模具鋼材熱處理中淬火十種裂紋分析與措施技術

模具鋼材熱處理中，淬火是常見工序。然而，因種種原因，有時難免會產生淬火裂紋，致使前功盡棄。分析裂紋產生原因，進而採取相應預防措施，具有顯著的技術經濟效益。常見淬火裂紋有以下10種類型。 　　1模具鋼材縱向裂紋 　　裂紋呈軸向，形狀細而長。當模具完全淬透即無心淬火時，心部轉變為比容最大的淬火馬氏體，產生切向拉應力，模具鋼的含碳量愈高，產生的切向拉應力愈大，當拉應力大於該鋼強度極限時導致縱向裂紋形成。以下因素又加劇了縱向裂紋的產生：(1)鋼中含有較多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質，鋼錠軋制時沿軋制方向呈縱向嚴重偏析分布，易產生應力集中形成縱向淬火裂紋或原材料軋制後快冷形成的縱向裂紋未加工掉保留在產品中導致最終淬火裂紋擴大形成縱向裂紋；(2)模具尺寸在鋼的淬裂敏感尺寸範圍內(碳工具鋼淬裂危險尺寸為8-15mm，中低合金鋼危險尺寸25-40mm)或選擇的淬火冷卻介質大大超過該鋼的臨界淬火冷卻速度時均易形成縱向裂紋。 　　預防措施：(1)嚴格原材料入庫檢查，對有害雜質含量超標鋼材不投產；(2)盡量選用真空冶煉、爐外精鍊或電渣重熔模具鋼材；(3)改進熱處理工藝，採用真空加工熱、保護氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分析淬火、等溫淬火；(4)變無心淬火為有心淬火即不完全淬透，獲得強韌性高的下貝氏體組織等措施，大幅度降低拉應力，能有效避免模具縱向開裂和淬火畸變。 　　2模具鋼材橫向裂紋 　　裂紋特徵是垂直於軸向。未淬透模具，在淬硬區與未淬硬區過渡部分存在大的拉應力峰值，大型模具快速冷卻時易形成大的拉應力峰值，因形成的軸嚮應力大於切嚮應力，導致產生橫向裂紋。鍛造模塊中S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質的橫向偏析或模塊存在橫向顯微裂紋，淬火後經擴展形成橫向裂紋。 　　預防措施：(1)模塊應合理鍛造，原材料長度與直徑之比即鍛造比最好選在2-3之間，鍛造之間雙十字形變向鍛造，經五鐓五拔多火鍛造，使鋼中碳化物和雜質呈細、小、勻分布於鋼基體，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性能，減少和消除應力源；(2)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質：在鋼的Ms點以上快冷，大於該鋼臨界淬火冷卻速度，鋼中過冷奧氏體產生的應力為熱應力，表層為壓應力，內層為張應力，相互抵消，有效防止熱應力裂紋形成，在鋼的Ms-Mf之間緩冷，大幅度降低形成淬火馬氏體時的組織應力。當鋼中熱應力與相應應力總和為正(張應力)時，則易淬裂，為負時，則不易淬裂。充分利用熱應力，降低相變應力，控制應力總和為負，能有效避免橫向淬火裂紋發生。CL-1有機淬火介質是較理想淬火劑，同時可減少和避免淬火模具畸變，還可控制硬化層合理分布。調正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模具鋼材弧狀裂紋 　　常發生在模具稜角、凸台、刀紋、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接線飛邊等形狀突變處。這是因為，淬火時稜角處產生的應力是平滑表面平均應力的10倍。另外，(1)鋼中含碳(C)量和合金元素含量愈高，鋼Ms點愈低，Ms點降低2℃，則淬裂紋傾向增加1.2倍，Ms點降低8℃，淬裂傾向則增加8倍；(2)鋼中不同組織轉變和相同組織轉變不同時性，由於不同組織比容差，造成巨大組織應力，導致組織交界處形成弧狀裂紋；(3)淬火後未及時回火，或回火不充分，鋼中殘餘奧氏體未充分轉變，保留在使用狀態中，促使應力重新分布，或模具服役時殘餘奧氏體發生馬氏體相變產生新的內應力，當綜合應力大於該鋼強度極限時便形成弧狀裂紋；(4)具有第二類回火脆性鋼，淬火後高溫回火緩冷，導致鋼中P、S等有害雜質化合物沿晶界析出，大大降低晶界結合力和強韌性，增加脆性，服役時在外力作用下形成弧狀裂紋。。 　　