模具鋼的10種淬火裂紋及預(yù)防措施

模具鋼熱處理中，淬火是常見工序。然而，因種種原因，有時難免會產(chǎn)生淬火裂紋，致使前功盡棄。分析裂紋產(chǎn)生原因，進而采取相應(yīng)預(yù)防措施，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。常見淬火裂紋有以下10種類型。

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，心部轉(zhuǎn)變?yōu)楸热莸拇慊瘃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)力大于該鋼強度極限時導(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、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質(zhì)，鋼錠軋制時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保留在產(chǎn)品中，導(dǎo)致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(nèi)(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(zhì)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(yù)防措施：

(1)嚴(yán)格原材料入庫檢查，對有害雜質(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)改進熱處理工藝，采用真空加工熱、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(yīng)力，能有效避免模具縱向開裂和淬火畸變。

2　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(yīng)力峰值，大型模具快速冷卻時易形成大的拉應(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、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質(zhì)的橫向偏析或模塊存在橫向顯微裂紋，淬火后經(jīng)擴展形成橫向裂紋。

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好選在2-3之間，鍛造之間雙十字形變向鍛造，經(jīng)五鐓五拔多火鍛造，使鋼中碳化物和雜質(zhì)呈細(xì)、小、均勻分布于鋼基體，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，則易淬裂，為負(fù)時，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有機淬火介質(zhì)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(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

常發(fā)生在模具棱角、凸臺、刀紋、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接線飛邊等形狀突變處。這是因為淬火時棱角處產(chǎn)生的應(yīng)力是平滑表面平均應(yīng)力的10倍。

(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(zhuǎn)變和相同組織轉(zhuǎn)變不同時性，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，促使應(yīng)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(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)綜合應(yīng)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(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)合力和強韌性，增加脆性，服役時在外力作用下形成弧狀裂紋。

預(yù)防措施：

(1)改進設(shè)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(yīng)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(yīng)力集中，防止淬火時弧狀裂紋形成；

(3)淬火鋼應(yīng)及時回火，消除部分淬火內(nèi)應(yīng)力，防止淬火應(yīng)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；

(6)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械力學(xué)性能；

(8)對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，防止和避免淬火時弧狀裂紋形狀。

4　剝離裂紋

模具服役時在應(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性引起內(nèi)外層淬火馬氏體膨脹不同時進行，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℃以下低溫回火快速加熱，會促使表層形成拉應(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，導(dǎo)致化學(xué)滲層被拉裂剝離。

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，增強滲層與基體結(jié)合力，滲后進行擴散處理能使化學(xué)滲層與基體過渡均勻；

(2)模具鋼化學(xué)處理之前進行擴散退火、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。

5　網(wǎng)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(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(yīng)力作用下沿晶界呈網(wǎng)狀裂開。

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)制訂先進合理熱處理工藝，選用微機控溫儀表，控制精度達(dá)到±1.5℃，定時現(xiàn)場校驗儀表；

(4)模具產(chǎn)品處理選用真空電爐、保護氣氛爐和經(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。

6　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(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)疊加應(yīng)力超過該材料強度極限時便形成冷處理裂紋。

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(zhuǎn)變成馬氏體量愈多，但不可能全部轉(zhuǎn)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(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)及時回火，冷處理應(yīng)力進一步消除，避免冷處理裂紋形成，獲得穩(wěn)定性組織性能，確保模具產(chǎn)品存放和使用中不發(fā)生畸變。

7　磨削裂紋

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)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，超過該材料強度極限，便引起表層金屬磨削裂紋。

預(yù)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(jīng)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，并利用臨末一火高溫余熱進行淬火，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；

(2)制訂先進的熱處理工藝，控制淬火殘余奧氏體含量不超標(biāo)；

(3)淬火后及時進行回火，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。

8　線切割裂紋

該裂紋出現(xiàn)在經(jīng)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(yīng)力場分布狀態(tài)，淬火殘余內(nèi)應(yīng)力失去平衡變形，某一區(qū)域出現(xiàn)大的拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力大于該模具材料強度極限時導(dǎo)致炸裂，裂紋是弧尾狀剛勁變質(zhì)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(tài)組織凝固層，產(chǎn)生600-900MPa拉應(yīng)力和厚約0.03mm的高應(yīng)力二次淬火白亮層。

