模具钢淬火十种裂纹分析与措施

《模具制造》 !""!#$%#& 总第 ’( 期
)、* 等有害杂质化合物沿晶界析出，大大降低晶界结 合 力 和 强 韧 性 ，增 加 脆 性 ，服 役 时 在 外 力 作 用 下 形 成 弧 状裂纹。
预 防 措 施 ：! 改 进 设 计 ，尽 量 使 形 状 对 称 ，减 少 形 状 突 变 ，增 加 工 艺 孔 与 加 强 筋 ，或 采 用 组 合 装 配 ；" 圆 角 代 直 角 及 尖 角 锐 边 ，贯 穿 孔 代 盲 孔 ，提 高 加 工 精 度 和 表 面 光 洁 度 ，减 少 应 力 集 中 源 ，对 于 无 法 避 免 直 角 、尖 角 锐 边 、盲 孔 等 处 一 般 硬 度 要 求 不 高 ，可 用 铁 丝 、石 棉 绳 、耐 火 泥 等 进 行 包 扎 或 填 塞 ，人 为 造 成 冷 却 屏 障 ，使 之 缓 慢 冷 却 淬 火 ，避 免 应 力 集 中 ，防 止 淬 火 时 弧 状 裂 纹 形 成 ；# 淬 火 钢 应 及 时 回 火 ，消 除 部 分 淬 火 内 应 力 ，防 止 淬 火 应 力 扩 展 ；$ 较 长 时 间 回 火 ，提 高 模 具 抗 断 裂 韧 性值；%充分回火，得到稳定组织性能；&多次回火使残 余 奥 氏 体 转 变 充 分 和 消 除 新 的 应 力 ；’ 合 理 回 火 ，提 高 钢件疲劳抗力和综合机械力学性能；(对于有第二类回 火脆性模具钢高温回火后应快冷（水冷或油冷），可消除 二类回火脆性，防止和避免淬火时弧状裂纹形成。
’ 纵向裂纹 裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心
淬 火 时 ，心 部 转 变 为 比 容 最 大 的 淬 火 马 氏 体 ，产 生 切 向 拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈 大 ，当 拉 应 力 大 于 该 钢 强 度 极 限 时 导 致 纵 向 裂 纹 形 成 。 以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：!钢中含有较多 )、*、)+、,-、*+、).、/0 等低熔点有害杂质，钢锭轧制时 沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形 成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂 纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成 纵 向 裂 纹 ；" 模 具 尺 寸 在 钢 的 淬 裂 敏 感 尺 寸 范 围 内（ 碳 工具钢淬裂危险尺寸为 &1’233，中低合金钢危险尺寸 为 !214"33）或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的 临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。
1’
氧化脱碳；"模具脱碳表层金属组织与钢基体马氏体 含 碳 量 不 同 ，比 容 不 同 ，钢 脱 碳 表 层 淬 火 时 产 生 大 的 拉 应 力 ，因 此 ，表 层 金 属 往 往 沿 晶 界 被 拉 裂 成 网 状 ；# 原 材 料 是 粗 晶 粒 钢 ，原 始 组 织 粗 大 ，存 在 大 块 状 铁 素 体 ， 常 规 淬 火 无 法 消 除 ，保 留 在 淬 火 组 织 中 ，或 控 温 不 准 ， 仪 表 失 灵 ，发 生 组 织 过 热 ，甚 至 过 烧 ，晶 粒 粗 化 ，失 去 晶 界结合力，模具淬火冷却时钢的碳化物沿奥氏体晶界 析 出 ，晶 界 强 度 大 大 降 低 ，韧 性 差 ，脆 性 大 ，在 拉 应 力 作 用下沿晶界呈网状裂开。
- 网状裂纹 裂纹深度较浅，一般深约 "#"’.’#-//，呈辐射状，
别 名 龟 裂 。 原 因 主 要 有 ：!原 材 料 有 较 深 脱 碳 层 ，冷 切 削加工未去除，或成品模具在氧化气氛炉中加热造成
6 磨削裂纹 常发生在模具成淬火、回火后磨削冷加工过程
中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂直，深约 "#"-. ’#"//。!原材料预处理不当，未能充分消除原材料块
预 防 措 施 ：#对 原 材 料 进 行 改 锻 ，多 次 双 十 字 形 变 向镦拔锻造，经四镦四拔，使锻造纤维组织围绕型腔或轴 线呈波浪形对称分布，并利 用 最后一火高温余热 进 行 淬 火，接着高温回火，能充分消除块状、网状、带状和链状碳 化物，使碳化物细化至 !)( 级；!制订先进的热处理工 艺，控制最终淬火残余奥氏体含量不超标；"淬火后及时 进行回火，消除淬火应力；$适当降低磨削速度、磨削量、 磨削冷却速度，能有效防止和避免磨削裂纹形成。
预 防 措 施 ：! 严 格 原 材 料 化 学 成 分 、金 相 组 织 和 探 伤 检 查 ，不 合 格 原 材 料 和 粗 晶 粒 钢 不 宜 作 模 具 材 料 ；" 选 用 细 晶 粒 钢 、真 空 电 炉 钢 ，投 产 前 复 查 原 材 料 脱 碳 层 深 度 ，冷 切 削 加 工 余 量 必 须 大 于 脱 碳 层 深 度 ；# 制 订 先 进合理热处理工艺，选用微机控温仪表，控制精度达 到 0’#-, ，定 时 现 场 校 验 仪 表 ；$ 模 具 产 品 最 终 处 理 选 用真空电炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加热模 具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹形成。
