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2083不銹塑料模具鋼的淬透性

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2083不銹塑料模具鋼的淬透性

 

 

摘要

   確定了2083鋼的無鐵素體臨界淬透直徑ΦF。以淬透性為主題論述了2083鋼存在問題及其發(fā)展路徑。

   To determine the 2083 steel critical handenable diameter without ferrite ФF .  At 2083 steel handenability theme discusses the existing problems and its development path.

 

鋼的淬透性性是鋼諸項(xiàng)性能中的重要指標(biāo)之一。對(duì)模具設(shè)計(jì)、選材,模具加工工序安排、熱處理工藝制訂、新模具鋼研發(fā)和現(xiàn)有模具鋼的改進(jìn)、鋼的質(zhì)量控制都有著極其重要的指導(dǎo)意義。

不銹塑料模具鋼中最常用的有2083鋼,2316鋼和2085鋼,分別對(duì)應(yīng)于我國(guó)SM4Cr14鋼、SM3Cr17Mo鋼,而2185鋼尚無對(duì)應(yīng)牌號(hào)。2083鋼用作制造高硬度HRc52模型、模芯和鑲件;2316鋼用作制造中硬度預(yù)硬的,2085制造模架。這幾種鋼組合在一起,可構(gòu)成一付完整的、由不銹塑料模具鋼組成的、具有良好耐蝕性的模具。由于每一種鋼在模具中所處地位和所起作用的不同,決定了對(duì)淬透性要求不同。而且隨著塑料模日益大型化,對(duì)鋼淬透性要求也越來越高??梢哉f,以追求更高淬透性為目標(biāo),從來就是不銹塑料模鋼發(fā)展主線。

2083鋼是不銹塑料模鋼中的主角,特別是高檔鏡面具。但也存在著二大缺點(diǎn)[1]

一是淬透性低;

二是切削加工性差。

淬透性低所帶來的后果是:

1,只能用于制造中、小型模,不能用于制造大型、厚實(shí)的中型模。

2,要求淬火時(shí)冷卻速度快,淬火變形、淬裂危險(xiǎn)性相應(yīng)增大。

3,不適合用作淬透性要求高的預(yù)硬鋼。

然而,有關(guān)2083鋼的淬透性都有意無意的迴避著,即便有,也往往是“淬透性很高”[2]。

    測(cè)定淬透性的方法很多,目前最廣泛采用的是頂端淬透性測(cè)定法。但此方法只能測(cè)定低、中淬透性鋼、且限于直徑小于150毫米的鋼材,不適用于高淬透性大截面鋼材。

鋼的淬透性實(shí)質(zhì)上是過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的能力大小,而連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖,簡(jiǎn)稱CCT圖,是描述過冷奧氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué),也是淬透性的物理基礎(chǔ),兩者之間存在著定量關(guān)系。且由于其更接近淬火生產(chǎn)實(shí)際,對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義更大。

一,2083鋼CCT圖

2083鋼(4r13)CCT圖可以從有關(guān)手冊(cè)和模具鋼廠提供的資料中查找,從中選用可信度較高的2083(4Cr13)CCT[3],1 (奧氏體化溫度980),個(gè)別作了更正。

 

                                             

圖1  2083鋼CCT圖

 

   1中的縱坐標(biāo)為溫度,橫坐標(biāo)為時(shí)間對(duì)數(shù)(logτ);            

其中冷卻曲線底端圈內(nèi)的數(shù)字代表轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的維氏硬度(Hv)

    冷卻曲線與轉(zhuǎn)變終了線交點(diǎn)處的數(shù)字表示轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的含量()。     

圖中各字母代表各相:A-奧氏體;K-碳化物;P-珠光體;F-鐵素體;M-馬氏體;Ms-馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度;Ms'-晶界馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度。

    2為另一幅2083鋼的CCT(奧氏體化溫度1030) [4]

2  2083鋼CCT圖

 

兩者相比,圖2馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度明顯比圖1低;但對(duì)珠光體開始轉(zhuǎn)變溫度和時(shí)間相同。

二,冷卻曲線

冷卻曲線是指不同直徑園棒在不同淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)表面和中心溫度隨時(shí)間的變化曲線。園棒直徑越大,冷卻速度越低,冷卻時(shí)間越長(zhǎng)。

確定冷卻曲線有三種;

1,實(shí)測(cè),可信度高,費(fèi)錢、費(fèi)時(shí);

2,分析法,概念清晰、精度低;