裂紋產(chǎn)生原因：

(1)原材料存在嚴(yán)重的碳化物偏析；

(2)儀表失靈，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，存在過大的殘余內(nèi)應(yīng)力和線切割過程中形成的新內(nèi)應(yīng)力疊加導(dǎo)致線切割裂紋。

預(yù)防措施：

(1)嚴(yán)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(xué)成分、金相組織等達(dá)到技術(shù)條件后方可投產(chǎn)、模塊熱處理前加工成品需留足一定磨量后淬火、回火、線切割；

(2)入爐前校驗儀表，選用微機控溫，控溫精度±1.5℃，真空爐、保護氣氛爐加熱，嚴(yán)防過熱和氧化脫碳；

(3)采用分級淬火、等溫淬火和淬火后及時回火，多次回火，充分消除內(nèi)應(yīng)力，為線切割創(chuàng)造條件；

(4)制訂科學(xué)合理線切割工藝。

9　疲勞裂紋

模具服役時在交變應(yīng)力反復(fù)作用下形成的顯微疲勞裂紋緩慢擴展，導(dǎo)致突然疲勞斷裂。

(1)原材料存在發(fā)紋、自點、孔隙、疏松、非金屬夾雜、碳化物嚴(yán)重偏析、帶狀組織、塊狀游離鐵素體冶金組織缺陷，破壞了基體組織連續(xù)性，形成不均勻應(yīng)力集中。鋼錠中112未排除，導(dǎo)致軋制時形成白點。鋼中存在Bi、 Pb、Sn、As和S、P等有害雜質(zhì)，鋼中的P易引起冷脆，而S易引起熱脆，S、P有害雜質(zhì)超標(biāo)均易形成疲勞源；

(2)化學(xué)滲層過厚、濃度過大、滲層過度、硬化層過淺、過渡區(qū)硬度低等都可導(dǎo)致材料疲勞強度急劇降低；

(3)當(dāng)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(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞斷裂。

預(yù)防措施：

(1)嚴(yán)格選材，確保材質(zhì)，控制Pb、As、Sn等低熔點雜質(zhì)與S、P非金屬雜質(zhì)含量不超標(biāo)；

(2)投產(chǎn)前進行材質(zhì)檢查，不合格原材料不投產(chǎn)；

 (3)選用具有純潔度高、雜質(zhì)少、化學(xué)成分均勻、晶粒細(xì)、碳化物小、等向性能好，疲勞強度高等特點的電渣重熔精煉鋼，對模具型面表面噴丸強化和表面化學(xué)滲層改性強化處理，使金屬表層為預(yù)壓應(yīng)力，抵消模具服役時產(chǎn)生的拉應(yīng)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(xué)滲層和硬化層組織性能；

（6）采用微機控制化學(xué)滲層厚度、濃度和硬化層厚度。

10　應(yīng)力腐蝕裂紋

該裂紋常發(fā)生在使用過程中。金屬模具因化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)過程，引起從表至內(nèi)組織結(jié)構(gòu)損壞腐蝕作用而產(chǎn)生開裂，這就是應(yīng)力腐蝕裂紋。模具鋼因熱處理后組織不同，抗蝕性能也不同。耐蝕組織為奧氏體(A)，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(jīng)回火，但因回火不充分，淬火內(nèi)應(yīng)力或多或少依然存在，模具服役時在外力作用下也會產(chǎn)生新的應(yīng)力，凡有應(yīng)力存在于金屬模具中就會有應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)生。

預(yù)防措施：

(1)模具鋼淬火后應(yīng)及時回火，充分回火，多次回火，以消除淬火內(nèi)應(yīng)力；

(2)模具鋼淬火后一般不宜在350-400℃回火，因T組織常在此溫度出現(xiàn)，發(fā)生有T組織模具應(yīng)重新處理，模具應(yīng)進行防銹處理，提高抗蝕性能；

(3)熱作模具服役前進行低溫預(yù)熱，冷作模具服役一個階段后進行一次低溫回火消除應(yīng)力，不僅能防止和避免應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)生，還可大幅度提高模具使用壽命，一舉兩得，有顯著技術(shù)經(jīng)濟效益。

（來源：熱處理技術(shù)）