原文标题:2083不锈塑料模具钢的淬透性
本文摘要:作者：朱本一、朱喆、金浩星（文章已刊载在《模具制造》月刊）1 2083钢淬透性分析钢的淬透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、热处理工艺的制订、新模具钢的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… …
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作者：朱本一、朱喆、金浩星（文章已刊载在《模具制造》月刊）
1 2083钢淬透性分析
钢的淬透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、热处理工艺的制订、新模具钢的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，前两种分别对应于我国SM4Cr13钢、SMCr17Mo钢，而2085钢尚无对应牌号模具钢。2083钢用于制造52HRC淬硬模具型腔、型芯和镶件；2316钢用于制造预硬的模具零件，2085钢用于制造模架。这几种钢组合在一起，可构成一副完整的、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。而且随着塑料模具日益大型化，对钢的淬透性要求也变得越来越高。可以说，不锈塑料模具钢以追求更高淬透性为目标，成为不锈塑料模具钢发展的主线。
2083钢是不锈塑料模钢中的主角，特别是高档镜面模具，粗加工后进行淬火，硬度达52HRC。但也存在着两大缺点：一是钢的淬透性低；二是切削加工性差[1]。
淬透性低所带来的后果是：
（1）只能用于制造中、小型模具，不能用于制造大、厚实的中型模具。
（2）淬火时冷却速度要足够快，淬火变形、淬裂危险性相应增大。
（3）不适合用作要求高淬透性的预硬钢。
然而，查找有关2083钢的淬透性资料时，都有意无意的迴避着，即便有，也往往是“其淬透性很高”[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ϕ150mm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，奥氏体转变是淬透性的物理基础，两者之间存在着定量关系，并且由于其更接近淬火生产实际，对实践的指导意义更大。
2 2083钢（4Cr13）CCT图
2083钢（4Cr13）CCT图可以从有关手册和模具钢厂提供的资料中查找，从中比较选可信度较高的2083钢（4Cr13钢）的CCT图[3]。如图1所示，奥氏体化温度980℃，油冷，其中作了个别更正。
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，s），其中的若干冷却曲线，其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1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；M\’-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1,030℃，油冷[4]。
比较图1和图2可知，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。
图2 ASSAB 2083钢CCT图
3 冷却曲线
冷却曲线是指不同直径圆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。圆棒直径越大，冷却速度越低，冷却时间越长。
确定冷却曲线有3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，作出修正，精度得以进一步提高，所得冷却曲线如图3所示[5]。
图3纵坐标有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ 5种温度标尺，供不同奥氏体化温度的使用。因为奥氏体化温度只改变冷却曲线的平移位置，而不改变冷却曲线的形状。
图3 不同直径圆棒在不同淬火介质中冷却时表面和中心冷却曲线
4 临界冷却速度与无铁素体临界淬透直径
大众周知，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，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；所对应的圆棒直径，即为所求的临界直径，也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，在各冷却曲线800℃至500℃间的冷却速度恒定不变，而800℃至500℃又是恒定值，故可简化为800℃冷到500间℃的冷却时间表述冷却速度，求得临界（淬透）直径ϕF，如图4所示。
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。
图4 2083钢在不同冷却介质下800～550℃间冷却时间与直径关系
如果从临界冷却曲线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。由图可知，冷却到500℃时间为500s，冷却到800℃时间为150s，所以从800冷到500℃的时间为350s（冷却速度为0.71℃/s）。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，即使用也只能是小截面的。大中型模具选材和热处理时必须考虑到此钢的淬透性大小。
5 等效截面
现在所求得的是圆棒（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）与圆截面（直径）之间的等效换算显得十分必要。图5是国际标准化组织颁布的矩形截面与圆截面间等效换算图[6]。此图已考虑淬火冷却速度。
