2083不锈钢塑料模具钢的淬透性

1 2083年钢淬透性分析

钢的淬火是钢性能的重要指标之一，对模具设计、材料选择、模具加工工艺安排、热处理工艺、新模具钢研发、现有模具钢改进、钢质量控制具有极其重要的指导意义。

不锈钢模具钢中更常用的是2083钢、2316钢和2085钢，前两种分别对应于中国SM4Cr13钢、SMCr17Mo而且2085钢还没有相应的牌号模具钢。2083钢用于制造52HRC淬火模腔、芯、镶嵌件；2316钢用于制造预硬模具零件，2085钢用于制造模具框架。这些钢结合在一起，由不锈钢塑料模具钢组成，

2083钢是不锈钢塑料模钢的主角，尤其是**镜面模具，粗加工后淬火，硬度达到52HRC。但也有两个缺点：一是钢淬透性低；二是切削加工性差[1]。

淬透性低的后果是：

(1)只能用于制造中小型模具，不能用来制造大、厚的中型模具。

(2)淬火时冷却速度要足够快，淬火变形和淬火的风险要相应增加。

(3)不适用于要求高淬透性的预硬钢。

然而，在寻找2083年钢材淬透性数据时，却有意无意地回避，即使有，也常常是其淬透性高[2]。

测定淬透性的方法有很多，目前应用更广泛。但该方法只能测量直径小于150的中淬钢mm不适用于高淬透性大截面钢。

钢的淬透性本质上是过冷奥氏体转化为马氏体的能力，连续冷却转换图(以下简称以下简称)CCT图)，描述过冷奥氏体转化动力学，奥氏体转化是淬火的物理基础，两者之间存在定量关系，更接近淬火生产的现实，对实践具有更大的指导意义。

2 2083钢（4Cr13）CCT图

2083钢（4Cr13）CCT图纸可以从相关手册和模具钢厂提供的信息中找到，2083度高的2083钢(4)Cr13钢）的CCT图[3]。如图1所示，奥氏体化温度为980℃，油冷，其中一些更正。

图1 2083钢CCT图

图1中的纵坐标是温度，时间对数是横坐标（logτ，s），底部圆圈中的数字代表转换产品的维氏硬度（HV）；转换产品的含量(%)表示冷却曲线与转换终点线交点处的数字。图1中的字母代表各相：A-奥氏体；K-碳化物；P-珠光体；F-铁素体；M-马氏体；Ms-马氏体转换开始温度；M-晶界马氏体转换开始温度。

图2另一幅2083钢CCT图，奥氏体化温度1，030℃，油冷[4]。

从图1和图2可以看出，图2中马氏体的转化温度明显低于图1；但珠光体的转化温度与时间相同。

图2 瑞典 2083钢CCT图

3 冷却曲线

冷却曲线是指在不同淬火介质中冷却不同直径的表面和中心温度的曲线。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概念清晰，精度低；③可描述动态过程和高精度分析方法。

路塞尔从传热理论计算冷却曲线，结合实测数据进行修正，进一步提高了精度。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，使用不同的奥氏体化温度。由于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 不同淬火介质冷却表面和中心冷却曲线

4 临界冷却速度和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相切时，冷却速度为临界冷却速度。

与冷却曲线图相比CCT当图叠在一起时，相应的冷却速度为临界冷却速度，相应的冷却速度为临界冷却速度；相应的圆棒直径为临界直径，也称为无铁素体临界淬火直径F。

研究表明，冷却速度在整个冷却过程中不断变化，每个冷却曲线800℃至500℃冷却速度恒定，800℃至500℃也可简化为8000恒定值℃冷到500间℃冷却时间表示冷却速度，直径为临界(淬透)F，如图4所示。

图4是根据2083年钢的热物理特性绘制的，同类不锈塑料模具钢的热物理特性也不同，需要各自的冷却时间-直径图。

图4 2083钢800不同冷却介质下~500℃冷却时间与直径之间的关系

如果从临界冷却曲线500℃和800℃分别引垂线，500℃的时间减去800℃时间，800~550℃间冷时间。从图中可以看出，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）。2083钢：油淬无铁素体临界淬透直径F≈200mm。空淬无铁素体临界淬直径F≈25mm。

在大截面高淬透性塑料模具钢中，因此，即使只能用于小截面，也不应用作预硬钢。在选择大中型模具材料和热处理时，必须考虑钢的淬透性。

5 等效截面

现在是圆棒(临界)直径，大部分模具截面都是矩形的，所以必须解决矩形截面(厚度)×宽度)和圆截面(直径)之间的等效转换是非常必要的。图5是国际标准化组织发布的矩形截面和圆截面之间的等效转换图[6]。本图考虑淬火和冷却速度。

