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。

2083钢、2316钢和2085钢是不锈钢模具钢中更常用的，前两种对应于中国SM4Cr13钢、SMCr17Mo钢，而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，可以形成一个完整的，由不锈钢塑料模具钢组成，具有良好的耐腐蚀性模具。由于每种钢在模具中的地位和作用不同，它决定了不同的淬火要求。随着塑料模具的扩大，对钢的淬火要求也越来越高。可以说，不锈钢模具钢以追求更高的淬透性为目标，成为不锈钢模具钢发展的主线。

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，淬火变形和淬裂的风险要相应增加。

(3)不适用于要求高淬透性的预硬钢。

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

测定淬透性的方法有很多，顶部淬透性测定是目前更广泛使用的。但该方法只能测量低、中淬透性钢，仅限于直径小于150mm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，而连续冷却转换图(简称CCT图)是描述过冷奥氏体转化动力学的物理基础。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从相关手册和模具钢厂提供的资料中可以找到图片，从中选择可信度较高的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），底部圆圈中的数字代表转换产品的维氏硬度（HV）；冷却曲线和转换终点线交点处的数字表示转换产品的含量（％）。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为另一幅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中的马氏体开始转化温度明显低于图1；但是珠光体开始转化温度和时间是一样的。

图2 瑞典 2083钢CCT图

3 冷却曲线

冷却曲线是指表面和中心温度随时间而变化的曲线。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的分析方法。

路塞尔从传热理论计算出冷却曲线，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 不同奥氏体化温度使用5种温度尺。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 不同直径的表面和中心冷却曲线在不同淬火介质中冷却

4 临界冷却速度和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，冷却速度为临界冷却速度。

与冷却曲线图相比CCT当折叠在一起时，冷却曲线切割到珠光体的鼻子，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表示。

研究表明，冷却速度在整个冷却过程中不断变化，在冷却曲线上800℃至500℃冷却速度恒定，800℃至500℃又是恒定值，可以简化为恒定值800℃冷到500间℃冷却时间表示冷却速度，获得临界(淬透)直径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钢冷却介质不同800～550℃冷却时间与直径之间的关系

若从临界冷却曲线500℃和800℃分别引垂线，500℃的时间减去800℃时的时间，得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透直径F≈25mm。

高淬透性塑料模具钢在大截面中较低，不宜用作预硬钢，即使只能用于小截面。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

现在得到的是圆棒(临界)直径，大部分模具截面都是矩形的，所以矩形截面(厚度)必须解决×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]。这张图考虑了淬火和冷却速度。

一块厚145×宽300mm模块淬油，冷却效果和200mm圆棒相同。

图5只适用于厚度240mm以下、宽度300mm以下扁钢。对于厚度。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能否淬透。

图5

6 淬透和热处理

淬火是一条带，称为淬火带。在实际生产的2083钢中，不同炉次的淬火性，甚至同炉次钢的淬火性离散性都很大。化学成分合格，淬火不硬，淬火不透明，使热处理工程师头疼，痛苦。图6显示了2083年钢真空高压气体淬火的硬度和硬度800~500℃冷却时间关系。

图6 2083钢真空高压气淬硬度800~500℃冷却时间关系

目前，大多数2083钢模型芯采用真空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，气体淬火条件下的淬火性约150mm。

王凯旋和宛农针对某厂截面220～300×610mm(转换为等效临界淬透直径400mm）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硬化，那就很麻烦了，所以应该选择淬火性更好的钢。

还有一个工厂的截面600×70mm(转换为等效临界淬透直径84mm）4Cr13油淬硬度不足的扁钢45HRC。改用15％～20％浓度的AQ3699水溶性淬火剂(聚乙烯吨咯烷酮)。表面硬度达到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。淬火硬度虽然合格，但绝不是优质钢材，导致淬火的冶金缺陷依然保存，模具质量**。

其根本原因是共晶碳化物的过度沉淀和偏析。4Cr13有些钢铬偏析系数高达钢铬偏析系数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4Cr131、200℃碳化物含量几乎消失。利用扩散退火余热锻轧，破碎晶粒，加上形变再结晶，减少了高温扩散退火造成的晶粒粗化。

扩散退火还可以减少成分偏析，理想情况下可以减少偏析系数<1.2。

美国ASM5506A标准规定，除常规检测项目外，420钢必须测量淬透性。从钢材上截取1/2英寸样品，980~1,000℃空淬，硬度≥50HRC。就像北美压铸协会一样NADCA#207-2006“H13值得借鉴的铝合金压铸模钢标准。

图7 扩散退火奥氏体化温度与碳化物含量的关系

7 提高淬透性

为提高2083年钢材的淬透性，钢材成分设计工程师们探索了提高2083年钢材淬透性的新钢种。

马氏体不锈钢分为两大系列：13％Cr和17％Cr系列(美国430)。钢材成分设计师，为了提高淬透性，一派仍然是13％Cr在此基础上，另一派开始炉灶，17％为基础。

瑞典伍德霍尔姆钢厂的发展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。钒有三种功能：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都溶解在奥氏体中，则具有足够的淬透性。

钒的添加防止了凝固过程中大量共晶碳化物的沉淀，使更多的碳和铬溶解在奥氏体中，提高了过冷奥氏体的稳定性，显著提高了钢的淬火性。

2083钢淬透性：

油淬无铁素体临界淬透直径F≈300mm。

空淬无铁素体临界淬透直径F≈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，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:

油淬无铁素体临界淬透直径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13％Cr为基本成分添加元素钼（Mo）。

HPM38钢是日立钢厂推出的**塑料模具钢。29～33HRC淬火后预硬钢和硬度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加入合金元素钼的钢（Mo）0.1％，[11]也取得了很好的效果。

现在，直接移植为胡须刀开发的420钢作为模具钢，即2083钢。进入现代缺点，应逐步淘汰，根据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。

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透直径?F≈?25mm，不适用于预硬钢。

(2)中国2083年钢材质量反映较多，建议模具钢**标准SM4Cr3不锈塑料模具钢列入淬透性项目。

(3)各国改进型2083钢淬透性大大提高，值得推荐。

(4)目前常用的塑料模钢对比表，尤其是不锈塑料模钢，相似。2083年各厂改进型钢淬透性差异很大，各有特点，换算时不能简化。

**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4、5、6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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