模具鋼淬火幾種裂紋分析與措施

金陽

1、縱向裂紋

　　裂紋呈軸向，形狀細(xì)而長。當(dāng)模具完全淬透即無心淬火時(shí)，心部轉(zhuǎn)變?yōu)楸热葑畲蟮拇慊瘃R氏體,產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，模具鋼的含碳量愈高，產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力愈大，當(dāng)拉應(yīng)力大于該鋼強(qiáng)度極限時(shí)導(dǎo)致縱向裂紋形成。以下因素又加劇了縱向裂紋的產(chǎn)生： (1)鋼中含有較多S、P、***、Bi、Pb、Sn、As等低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)，鋼錠軋制時(shí)沿軋制方向呈縱向嚴(yán)重偏析分布，易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成縱向淬火裂紋，或原材料軋制后快冷形成的縱向裂紋未加工掉保留在產(chǎn)品中導(dǎo)致最終淬火裂紋擴(kuò)大形成縱向裂紋； (2)模具尺寸在鋼的淬裂敏感尺寸范圍內(nèi)(碳工具鋼淬裂危險(xiǎn)尺寸為8-15mm，中低合金鋼危險(xiǎn)尺寸為25-40mm)或選擇的淬火冷卻介質(zhì)大大超過該鋼的臨界淬火冷卻速度時(shí)均易形成縱向裂紋。

　　預(yù)防措施： (1)嚴(yán)格原材料入庫檢查，對(duì)有害雜質(zhì)含量超標(biāo)鋼材不投產(chǎn)； (2)盡量選用真空冶煉，爐外精煉或電渣重熔模具鋼材； (3)改進(jìn)熱處理工藝，采用真空加熱、保護(hù)氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分級(jí)淬火、等溫淬火； (4)變無心淬火為有心淬火即不完全淬透，獲得強(qiáng)韌性高的下貝氏體組織等措施，大幅度降低拉應(yīng)力，能有效避免模具縱向開裂和淬火畸變。
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( [9 ^# p+ Q) _, g& K2、橫向裂紋

+ A' s* t- v" H8 ~; }( ?7 u　　裂紋特征是垂直于軸向。未淬透模具，在淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)過渡部分存在大的拉應(yīng)力峰值，大型模具快速冷卻時(shí)易形成大的拉應(yīng)力峰值，因形成的軸向應(yīng)力大于切向應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生橫向裂紋。鍛造模塊中S、P．***，Bi，Pb，Sn，As等低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)的橫向偏析或模塊存在橫向顯微裂紋，淬火后經(jīng)擴(kuò)展形成橫向裂紋。

! H* S" `# i7 b. r9 n+ I　　預(yù)防措施： (1)模塊應(yīng)合理鍛造，原材料長度與直徑之比即鍛造比最好選在2—3之間，鍛造采用雙十字形變向鍛造，經(jīng)五鐓五拔多火鍛造，使鋼中碳化物和雜質(zhì)呈細(xì)、小，勻分布于鋼基體，鍛造纖維組織圍繞型腔無定向分布，大幅度提高模塊橫向力學(xué)性能，減少和消除應(yīng)力源； (2)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質(zhì)：在鋼的Ms點(diǎn)以上快冷，大于該鋼臨界淬火冷卻速度，鋼中過冷奧氏體產(chǎn)生的應(yīng)力為熱應(yīng)力，表層為壓應(yīng)力，內(nèi)層為張應(yīng)力，相互抵消，有效防止熱應(yīng)力裂紋形成，在鋼的Ms—Mf之間緩冷，大幅度降低形成淬火馬氏體時(shí)的組織應(yīng)力。當(dāng)鋼中熱應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)力總和為正(張應(yīng)力)時(shí)，則易淬裂，為負(fù)時(shí)，則不易淬裂。充分利用熱應(yīng)力，降低相變應(yīng)力，控制應(yīng)力總和為負(fù)，能有效避免橫向淬火裂紋發(fā)生。CL-1有機(jī)淬火介質(zhì)是較理想淬火劑，同時(shí)可減少和避免淬火模具畸變，還可控制硬化層合理分布。調(diào)正CL-1 淬火劑不同濃度配比，可得到不同冷卻速度，獲得所需硬化層分布，滿足不同模具鋼需求。