預防措施：(1)改進設計，盡量使形狀對稱，減少形狀突變，增加工藝孔與加強筋，或採用組合裝配；(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，減少應力集中源，對於無法避免直角、尖角銳邊、盲孔等處一般硬度要求不高，可用鐵絲、石棉繩、耐火泥等進行包紮或填塞，人為造成冷卻屏障，使之緩慢冷卻淬火，避免應力集中，防止淬火時弧狀裂紋形成；(3)淬火鋼應及時回火，消除部分淬火內應力，防止淬火應力擴展；(4)較長時間回火，提高模具抗斷裂韌性值：(5)充分回火，得到穩定組織性能；(6)多次回火使殘餘奧氏體轉變充分和消除新的應力；(7)合理回火，提高鋼件疲勞抗力和綜合機械力學性能；(8)對於有第二類回火脆性模具鋼高溫回火後應快冷(水冷或油冷)，可消除二類回火脆性，防止和避免淬火時弧狀裂紋形狀。 　　4模具鋼材剝離裂紋 　　模具服役時在應力作用下，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，淬火時表層形成軸向、切向淬火應力，徑向產生拉應力，並向內部突變，在應力急劇變化範圍較窄處產生剝離裂紋，常發生於經表層化學熱處理模具冷卻過程中，因表層化學改性與鋼基體相變不同時性引起內外層淬火馬氏體膨脹不同時進行，產生大的相變應力，導致化學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。化學滲層淬火後不宜快速回火，尤其是300℃以下低溫回火快速加熱，會促使表層形成拉應力，而鋼基體心部及過渡層形成壓縮應力，當拉應力大於壓縮應力時，導致化學滲層被拉裂剝離。 　　預防措施：(1)應使模具鋼化學滲層濃度與硬度由表至內平緩降低，增強滲層與基體結合力，滲後進行擴散處理能使化學滲層與基體過渡均勻；(2)模具鋼化學處理之前進行擴散退火、球化退火、調質處理，充分細化原始組織，能有效防止和避免剝離裂紋產生，確保產品質量。 　　5模具鋼材網狀裂紋 　　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，冷卻削加工未去除，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，鋼脫碳表層淬火時產生大的拉應力，因此，表層金屬往往沿晶界被拉裂成網狀；(3)原材料是粗晶粒鋼，原始組織粗大，存在大塊狀鐵素體，常規淬火無法消除，保留在淬火組織中，或控溫不準，儀錶失靈，發生組織過熱，甚至過燒，晶粒粗化，失去晶界結合力，模具淬火冷卻時鋼的碳化物沿奧氏體晶界析出，晶界強度大大降低，韌性差，脆性大，在拉應力作用下沿晶界呈網狀裂開。 　　預防措施：(1)嚴格原材料化學成分、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)選用細晶粒鋼、真空電爐鋼，投產前複查原材料脫碳層深度，冷切削加工餘量必須大於脫碳層深度；(3)制訂先進合理熱處理工藝，選用微機控溫儀錶，控制精度達到±1.5℃，定時現場校驗儀錶；(4)模具產品最終處理選用真空電爐、保護氣氛爐和經充分脫氧鹽浴爐加熱模具產品等措施，有效防止和避免網狀裂紋形成。 　　6模具鋼材冷處理裂紋 　　模具鋼多為中、高碳合金鋼，淬火後還有部分過冷奧氏體未轉變成馬氏體，保留在使用狀態中成為殘餘奧氏體，影響使用性能。若置於零度以下繼續冷卻，能促使殘餘奧氏體發生馬氏體轉變，因此，冷處理的實質是淬火繼續。室溫下淬火應力和零度下淬火應力疊加，當疊加應力超過該材料強度極限時便形成冷處理裂紋。 　　預防措施：(1)淬火後冷處理之前將模具置於沸水中煮30-60min，可消除15％-25％淬火內應力並使殘餘奧氏體穩定化，再進行-60℃常規冷處理，或進行-120℃深冷處理，溫度愈低，殘餘奧氏體轉變成馬氏體量愈多，但不可能全部轉變完，實驗表明，約有2％-5％殘餘奧氏體保留下來，按需要保留少量殘餘奧氏體可松馳應力，起緩衝作用，因殘餘奧氏體又軟又韌，能部分吸收馬氏體化急劇膨脹能量，緩和相變應力；(2)冷處理完畢後取出模具投入熱水中升溫，可消除40％-60％冷處理應力，升溫至室溫後應及時回火，冷處理應力進一步消除，避免冷處理裂紋形成，獲得穩定性組織性能，確保模具產品存放和使用中不發生畸變。 　　7模具鋼材磨削裂紋 　　常發生在模具成品淬火、回火後磨削冷加工過程中，多數形成的微細裂紋與磨削方向垂直，深約0.05-1.0mm。(1)原材料預處理不當，未能充分消除原材料塊狀、網狀、帶狀碳化物和發生嚴重脫碳；(2)最終淬火加熱溫度過高，發生過熱，晶粒粗大，生成較多殘餘奧氏體；(3)在磨削時發生應力誘發相變，使殘餘奧氏體轉變為馬氏體，組織應力大，加上因回火不充分，留有較多殘餘拉應力，與磨削組織應力疊加，或因磨削速度、進刀量大及冷卻不當，導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，多種應力綜合，超過該材料強度極限，便引起表層金屬磨削裂紋。 　　