一块厚145×宽300mm模块淬油，冷却效果和200mm圆棒相同。

图5适用于厚度240mm以下、宽度300mm以下扁钢。厚度240mm以上、宽度300mm上述扁钢按文献[7]中的公式转换：

D=2ab/（a b）

式中 D——等效直径，mm

 a——扁钢厚度，mm

 b——扁钢宽度，mm

更终定量判断任何扁钢或模块是否能淬火。

图5 转换等效直径和矩形截面尺寸

6 淬火和热处理

淬透性是一条带，称为淬透性带。在2083年实际生产的钢材中，不同炉次的淬透性甚至与炉次钢的淬透性有很大的离散性。化学成分合格，不硬，不能淬透，让热处理工程师头疼。图6显示了2083年钢真空高压气淬硬度和800度~500℃冷却时间关系。

图6 2083年钢真空高压气淬硬度为800~500℃冷却时间关系

目前，2083年大部分钢模芯采用真空5巴以上的高压气体淬火，气体淬火冷却速度低于油淬火冷却速度，气体淬火条件约150mm。

王凯旋和宛农针对某厂截面220~3000×610mm(等效临界淬透直径4000mm）4Cr13扁钢淬火问题，建立扁钢喷雾淬火生产线，解决[8]问题。然而，这种方法治标不治本。如果用这种钢制成模具，淬火时不会硬化，很麻烦，所以要选择淬火性更好的钢。

还有600个工厂截面×70mm(等效临界淬透直径为84mm）4Cr13扁钢，油淬硬度不足45HRC。浓度为15%~20%的改用AQ3699水溶性淬火剂(聚乙烯吨咯烷酮)。表面硬度为54~56HRC，核心硬度和抗拉强度也令人满意，但这种方法值得怀疑。淬火硬度合格，但绝不是优质钢材，导致淬火冶金缺陷依然保存，模具质量**。

其根本原因是共晶碳化物的过度沉淀和偏析。Cr13部分钢铬偏析系数高达6.46.这关系到热加工的所有环节，尤其是炼钢。

扩散退火，又称均匀退火，广泛应用于**模具钢中，行之有效。

图7是4Cr13钢奥氏体化温度与共晶碳化物含量的关系[9]℃碳化物的含量几乎消失了。利用扩散退火余热锻碎晶粒，此外，形变再结晶减少了高温扩散退火引起的晶粒粗化。

在理想情况下，扩散退火也可以减少成分偏析<1.2。

美国ASM5506A标准规定：除常规检测项目外，必须确定420钢的淬透性。截取钢材样品1/2英寸，980英寸~1,000℃空淬，硬度≥50HRC。就像北美压铸协会一样NADCA#207-2006“H13铝合金压铸模钢标准值得借鉴。

图7 奥氏体化温度与碳化物含量的关系

7 改进淬透性

为提高2083钢的淬透性，钢材成分设计工程师探索了2083年钢淬透性提高的新钢种。

马氏体不锈钢分为两个系列：13%Cr系列(美国420)和17%Cr系列(美国430)。为了提高淬透性，一派仍然是13%Cr另一派以17%为基础，以另一派炉灶为基础。

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（进口S136）。

欧洲特种钢厂加入0.2％～0.4%钒不等。加钒有三种作用:①辅助回火具有二次硬化能力；②细化晶粒，防止晶粒生长；③钒间接提高淬透性。

根据理论，如果钢中所含的碳和铬溶解在奥氏体中，则具有足够的淬透性。

钒的加入阻止了大块共晶碳化物在凝固过程中的沉淀，奥氏体溶解的碳和铬较多，提高了过冷奥氏体的稳定性，显着提高了钢的淬透性。

2083钢淬透性：

直径F≈300mm。

空淬无铁素体临界淬直径F≈50mm。

适用于中型模具，诞生了STAVAX ESR PRO HARDEN预硬钢。

加钒组成的STAVAXESR钢，淬透性好，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:

直径F≈800~1,000mm。

空淬无铁素体临界淬透直径F≈200~400mm。

制造大截面模具绰绰有余。

日本特种钢厂走的是另一条路，以13％Cr添加基本成分的元素钼（Mo）。

HPM38钢是日立钢厂推出的**塑料模具钢。~33HRC硬度为50~55HRC全硬钢，预硬钢3万×300mm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、钼中加入合金元素（Mo）0.1%，[11]也取得了很好

目前，直接移植到胡须刀开发的420钢作为模具钢，即2083钢。进入现代缺点，应逐步消除，根据模具使用特点生产改进型420钢，以满足模具钢的基本要求之一。

8 结论

（1）2083（4Cr13、420)钢淬透性低，淬火无铁素体临界淬火直径F≈?200mm。空淬无铁素体临界淬直径F≈?25mm，不适用于预硬钢。

(2)2083年我国钢材质量反映较多，建议**模具钢标准SM4Cr3不锈钢塑料模具钢纳入淬透工程。

(3)各国改进型2083钢淬透性大大提高，值得推荐。

(4)目前常用的塑料模钢对照表，尤其是不锈钢模钢，相似，各厂改进型2083钢淬透性差别很大，各有特点，换算代用时不能简化。

**作者简介：朱本义，男，毕业于上海交通大学热处理专业，中国航空航天**工程师。中国科学院特别研究员，热处理协会第四、五、六届主任，**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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