3,解析法,可描述截面各點(diǎn)動(dòng)態(tài)過程、精度高。

路塞爾從傳熱學(xué)理論計(jì)算得出冷卻曲線,結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,得冷卻曲線見圖3[5]

3  不同直徑園棒在不同淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)表面和中心冷卻曲線

   

3縱坐標(biāo)有、、、種溫度標(biāo)尺,不同奧氏體化溫度使用。因?yàn)閵W氏體化溫度只改變冷卻曲線的位置,而不改變冷卻曲線的形狀。

三,臨界冷卻速度與無鐵素體臨界淬透直徑

眾所周知,當(dāng)冷卻曲線與鐵素體或珠光體“鼻子”相切時(shí)的冷卻速度,即為臨界冷卻速度。

當(dāng)冷卻曲線圖與CCT圖疊在一起時(shí),冷卻曲線與珠光體轉(zhuǎn)變鼻子相切,所對(duì)應(yīng)的冷卻速度即為臨界冷卻速度;所對(duì)應(yīng)的園棒直徑,即為所求的臨界直徑,稱為無鐵素體臨界淬透直徑,以ΦF表示。

研究表明,冷卻速度在整個(gè)冷卻過程中不斷變化的,各冷卻曲線在800500℃間的冷卻速度又各不相同,但800℃冷到500間℃的冷卻速度幾乎不變,故可簡(jiǎn)化為定值,用冷卻時(shí)間表述,求得臨界(淬透)直徑ΦF,如圖4所示。

          4  2083鋼在不同冷卻介質(zhì)下800550間冷卻時(shí)間與直徑關(guān)系

 

圖4是考慮2083鋼的熱物理特性繪出的,同類不銹塑料模具鋼的熱物理特性也不相同,需有各自的冷卻時(shí)間-直徑圖。

從圖1臨界冷卻曲線的500℃和800℃處分別引垂線,500℃的時(shí)間減去800℃時(shí)的時(shí)間,得800550℃間冷卻時(shí)間。冷卻到500℃時(shí)間為500秒,冷卻到800℃時(shí)間為150秒,從800冷到500℃的時(shí)間為350(冷卻速度為0.71/)。從圖4油淬曲線2求得2083:

無鐵素體臨界淬透直徑ΦF200mm。

空淬無鐵素體臨界淬透直徑ΦF≈25mm,

在大截面高淬透性塑料模具鋼中屬低的,故不宜用作預(yù)硬鋼,即使用也只能用作小截面的預(yù)硬鋼。在模具選材時(shí)必須考慮此鋼的淬透性大小。

四,等效截面

現(xiàn)在所求得的是園棒(臨界)直徑,絕大多數(shù)的模具截面是矩形,所以必須解決矩形截面(厚×寬)與園截面(直徑)之間的等效換算顯得十分必要。圖5是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(IS0)頒布的淬矩形截面與園截面等硬度換算圖[6]。

圖5  油淬條件下直徑與矩形截面尺寸的等硬度換算

 

一塊厚145毫米×寬300毫米模塊淬油,硬度與Φ200毫米園棒相同。

此圖只適用于厚度240毫米以下、寬度300毫米以下的扁鋼。對(duì)于厚度240毫米以上、寬度300毫米以上的扁鋼,則可近似按式[7]換算:

     D=2ab/(a+b)                            

式中-D為等效直徑(mm)

     a為鋼厚度(mm);

     b為鋼寬度(mm)

    用上述方法可以對(duì)任一扁鋼或模塊能否淬透,作出最終定量判斷。

五,淬透性與熱處理

淬透性是一條,稱為淬透性帶。在實(shí)際生產(chǎn)的2083鋼中不同爐次的淬透性,甚至同爐次鋼的淬透性離散度大。有時(shí)出現(xiàn)化學(xué)成分合格,淬不硬,淬不透現(xiàn)象,熱處理工程師有苦難言。

圖6  2083鋼真空高壓氣淬硬度和800-500℃冷卻時(shí)間關(guān)系

 

目前多數(shù)2083鋼模型、芯采用真空爐高壓氣淬,壓力5巴以上,即使如此,氣淬冷卻速度仍低于油淬冷卻速度,在5巴氣淬條件下的淬透性約為150毫米。

截面600×70毫米4Cr13扁鋼,油淬硬度僅為45HRc,。改用1520%濃度的AQ3699(聚乙烯咯烷酮,PVP)水溶性淬火劑。表面硬度達(dá)到了5456HRc,“心部硬度和抗拉強(qiáng)度也令人滿意”[9]。此規(guī)格扁鋼此換算成等效臨界淬透直徑為84毫米,應(yīng)能完全淬透。該方法雖然硬度合格,但造成淬不硬的冶金缺陷仍然存著,由其制成的模具令人堪憂。

