模具鋼淬火中的裂紋分析及措施

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?yōu)楸热葑畲蟮拇慊瘃R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，當拉應力大于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、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，或原材料軋制后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范圍內(碳工具鋼淬裂危險尺寸為8 15mm，中低合金鋼危險尺寸為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，爐外精煉或電渣重熔模具鋼材；(3)改進熱處理工藝，采用真空加熱、保護氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分級淬火、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。 

橫向裂紋  
        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，因形成的軸向應力大于切向應力，導致產生橫向裂紋。鍛造模塊中S、P、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，淬火后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，鍛造采用雙十字形變向鍛造，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，大于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(fā)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。 

弧狀裂紋  
        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。這是因為，淬火時棱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，由于不同組織比容差，造成巨大組織應力，導致組織交界處形成弧狀裂紋；(3)淬火后未及時回火，或回火不充分，鋼中殘余奧氏體未充分轉變，保留在使用狀態(tài)中，促進應力重新分布，或模具服役時殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變產生新的內應力，當綜合應力大于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，淬火后高溫回火緩冷，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，減少應力集中源，對于無法避免直角、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(wěn)定組織性能；多次回火使殘余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；對于有第二類回火脆性模具鋼高溫回火后應快冷(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成。 

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，并向內部突變，在應力急劇變化范圍較窄處產生剝離裂紋，常發(fā)生于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?；瘜W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，當拉應力大于壓縮應力時，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，滲后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。

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(guī)淬火無法消除，保留在淬火組織中，或控溫不準，儀表失靈，發(fā)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，投產前復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)制訂先進合理熱處理工藝，選用微機控溫儀表，控制精度達到±1.5℃，定時現場校驗儀表；(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。 

冷處理裂紋  
        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)生馬氏體轉變，因此，冷處理的實質是淬火繼續(xù)。室溫下淬火應力和零度下淬火應力疊加，當疊回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％淬火內應力并使殘余奧氏體穩(wěn)定化，再進行 60℃常規(guī)冷處理，或進行 120℃深冷處理，溫度愈低，殘余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％殘余奧氏體保留下來，按需要保留少量殘余奧氏體可松馳應力，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％冷處理應力，升溫至室溫后應及時回火，冷處理應力進一步消除，避免冷處理裂紋形成，獲得穩(wěn)定組織性能，確保模具產品存放和使用中不發(fā)生畸變。