模具鋼淬火裂紋分析與預防措施10例
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,進而采取相應預防措施,具有顯著的技術經(jīng)濟效益。常見淬火裂紋有以(yǐ)下10類型。 1、縱向裂紋 裂紋呈軸向(xiàng),形(xíng)狀細而(ér)長。當模具完全淬透即無心淬火(huǒ)時,心部轉變為(wéi)比容***大的淬火馬氏體(tǐ),產生切向拉應力,模具鋼的含碳量愈高,產生的切向拉應(yīng)力愈大,當拉應力大於該鋼強度極限時導致縱向裂紋(wén)形成。以下因素又(yòu)加劇了縱向裂紋的產生: (1)鋼中含有較(jiào)多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質,鋼錠軋製時沿(yán)軋製方向呈(chéng)縱向嚴重偏析分布,易產生應力集中形成縱向(xiàng)淬火裂紋,或原材(cái)料軋製後快冷形成(chéng)的縱向裂紋未加工掉保留在產品中導致***終淬火裂(liè)紋擴大形成縱(zòng)向裂紋; (2)模具尺寸在鋼的淬裂敏感尺寸範圍(wéi)內(碳工具鋼淬裂危險尺寸為8-15mm,中低(dī)合金鋼危險尺寸為25-40mm)或(huò)選擇的淬火冷卻介質大大超(chāo)過該鋼的臨界淬火冷卻速度(dù)時均易(yì)形(xíng)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(lǐ)工(gōng)藝(yì),采用真空加熱(rè)、保(bǎo)護氣氛加熱和(hé)充分脫氧鹽浴(yù)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(cuì)透,獲得強(qiáng)韌性高的下(xià)貝氏體(tǐ)組織等措施,大幅度降低拉應力,能(néng)有效避免模具縱向開裂和(hé)淬火畸變(biàn)。 2橫向裂紋(wén) 裂紋特征是垂直於軸(zhóu)向(xiàng)。未(wèi)淬透模具,在淬硬區與未淬硬區過渡部分存(cún)在大的拉應力峰值,大型模(mó)具快速冷卻時(shí)易形成大的拉應力(lì)峰(fēng)值,因形成的軸向應力(lì)大於切向應力,導致產生橫向(xiàng)裂紋。鍛造模塊中S、P.Sb,Bi,Pb,Sn,As等低熔(róng)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(fáng)措施: (1)模塊應合理鍛(duàn)造,原材料長度與直徑之比即鍛造比(bǐ)***好選(xuǎn)在2—3之間,鍛造采用雙十字形變(biàn)向鍛造,經五鐓五拔(bá)多火鍛造,使(shǐ)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(néng),減少和消除應力源(yuán); (2)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質:在鋼(gāng)的Ms點(diǎn)以上(shàng)快(kuài)冷,大於該鋼臨界淬火(huǒ)冷卻速度,鋼中過冷奧氏體產(chǎn)生的應力為熱應力(lì),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(xíng)成淬火馬氏體時的(de)組織應力。當鋼中熱應力與相應應(yīng)力總和為正(張應力)時,則易淬裂,為負時,則不易淬裂(liè)。充分(fèn)利用熱應力,降低相變(biàn)應力,控製應力(lì)總和為負,能有效避免橫向淬(cuì)火裂紋發生。CL-1有機淬火介質是較理想淬(cuì)火劑,同時可減少和避免淬火模具畸變,還可控製硬化層合理分布。調正CL-1 淬火劑不同(tóng)濃度(dù)配比,可得到不同冷卻速度,獲得所需硬化層分布,滿(mǎn)足不同模具鋼(gāng)需求。 3弧狀裂紋 常發生在(zài)模具棱角角、缺口、孔穴、 凹模接線飛邊等(děng)形狀突變(biàn)處。這是因為,淬火時棱角處產生的應力是平滑表麵平均(jun1)應力(lì)的10倍。另外, (1)鋼中含碳(C)量和合金元素含量愈高,鋼(gāng)Ms點愈低,Ms點降低2℃,則淬裂傾向增加1.2倍(bèi),Ms點降(jiàng)低8℃,淬裂傾向則增加8倍; (2)鋼中不同組織轉變和(hé)相同組織轉變不同時(shí)性,由於不同組織比容差,造成(chéng)巨大組織應力,導致組織(zhī)交界處形成弧狀裂紋; (3)淬火後未及時回火(huǒ),或回火不充分,鋼中殘餘奧氏體未充分轉變,保留(liú)在使用狀(zhuàng)態中(zhōng),促進應力(lì)重(chóng)新(xīn)分布(bù),或模具服(fú)役(yì)時殘餘奧氏(shì)體發生馬氏體相變產生新的內應力,當綜合(hé)應力大於該鋼強度極(jí)限時便形(xíng)成弧狀裂(liè)紋; (4)具有第二類回火脆性(xìng)鋼,淬火後(hòu)高溫回(huí)火緩冷,導致鋼中P,s等有害雜質化合物沿晶界析(xī)出,大大降低晶(jīng)界結合力和強韌(rèn)性,增加脆性,服役(yì)時在外力作用(yòng)下形(xíng)成弧(hú)狀裂紋。 