又有王凱旋和宛農(nóng)[8]針對(duì)某廠截面220300×610毫米4Cr13扁鋼淬油淬不透,建立了一條扁鋼噴淬生產(chǎn)線。此規(guī)格扁鋼換算等效臨界淬透直徑為400毫米,已超等效臨界淬透直徑,淬不迭是正常的。應(yīng)該選用淬透性更好的鋼材。

   淬不硬,淬不透根本原因,在于共晶碳化物多和偏析。4Cr13鋼的鉻偏析系數(shù)有的高達(dá)6.46。這關(guān)系到熱加工的所有環(huán)節(jié),采取恰當(dāng)措施。

擴(kuò)散退火,亦稱均勻化退火,各類高級(jí)模具鋼中己被普遍采用,行之有效。擴(kuò)散退火能減輕成分偏析,理想情況下偏析系數(shù)可減小到<1.1。

圖7是4Cr13鋼擴(kuò)散退火奧氏體化溫度和共晶碳化物含量的關(guān)系[10],到1200℃時(shí)碳化物含量幾乎消失。乘擴(kuò)散退火余熱進(jìn)行鍛軋,在鍛軋過程中發(fā)生的形變?cè)俳Y(jié)晶,減少了高溫?cái)U(kuò)散退火帶來的晶粒粗化。

圖7  擴(kuò)散退火奧氏體化溫度和碳化物含量關(guān)系

 

美國(guó) ASM 5506A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:420鋼除常規(guī)的檢測(cè)項(xiàng)目之外,度>1/2英寸鋼材應(yīng)測(cè)定淬透性。從鋼材上截取1/2英寸試樣,980-1000℃空淬,硬度應(yīng)該≥50HRc。如同北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA#207-2006H13鋁合金壓鑄模鋼這類補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn),值得借鑒。

六,改進(jìn)淬透性鋼種

為了改進(jìn)2083鋼的淬透性,鋼材成分設(shè)計(jì)工程師們紛紛探索改善2083鋼淬透鋼種。

    現(xiàn)以瑞典德霍爾姆鋼廠發(fā)展馬氏體不銹模鋼為例。

2083的化學(xué)成分就是借用美國(guó)普通的AISI 420不銹結(jié)構(gòu)制造模具,為了解決該透性不足,在鋼中添加0.3%釩(V)發(fā)展出商品名為STAVAX ESR鋼,即現(xiàn)為大家熟知的、一勝百命之為S136鋼。

2083鋼加釩作用有三:

1,輔予回火時(shí)有二次硬化能力;

2,細(xì)化晶粒,阻止晶粒長(zhǎng)大;

3,提高淬透性。

按照理論計(jì)算,如果鋼中所含的碳和鉻全部溶奧氏體,是具有足夠淬透性的。

釩的加入一方止了凝固過程中大塊共晶碳化物析出,讓更多的碳和鉻溶奧氏體,提高了過冷奧氏體穩(wěn)定性,從而使鋼的淬透性得到明顯提高。

另一方面,釩溶入固溶體能明顯提高鋼的淬透性,而釩又是強(qiáng)烈形成碳化物元素,部分釩與碳形成碳化物而未溶入奧氏體中而降低鋼的淬透性。兩者的平衡點(diǎn)為0.28%V。當(dāng)釩含量<028%時(shí),淬透性隨釩含量的增加而增加,說明釩全部溶于奧氏體中;而當(dāng)釩含量>028%時(shí),淬透性隨釩含量的增加而下降, 說明釩主要碳化物形態(tài)存在。

2083鋼+0.3%V—4Cr13V后的淬透性:

油淬無鐵素體臨界淬透直徑ΦF300mm。

空淬無鐵素體臨界淬透直徑ΦF50mm,

適用于制造中型模具,可用作中小型模具預(yù)硬鋼,由此就誕生了STAVAX ESR PRE HARDENED預(yù)硬鋼。

我國(guó)寶鋼現(xiàn)己生產(chǎn)2083鋼+V的BSM136鋼,撫順特鋼亦推出了FT64鋼,但未講明添加何種元素,目的何在?不明。

這里需強(qiáng)調(diào)指出的:STAVAX ESR鋼的淬透性得到提高,但淬火時(shí)仍必須保持足夠的冷卻速度,在一勝百提供的資料中規(guī)定,熱處理淬火介質(zhì):

