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Φ_F。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 Ф_{F .}  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)硬鋼的，而2085鋼則用作制造模架。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)鋼淬透性的要求也越來越高?？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的發(fā)展主線。

2083鋼是不銹塑料模鋼中的主角，特別是高檔鏡面模具。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鋼(4Cr13鋼)CCT圖[3]，見圖1 (奧氏體化溫度980℃)，個(gè)別作了更正。

圖1  2083鋼CCT圖

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

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。

    圖2為另一幅2083鋼的CCT圖 (奧氏體化溫度1030℃) [4]。

圖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，所得冷卻曲線見圖3[5]。

圖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

圖3縱坐標(biāo)有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五種溫度標(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)把冷卻曲線圖與CCT圖疊在一起時(shí)，某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800℃至500℃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。

          圖4  2083鋼在不同冷卻介質(zhì)下800～550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800～550℃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秒(冷卻速度為0.71℃/秒)。從圖4油淬曲線2，求得2083鋼:

油淬無鐵素體臨界淬透直徑ΦF≈200mm。

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)的模具截面是矩形的，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)頒布的油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，其硬度與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為鋼材厚度(mm)；

     b為鋼材寬度(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

淬透性是一條帶，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，而淬不硬，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。

某廠有截面600×70毫米4Cr13扁鋼，油淬硬度僅為45HRc,。后改用15～20％濃度的AQ3699(聚乙烯吡咯烷酮,PVP)水溶性淬火劑。表面硬度達(dá)到了54～56HRc，“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在著，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220～300×610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)格扁鋼換算后等效臨界淬透直徑為400毫米,已超過其等效臨界淬透直徑,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，在各類高級(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，厚度＞1/2英寸的鋼材應(yīng)測(cè)定淬透性。從鋼材上截取厚1/2英寸試樣，于980-1000℃空淬，硬度應(yīng)該≥50HRc。如同北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA#207-2006“H13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鋼淬透性的新鋼種。

    現(xiàn)以瑞典烏德霍爾姆鋼廠發(fā)展馬氏體不銹模鋼為例。

2083鋼的化學(xué)成分就是借用美國(guó)普通的AISI 420不銹結(jié)構(gòu)鋼制造模具，為了解決該鋼淬透性不足，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入奧氏體，是具有足夠淬透性的。

釩的加入一方面阻止了凝固過程中大塊共晶碳化物析出，讓更多的碳和鉻溶入奧氏體，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后的淬透性為:

油淬無鐵素體臨界淬透直徑Φ_F≈300mm。

空淬無鐵素體臨界淬透直徑Φ_F≈50mm，

適用于制造中小型模具,甚至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)展出大型塑料模鋼MIRRAX ESR 鋼和POLMAX鋼,加入Cr-Ni-V諸元素(1.33％Ni、0.35％Mo、0.35％V，但碳同時(shí)含量降到O．25％)。

其淬透性為                                             

油淬無鐵素體臨界淬透直徑Φ_F≈800-1000mm。

空淬無鐵素體臨界淬透直徑Φ_F≈200-400mm，

如此高的淬透性可確保大型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≥50HR_C。此方法簡(jiǎn)單可行,既檢查了淬透性、又檢查了淬硬性,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ΦF≈200毫米?？沾銦o鐵素體臨界淬透直徑Φ_F≈25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鋼品質(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,逐步淘汰,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)

1，佐佐木 哲夫 “プレ-ハドン鋼の加工”《特殊鋼》[J]1973，2.

2，肖紀(jì)美 “不銹鋼的金屬學(xué)問題(第2版)”[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

3，Schmolz+Bickenbach樣本

    4，一勝百樣本

5，潘健生、胡明娟.“熱處理工藝學(xué)”[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]，日立金屬株式會(huì)社，2010，12.

7，Karl-Erik Thelning.Steel and its heat treatment[M].

8，王凱旋 宛農(nóng) 系不銹模具鋼模塊噴淬系統(tǒng)研究[J]模具工業(yè)，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,日立樣本(YSS高級(jí)プラスチック金型用鋼).