3、弧狀裂紋

  p" Y& Y& u0 H3 L　　常發(fā)生在模具棱角角、缺口、孔穴、 凹模接線飛邊等形狀突變處。這是因?yàn)�，淬火時(shí)棱角處產(chǎn)生的應(yīng)力是平滑表面平均應(yīng)力的10倍。另外， (1)鋼中含碳(C)量和合金元素含量愈高，鋼Ms點(diǎn)愈低，Ms點(diǎn)降低2℃，則淬裂傾向增加1．2倍，Ms點(diǎn)降低8℃，淬裂傾向則增加8倍； (2)鋼中不同組織轉(zhuǎn)變和相同組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)性，由于不同組織比容差，造成巨大組織應(yīng)力，導(dǎo)致組織交界處形成弧狀裂紋； (3)淬火后未及時(shí)回火，或回火不充分，鋼中殘余奧氏體未充分轉(zhuǎn)變，保留在使用狀態(tài)中，促進(jìn)應(yīng)力重新分布，或模具服役時(shí)殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)綜合應(yīng)力大于該鋼強(qiáng)度極限時(shí)便形成弧狀裂紋； (4)具有第二類回火脆性鋼，淬火后高溫回火緩冷，導(dǎo)致鋼中P，s等有害雜質(zhì)化合物沿晶界析出，大大降低晶界結(jié)合力和強(qiáng)韌性，增加脆性，服役時(shí)在外力作用下形成弧狀裂紋。
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　　預(yù)防措施： (1)改進(jìn)設(shè)計(jì)，盡量使形狀對(duì)稱，減少形狀突變，增加工藝孔與加強(qiáng)筋， 或采用組合裝配； (2)圓角代直角及尖角銳邊，貫穿孔代盲孔，提高加工精度和表面光潔度，減少應(yīng)力集中源，對(duì)于無法避免直角、尖角銳邊、盲孔等處一般硬度要求不高，可用鐵絲、石棉繩、耐火泥等進(jìn)行包扎或填塞，人為造成冷卻屏障，使之緩慢冷卻淬火，避免應(yīng)力集中，防止淬火時(shí)弧狀裂紋形成；(3)淬火鋼應(yīng)及時(shí)回火，消除部分淬火內(nèi)應(yīng)力，防止淬火應(yīng)力擴(kuò)展； (4)較長時(shí)間回火，提高模具抗斷裂韌性值； (5)充分回火，得到穩(wěn)定組織性能；多次回火使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變充分和消除新的應(yīng)力； (7)合理回火，提高鋼件疲勞抗力和綜合機(jī)械力學(xué)性能； 對(duì)于有第二類回火脆性模具鋼高溫回火后應(yīng)快冷(水冷或油冷)，可消除二類回火脆性，防止和避免淬火時(shí)弧狀裂紋形成。

1 H6 ^$ A2 t/ U: [4、剝離裂紋

　　模具服役時(shí)在應(yīng)力作用下，淬火硬化層一塊塊從鋼基體中剝離。因模具表層組織和心部組織比容不同，淬火時(shí)表層形成軸向、切向淬火應(yīng)力，徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，并向內(nèi)部突變，在應(yīng)力急劇變化范圍較窄處產(chǎn)生剝離裂紋，常發(fā)生于經(jīng)表層化學(xué)熱處理模具冷卻過程中，因表層化學(xué)改性與鋼基體相變不同時(shí)性引起內(nèi)外層淬火馬氏體膨脹不同時(shí)進(jìn)行，產(chǎn)生大的相變應(yīng)力，導(dǎo)致化學(xué)處理滲層從基體組織中剝離。如火焰表面淬硬層、高頻表面淬硬層、滲碳層、碳氮共滲層、滲氮層、滲硼層、滲金屬層等�；瘜W(xué)滲層淬火后不宜快速回火，尤其是300~C以下低溫回火快速加熱，會(huì)促使表層形成拉應(yīng)力，而鋼基體心部及過渡層形成壓縮應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于壓縮應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)致化學(xué)滲層被拉裂剝離。
. z5 F0 V5 v0 S$ B　　預(yù)防措施： (1)應(yīng)使模具鋼化學(xué)滲層濃度與硬度由表至內(nèi)平緩降低，增強(qiáng)滲層與基體結(jié)合力，滲后進(jìn)行擴(kuò)散處理能使化學(xué)滲層與基體過渡均勻；(2)模具鋼化學(xué)處理之前進(jìn)行擴(kuò)散退火、球化退火、調(diào)質(zhì)處理，充分細(xì)化原始組織，能有效防止和避免剝離裂紋產(chǎn)生，確保產(chǎn)品質(zhì)量。
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$ q! c1 L5 a& F/ d" G1 ?% ]5、網(wǎng)狀裂紋
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　　裂紋深度較淺，一般深約0.01-1.5mm，呈輻射狀，別名龜裂。原因主要有： (1)原材料有較深脫碳層，冷切削加工未去除，或成品模具在氧化氣氛爐中加熱造成氧化脫碳； (2)模具脫碳表層金屬組織與鋼基體馬氏體含碳量不同，比容不同，鋼脫碳表層淬火時(shí)產(chǎn)生大的拉應(yīng)力，因此，表層金屬往往沿晶界被拉裂成網(wǎng)狀； (3)原材料是粗晶粒鋼，原始組織粗大，存在大塊狀鐵素體，常規(guī)淬火無法消除，保留在淬火組織中，或控溫不準(zhǔn)，儀表失靈，發(fā)生組織過熱，甚至過燒，晶粒粗化，失去晶界結(jié)合力，模具淬火冷卻時(shí)鋼的碳化物沿奧氏體晶界析出，晶界強(qiáng)度大大降低，韌性差，脆性大，在拉應(yīng)力作用下沿晶界呈網(wǎng)狀裂開。