·足夠正壓的真空氣冷

·高速氣體/循環(huán)氣氛

·流態(tài)爐或鹽浴爐250-550℃分級(jí)淬火后在空氣中風(fēng)冷

·溫油,大約80℃

后兩種淬火介質(zhì)容易理解,前兩種,特別是第二種,不好理解。實(shí)際上,真空氣淬爐有兩種,一種是高壓氣淬真空爐,另一種是高流率氣淬真空爐。用高流率氣淬真空爐淬火時(shí),爐內(nèi)充入高純氮?dú)怏w或氮?dú)浠旌蠚夥?,并在爐內(nèi)高速循環(huán)流動(dòng),絕不可理解為在空氣中用鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)冷卻。

STAVAX ESR鋼要求淬火時(shí)在保證變形量合格的條件下,冷速盡可能高,真空氣淬時(shí)的N2壓力4~5巴。

對(duì)大型模具而言,STAVAX ESR鋼的淬透性仍顯不足,為此發(fā)展出大模鋼MIRRAX ESR POLMAX,加入Cr-Ni-V諸元素(1.33Ni、0.35Mo0.35V,但碳同時(shí)含量降到O.25%)。

淬透性為                                             

油淬無鐵素體臨界淬透直徑ΦF800-1000mm

空淬無鐵素體臨界淬透直徑ΦF200-400mm,

如此高的淬透性可確模具在較低的淬火冷卻速度下仍能淬透、淬硬,減少了內(nèi)應(yīng),而且整個(gè)截面性能均勻一致,它是馬氏體不銹鋼中一種新概念鋼種。

七,淬透性與標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)GB/T 2454-2009”優(yōu)質(zhì)合金模具鋼”中有 40Cr13鋼(此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定4Cr13鋼改用40Cr13稱呼), 現(xiàn)在看,當(dāng)初把為胡須刀開發(fā)的420鋼直接移植過來用作模具鋼,進(jìn)入現(xiàn)代己弊端眾生,己不能滿足模具鋼的要求,應(yīng)逐步淘汰出局,納入加釩的4Cr13V鋼。

在YB/T 094-1997”塑料模具用扁鋼”中有SM4Crl3鋼,在5 .6特殊要求節(jié)中第5.6.4項(xiàng)規(guī)定檢驗(yàn)淬透性。在6章試驗(yàn)方法中表8試驗(yàn)項(xiàng)目中序號(hào)9中也列有”淬透性”,試驗(yàn)方規(guī)定按GB225、 GB/T 227。但令人遺憾的是,標(biāo)準(zhǔn)對(duì)淬透性沒有量化指標(biāo),淬透性方法也完全不適用高淬透性模具鋼。這可參考美國(guó)ASM 5506A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定420鋼應(yīng)作淬透性檢驗(yàn)建議用從鋼材上截取厚25mm試樣在1020℃下空冷淬火,硬度≥50HRC。此方簡(jiǎn)可行,既檢了淬透性、又檢了淬硬性,一舉兩得。

從上述分析可知,2083=4Cr13=40Cr13≠SI36;

2083+V=4Cr13+V=4Cr13V=S136

其區(qū)別在于淬透性不同。S136可代替2083和4Cr13; 反之,則不可,除非是小模具。

結(jié)論:

1,2083(4Cr13、420)鋼的淬透性偏低,淬油無鐵素體臨界淬透直徑ΦF200毫米??沾銦o鐵素體臨界淬透直徑ΦF25毫米,在5巴氣淬條件下的淬透性約150毫米。不適合用作預(yù)硬鋼。

2,對(duì)我國(guó)2083品質(zhì)反映甚多,建議模具鋼國(guó)標(biāo)SM4Cr3不銹塑料模具鋼列入淬透性項(xiàng)目,,納入改進(jìn)型淬透性良好的4Cr13V鋼。

4目前常用的塑料模鋼對(duì)照表是近似的,各鋼廠對(duì)2083鋼或多或少作了改進(jìn),淬透性差別甚大,各具特色,在換算代用時(shí)不能簡(jiǎn)單化。

 

 

參考文獻(xiàn)

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11,日立樣本(YSS高級(jí)プラスチック金型用鋼).

 

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