一块厚145×宽300mm模块淬油，冷却效果与ϕ200mm圆棒相同。
图5只适用于厚度240mm以下、宽度300mm以下的扁钢。对于厚度240mm以上、宽度300mm以上的扁钢，则按文献[7]中的公式换算：
D=2ab/（a+b）
式中 D——等效直径，mm
a——扁钢厚度，mm
b——扁钢宽度，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。
图5 等效直径与矩形截面尺寸换算
6 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。化学成分合格，淬不硬，淬不透，使热处理工程师头痛，有苦难言。图6为2083钢真空高压气淬时硬度和800~500℃冷却时间关系。
图6 2083钢真空高压气淬时硬度和800~500℃冷却时间关系
目前多数2083钢模型芯采用真空5巴以上高压气淬，气淬冷却速度低于油淬冷却速度，在气淬条件下的淬透性约150mm。
王凯旋和宛农针对某厂截面220～300×610mm（换算成等效临界淬透直径为ϕ400mm）4Cr13扁钢淬油淬不透难题，建立了一条扁钢喷雾淬火生产线，得到解决[8]。但此方法治标不治本，如果用此钢材制成模具进行淬火时淬不硬就十分麻烦了，所以应该选用淬透性更好的钢材。
又有某厂截面600×70mm（换算成等效临界淬透直径为ϕ84mm）4Cr13扁钢，油淬硬度不足45HRC。改用15％～20％浓度的AQ3699（聚乙烯吨咯烷酮）水溶性淬火剂。表面硬度达到了54～56HRC，“芯部硬度和抗拉强度也令人满意”，但此方法值得商榷。虽然淬火硬度合格，但绝不是优质钢材，造成淬不硬的冶金缺陷仍然保存着，由其制成的模具品质令人堪优。
其根本原因在于共晶碳化物过度析出和偏析。4Cr13钢铬偏析系数有的高达6.46。这关系到热加工的所有环节，特别是炼钢环节。
扩散退火，亦称均匀化退火，高级模具钢中己被普遍采用，行之有效。
图7是4Cr13钢奥氏体化温度和共晶碳化物含量的关系[9]，到1,200℃时碳化物含量几乎消失。乘扩散退火余热进行锻轧，打碎晶粒，加之形变再结晶，减少了高温扩散退火带来的晶粒粗化。
扩散退火还能减轻成分偏析，理想情况下偏析系数可减小到<1.2。
美国ASM5506A标准中规定：420钢除常规的检测项目之外，必须测定淬透性。从钢材上截取1/2英寸试样，980~1,000℃空淬，硬度≥50HRC。如同北美压铸协会NADCA#207-2006“H13铝合金压铸模钢”标准，值得借鉴。
图7 扩散退火奥氏体化温度和碳化物含量关系
7 改进淬透性
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。
马氏体不锈钢分两大系列：13％Cr系列（美国420）和17％Cr系列（美国430）。钢的成分设计者，为提高淬透性，一派仍以13％Cr为基础，另一派另起炉灶，以17％为基础。
以瑞典伍德霍尔姆钢厂发展13％Cr钢为例。
首先在13％Cr钢中添加0.3％钒（V），商品名为STAVAX ESR（一胜百S136）。
欧洲各特钢厂，则加入0.2％～0.4％钒不等。加钒作用有3种：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钒间接提高淬透性。
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。
钒的加入阻止了凝固过程中大块共晶碳化物析出，就有更多的碳和铬溶入奥氏体，提高了过冷奥氏体稳定性，钢的淬透性得到明显提高。
加钒的2083钢淬透性:
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。
适用于中型模具，从而诞生了STAVAX ESR PRO HARDEN预硬钢。
加钒组成的STAVAXESR钢，具有好的淬透性，但毕竟有限。
MIRRAX ESR钢和POLMAX钢就是加入1.35％Ni、0.35％Mo、0.35％V，淬透性:
油淬无铁素体临界淬透直径ϕF≈800~1,000mm。
空淬无铁素体临界淬透直径ϕF≈200~400mm。
制造大截面模具绰绰有余。
日本特殊钢厂走的是另一条路子，以13％Cr为基本成分，加入元素钼（Mo）。
HPM38钢是日立钢厂推出的高级塑料模具钢。29～33HRC预硬钢和淬回火后硬度50～55HRC全硬钢，预硬钢300×300mm方形截面硬度分布曲线如图8所示[10]。
图8 HPM38钢截面硬度分布曲线
大同制钢的S-STAR钢，加入合金元素钼（Mo）0.1％，也取得很好效果[11]。
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即2083钢，进入现代己弊端众生，应逐步淘汰出局，针对模具使用特点生产改进型420钢，满足模具钢的基本要求之一的淬透性要求。
8 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≈ϕ200mm。空淬无铁素体临界淬透直径ϕF≈ϕ25mm，不适合用作预硬钢。
（2）对我国2083钢品质反映甚多，建议模具钢国标中SM4Cr3不锈塑料模具钢列入淬透性项目。
（3）各国改进型2083钢淬透性获得大幅改善，值得推荐。
（4）目前常用的塑料模钢对照表，特别是对不锈塑料模钢，是近似的，各厂改进型2083钢淬透性差别甚大，各具特色，在换算代用时不能简单化。
第一作者简介：朱本一，男，毕业于上海交通大学热处理专业，中国航空航天高级工程师。中国中国科学院特约研究员，热处理学会第4、5、6届理事，国家科技核心期刊《热处理技术和装备》第1、2、3届理事。
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本文作者:深圳市模具技术学会,转载本文请注明作者出处~