420钢应作淬透性检验。建议用从钢材上截取厚25mm试样在1020℃下空冷淬火，硬度≥50HRC。此方法简单可行,既检查了淬透性、又检查了淬硬性,一举两得。
从上述分析可知,2083=4Cr13＝40Cr13≠SI36;
2083+V=4Cr13+V=4Cr13V＝S136
其区别在于淬透性不同。S136可代替2083和4Cr13; 反之,则不可,除非是小模具。
结论：
1，2083(4Cr13、420)钢的淬透性偏低，淬油无铁素体临界淬透直径ΦF≈200毫米。空淬无铁素体临界淬透直径ΦF≈25毫米，在5巴气淬条件下的淬透性约150毫米。不适合用作预硬钢。
2，对我国2083钢品质反映甚多，建议模具钢国标SM4Cr3不锈塑料模具钢列入淬透性项目,逐步淘汰,纳入改进型淬透性良好的4Cr13V钢。
4，目前常用的塑料模钢对照表是近似的，各钢厂对2083钢或多或少作了改进，淬透性差别甚大，各具特色，在换算代用时不能简单化。
参考文献
1，佐佐木 哲夫 “プレ-ハドン钢の加工”《特殊钢》[J]1973，2.
2，肖纪美 “不锈钢的金属学问题(第2版)”[M].北京：冶金工业出版社，2006.
3，Schmolz+Bickenbach样本
4，一胜百样本
5，潘健生、胡明娟.“热处理工艺学”[M].北京：高等教育出版社，2009.
6，YSSヤスキハガネ ハンドフック[M]，日立金属株式会社，2010，12.
7，Karl-Erik Thelning.Steel and its heat treatment[M].
8，王凯旋 宛农 系不锈模具钢模块喷淬系统研究[J]模具工业，2012，Vol.38，No.3，P.65.
9，待找
10，C.Garcìa “Effects of carbide-forming elements on the response to thermal treatment of the X45Cr13 martensitic stainless steel”[J].Journal of materials science 33(1998)4095-4100.
11,日立样本(YSS高级プラスチック金型用鋼).