預防措施：(1)對原材料進行改鍛，多次雙十字形變向鐓拔鍛造，經四鐓四拔，使鍛造纖維組織圍繞型腔或軸線呈波浪形對稱分布，並利用最後一火高溫餘熱進行淬火，接著高溫回火，能充分消除塊狀、網狀、帶狀和鏈狀碳化物，使碳化物細化至2-3級；(2)制訂先進的熱處理工藝，控制最終淬火殘餘奧氏體含量不超標；(3)淬火後及時進行回火，消除淬火應力；(4)適當降低磨削速度、磨削量、磨削冷卻速度，能有效防止和避免磨削裂紋形成。 　　8模具鋼材線切割裂紋 　　該裂紋出現在經過淬火、回火的模塊在線切割加工過程中，此過程改變了金屬表層、中間層和心部應力場分布狀態，淬火殘餘內應力失去平衡變形，某一區域出現大的拉應力，此拉應力大於該模具材料強度極限時導致炸裂，裂紋是弧尾狀剛勁變質層裂紋。實驗表明，線切割過程是局部高溫放電和迅速冷卻過程，使金屬表層形成樹枝鑄態組織凝固層，產生600-900MPa拉應力和厚約0.03mm的高應力二次淬火白亮層。裂紋產生原因：(1)原材料存在嚴重的碳化物偏析；(2)儀錶失靈，淬火加熱溫度過高，晶粒粗大，降低材料強韌性，增加脆性；(3)淬火工件未及時回火和回火不充分，存在過大的殘餘內應力和線切割過程中形成的新內應力疊加導致線切割裂紋。 　　預防措施：(1)嚴格原材料入庫前檢查，確保原材料組織成分合格，對不合格原材料必須改進鍛，擊碎碳化物，使化學成分、金相組織等達到技術條件後方可投產、模塊熱處理前加工成品需留足一定磨量後淬火、回火、線切割；(2)入爐前校驗儀錶，選用微機控溫，控溫精度±1.5℃，真空爐、保護氣氛爐加熱，嚴防過熱和氧化脫碳；(3)採用分級淬火、等溫淬火和淬火後及時回火，多次回火，充分消除內應力，為線切割創造條件；(4)制訂科學合理線切割工藝。 　　模具服役時在交變應力反覆作用下形成的顯微疲勞裂紋緩慢擴展， 導致突然疲勞斷裂。(1)原材料存在發紋、白點、孔隙、疏鬆、非金屬夾雜、碳化物嚴(下接2、3版中縫) 　　重偏析、帶狀組織、塊狀遊離鐵素體冶金組織缺陷，破壞了基體組織連續性，形成不均勻應力集中。鋼錠中H2未排除，導致軋制時形成白點。鋼中存在Sb、Bi、Pb、Sn、As和S、P等有害雜質，鋼中的P易引起冷脆，而S易引起熱脆，S、P有害雜質超標均易形成疲勞源；(2)化學滲層過厚、濃度過大、滲層過徒、硬化層過淺、過渡區硬度低等都可導致材料疲勞強度急劇降低；(3)當模面加工粗糙、精度低、光潔度差，以及刀紋、刻字、劃痕、碰傷、腐蝕麻面等也易引起應力集中導致疲勞斷裂。 預防措施：(1)嚴格選材，確保材質，控制Pb、As、Sn等低熔點雜質與S、P非金屬雜質含量不超標；(2)投產前進行材質檢查，不合格原材料不投產；(3)選用具有純潔度高、雜質少、化學成分均勻、晶粒細、碳化物小、等向性能好，疲勞強度高等特點的電渣重熔精鍊鋼，對模具型面表面噴丸強化和表面化學滲層改性強化處理，使金屬表層為預壓應力，抵消模具服役時產生的拉應力，提高模具型面疲勞強度；(4)提高模具型面加工精度和光潔度；(5)改善化學滲層和硬化層組織性能；(6)採用微機控制化學滲層厚度、濃度和硬化層厚度。 　　10模具鋼材應力腐蝕裂紋 　　該裂紋常發生在使用過程中。金屬模具因化學反應或電化學反應過程，引起從表至內組織結構損壞腐蝕作用而產生開裂，這就是應力腐蝕裂紋。模具鋼因熱處理後組織不同，抗蝕性能也不同。最耐蝕組織為奧氏體(A)，最易腐蝕組織為屈氏體(T)，依次為鐵素體(F)馬氏體(M)珠光體(P)索氏體(S)。因此，模具鋼熱處理不宜得到T組織。淬火鋼雖經回火，但因回火不充分，淬火內應力或多或少依然存在，模具服役時在外力作用下也會產生新的應力，凡有應力存在於金屬模具中就會有應力腐蝕裂紋發生。 　　預防措施：(1)模具鋼淬火後應及時回火，充分回火，多次回火，以消除淬火內應力；(2)模具鋼淬火後一般不宜在350-400℃回火，因T組織常在此溫度出現，發生有T組織模具應重新處理，模具應進行防鏽處理，提高抗蝕性能；(3)熱作模具服役前進行低溫預熱，冷作模具服役一個階段後進行一次低溫回火消除應力，不僅能防止和避免應力腐蝕裂紋發生，還可大幅度提高模具使用壽命，一舉兩得，有顯著技術經濟效益。
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