9 O# C' J1 |+ d4 u$ |2 [# {　　預(yù)防措施： (1)嚴(yán)格原材料化學(xué)成分．金相組織和探傷檢查，不合格原材料和粗晶粒鋼不宜作模具材料； (2)選用細(xì)晶粒鋼、真空電爐鋼，投產(chǎn)前復(fù)查原材料脫碳層深度，冷切削加工余量必須大于脫碳層深度； (3)制訂先進(jìn)合理熱處理工藝，選用微機(jī)控溫儀表，控制精度達(dá)到±1.5℃，定時(shí)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀表； (4)模具產(chǎn)品最終處理選用真空電爐、保護(hù)氣氛爐和經(jīng)充分脫氧鹽浴爐加熱模具產(chǎn)品等措施，有效防止和避免網(wǎng)狀裂紋形成。
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6、冷處理裂紋
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　　模具鋼多為中，高碳合金鋼，淬火后還有部分過冷奧氏體未轉(zhuǎn)變成馬氏體，保留在使用狀態(tài)中成為殘余奧氏體，影響使用性能。若置于零度以下繼續(xù)冷卻，能促使殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此，冷處理的實(shí)質(zhì)是淬火繼續(xù)。室溫下淬火應(yīng)力和零度下淬火應(yīng)力疊加，當(dāng)疊回應(yīng)力超過該材料強(qiáng)度極限時(shí)便形成冷處理裂紋。

9 n% q. {% |4 z8 c& T3 R% w% Y9 ^　　預(yù)防措施： (1)淬火后冷處理之前將模具置于沸水中煮30—60min，可消除15％-25％淬火內(nèi)應(yīng)力并使殘余奧氏體穩(wěn)定化，再進(jìn)行-60℃常規(guī)冷處理，或進(jìn)行-120℃深冷處理，溫度愈低，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體量愈多，但不可能全部轉(zhuǎn)變完，實(shí)驗(yàn)表明，約有2％-5％殘余奧氏體保留下來，按需要保留少量殘余奧氏體可松馳應(yīng)力，起緩沖作用，因殘余奧氏體又軟又韌，能部分吸收馬氏體化急劇膨脹能量，緩和相變應(yīng)力； (2)冷處理完畢后取出模具投入熱水中升溫，可消除40％-60％冷處理應(yīng)力，升溫至室溫后應(yīng)及時(shí)回火，冷處理應(yīng)力進(jìn)一步消除，避免冷處理裂紋形成，獲得穩(wěn)定組織性能，確保模具產(chǎn)品存放和使用中不發(fā)生畸變。
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7、磨削裂紋

9 S; j4 V+ h' q" I. ^; c# ]　　常發(fā)生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工過程中，多數(shù)形成的微細(xì)裂紋與磨削方向垂直，深約0.05—1.0mm。 (1)原材料預(yù)處理不當(dāng)，未能充分消除原材料塊狀、網(wǎng)狀、帶狀碳化物和發(fā)生嚴(yán)重脫碳； (2)最終淬火加熱溫度過高，發(fā)生過熱，晶粒粗大，生成較多殘余奧氏體； (3)在磨削時(shí)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)相變，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，組織應(yīng)力大，加上因回火不充分，留有較多殘余拉應(yīng)力，與磨削組織應(yīng)力疊加，或因磨削速度、進(jìn)刀量大及冷卻不當(dāng)，導(dǎo)致金屬表層磨削熱急劇升溫至淬火加熱溫度，隨之磨削液冷卻，造成磨削表層二次淬火，多種應(yīng)力綜合，超過該材料強(qiáng)度極限，便引起表層金屬磨削裂紋。

　　預(yù)防措施： (1)對(duì)原材料進(jìn)行改鍛，多次雙十字形變向鐓拔鍛造，經(jīng)四鐓四拔，使鍛造纖維組織圍繞型腔或軸線呈波浪形對(duì)稱分布，并利用最后一火高溫余熱進(jìn)行淬火，接著高溫回火，能充分消除塊狀、網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物，使碳化物細(xì)化至2-3級(jí)； (2)制訂先進(jìn)的熱處理工藝，控制最終淬火殘余奧氏體含量不超標(biāo)； (3)淬火后及時(shí)進(jìn)行回火、消除淬火應(yīng)力； (4)適當(dāng)降低磨削速度、磨削量，磨削冷卻速度，能有效防止和避免磨削裂紋形成。