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模具鋼淬火中的裂紋分析及措施

文章出處: 人氣:1403 發(fā)表時間:2021-02-10 16:17:08

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(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(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。 

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、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。 

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(jī)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。 

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(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,促進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)設(shè)計,盡量使形狀對稱,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(kuò)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(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成。 

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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(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。化學(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(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。

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(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(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。  

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℃,定時現(xiàn)場校驗儀表;(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。 

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(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(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(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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