預防措施: (1)改進設計,盡量使形狀對稱(chēng),減少形狀突變(biàn),增加工藝孔(kǒng)與加強筋, 或采用組合裝配(pèi); (2)圓(yuán)角代直(zhí)角及尖角銳邊(biān),貫穿孔代盲孔,提高加工精度(dù)和表麵光潔度,減(jiǎn)少應力集中源,對於無法避免直角、尖(jiān)角銳邊、盲孔等處一般硬度要(yào)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(píng)障,使(shǐ)之緩慢冷卻淬火,避免應力集中,防止淬火時弧(hú)狀(zhuàng)裂(liè)紋(wén)形成;(3)淬火鋼應及時回(huí)火,消(xiāo)除部分淬火內應力,防(fáng)止淬(cuì)火應力擴展; (4)較(jiào)長時間(jiān)回(huí)火,提高(gāo)模具抗(kàng)斷裂韌性值; (5)充分回火,得(dé)到穩定(dìng)組織性能;(6)多次回火使殘(cán)餘奧(ào)氏體(tǐ)轉變充(chōng)分和消除新(xīn)的應力; (7)合理回火,提高鋼件(jiàn)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(gāng)高溫回火後應快冷(水冷或(huò)油冷),可消除二類回(huí)火脆性,防止和避免淬(cuì)火(huǒ)時弧狀裂紋形成。 4剝離裂(liè)紋 模(mó)具服役時在應(yīng)力作用(yòng)下,淬火硬化層一(yī)塊塊從鋼基體中剝離。因模(mó)具(jù)表層(céng)組織和心部組(zǔ)織比容不同,淬火時表層形成軸向、切(qiē)向淬火應力,徑向產生拉(lā)應力(lì),並向內部突變,在(zài)應力急劇變化範圍較窄處產生剝(bāo)離裂紋,常(cháng)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(tǐ)膨脹不同時進行(háng),產生大的相變(biàn)應力,導(dǎo)致化學處理滲層從基體組織中剝離。如火焰表麵淬硬層(céng)、高頻表麵淬硬層、滲碳層、碳氮共滲層、滲氮(dàn)層(céng)、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~C以下低溫(wēn)回火快速加熱,會促使表層形成拉應力,而鋼(gāng)基體心部及過渡層形成壓縮應(yīng)力,當拉應力大於壓縮應力時,導(dǎo)致化學滲層被拉(lā)裂剝離。 預防(fáng)措施: (1)應使模具鋼化學滲層(céng)濃度與硬度由表至內平緩降低,增強滲層與基體結(jié)合(hé)力,滲後進行擴散處理能使化學滲層與基體過渡均(jun1)勻;(2)模具鋼化學(xué)處理之前進行(háng)擴散退火、球化退火(huǒ)、調質處理(lǐ),充分(fèn)細化原始組織,能有(yǒu)效(xiào)防止和避免剝離裂紋產生,確保產(chǎn)品質量。 5網狀裂紋 裂紋深(shēn)度(dù)較淺(qiǎn),一般深約0.01-1.5mm,呈輻射狀,別名龜裂(liè)。原因主要(yào)有: (1)原材料有較深脫碳層,冷切削加工未去除,或成(chéng)品模具在氧化氣氛爐中加熱造成氧化脫碳(tàn); (2)模具脫碳表層金屬組織與鋼基體馬(mǎ)氏(shì)體含碳量不同,比容不同,鋼脫碳(tàn)表層淬火時產生大的拉應力(lì),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(lì)鋼,原始組織粗大,存在大(dà)塊狀鐵素體,常規淬(cuì)火無法消除,保留(liú)在淬火組織中,或控溫不準,儀表失靈,發生組織過(guò)熱,甚至過燒,晶粒粗化,失去晶(jīng)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(dà)大降低,韌性差(chà),脆性大,在拉應力作用下沿(yán)晶界呈網狀裂開。 預防措施: (1)嚴格原材料化學成分.金相組(zǔ)織和探傷檢查,不合(hé)格(gé)原材料和粗晶(jīng)粒鋼不宜作模具材料; (2)選(xuǎn)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(xuē)加工餘量必須大於脫碳層深(shēn)度; (3)製(zhì)訂先進(jìn)合理熱處(chù)理工藝,選用微(wēi)機控溫儀表,控製精(jīng)度達到±1.5℃,定時現(xiàn)場校(xiào)驗儀表; (4)模具(jù)產品***終處理選用真(zhēn)空(kōng)電爐、保(bǎo)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。