预防措施：!应使模具钢化学渗层浓度与硬度由表 至 内 平 缓 降 低 ，增 强 渗 层 与 基 体 结 合 力 ，渗 后 进 行 扩 散 处理能使化学渗层与基体过渡均匀；"模具钢化学处理 之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始 组织，能有效防止和避免剥离裂纹产生，确保产品质量。
1 冷处理裂纹 模 具 钢 多 为 中 、高 碳 合 金 钢 ，淬 火 后 还 有 部 分 过 冷
+ 剥离裂纹 模具服役时在应力作用下，淬火硬化层一块块从钢
基体中剥离。因模具表层组织和心部组织比容不同，淬 火时表层形成轴向、切向淬火应力，径向产生拉应力，并 向内部突变，在应力急剧变化范围较窄处产生剥离裂 纹 ，常 发 生 于 经 表 层 化 学 热 处 理 模 具 冷 却 过 程 中 ，因 表 层化学改性与钢基体相变不同时性引起内外层淬火马 氏 体 膨 胀 不 同 时 进 行 ，产 生 大 的 相 变 应 力 ，导 致 化 学 处 理渗层从基体组织中剥离。如火焰表面淬硬层、高频表 面淬硬层、渗碳层、碳氮共渗层、渗氮层、渗硼层、渗金属 层等。化学渗层淬火后不宜快速回火，尤其是 ("",以下 低 温 回 火 快 速 加 热 ，会 促 使 表 层 形 成 拉 应 力 ，而 钢 基 体 心部及过渡层形成压缩应力，当拉应力大于压缩应力 时，导致化学渗层被拉裂剥离。
*!
《模具制造》 !""!#$%#& 总第 ’( 期
状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳；!最终淬火加热 温 度 过 高 ，发 生 过 热 ，晶 粒 粗 大 ，生 成 较 多 残 余 奥 氏 体 ； "在磨削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为马 氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有较多残余拉 应力，与磨削组织应力叠加，或因磨削速度、进刀量大及 冷却不当，导致金属表层磨削热急剧升温至淬火加热温 度，随之磨削液冷却，造成磨削表层二次淬火，多种应力 综合，超过该材料强度极限，便引起表层金属磨削裂纹。
奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状态中成为残余 奥氏体，影响使用性能。若置于零度以下继续冷却，能促 使 残 余 奥 氏 体 发 生 马 氏 体 转 变 ，因 此 ，冷 处 理 的 实 质 是 淬火继续。室温下淬火应力和零度下淬火应力叠加，当 叠加应力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。
预防措施：!淬火后冷处理之前将模具置于沸水 中煮 (".1"/23，可消除 ’-4.!-4淬火内应力并使残余 奥 氏 体 稳 定 化 ， 再 进 行51",常 规 冷 处 理 ， 或 进 行 5 ’!",深冷处理，温度愈 低 ，残 余 奥 氏 体 转 变 成 马 氏 体 量愈多，但不可能全部转变完，实验表明，约有 !4.-4 残余奥氏体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可 松 驰 应 力 ，起 缓 冲 作 用 ，因 残 余 奥 氏 体 又 软 又 韧 ，能 部 分 吸 收 马 氏 体 化 急 剧 膨 胀 能 量 ，缓 和 相 变 应 力 ；" 冷 处 理完毕后取出模具投入热水中升温，可消除 +"4.1"4 冷 处 理 应 力 ，升 温 至 室 温 后 应 及 时 回 火 ，冷 处 理 应 力 进 一 步 消 除 ，避 免 冷 处 理 裂 纹 形 成 ，获 得 稳 定 组 织 性 能 ， 确保模具产品存放和使用中不发生畸变。
;"
!!!!!!!!!!!!!!"
模具材料及热处理
《模具制造》 !""!#$%#& 总第 ’( 期
!!"
!!"
!!!!!!!!!!!!!!"
模具钢淬火十种裂纹分析与措施
南弯工具厂（江西南昌 (("""!） 王荣滨
模 具 钢 热 处 理 中 ，淬 火 是 常 见 工 序 。 然 而 ，因 种 种 原 因 ，有 时 难 免 会 产 生 淬 火 裂 纹 ，致 使 前 功 尽 弃 。 分 析 裂 纹 产 生 原 因 ，进 而 采 取 相 应 预 防 措 施 ，具 有 显 著 的 技 术经济效益。常见淬火裂纹有以下 ’" 种类型。
预 防 措 施 ：! 严 格 原 材 料 入 库 检 查 ，对 有 害 杂 质 含 量 超 标 钢 材 不 投 产 ；" 尽 量 选 用 真 空 冶 炼 、炉 外 精 炼 或 电渣重熔模具钢材；#改进热处理工艺，采用真空加 热 、保 护 气 氛 加 热 和 充 分 脱 氧 盐 浴 炉 加 热 及 分 级 淬 火 、 等 温 淬 火 ；$ 变 无 心 淬 火 为 有 心 淬 火 即 不 完 全 淬 透 ，获 得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应 力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。
之比即锻造比最好选在 !1( 之间，锻造采用双十字形 变 向 锻 造 ，经 五 镦 五 拔 多 火 锻 造 ，使 钢 中 碳 化 物 和 杂 质 呈 细 、小 、匀 分 布 于 钢 基 体 ，锻 造 纤 维 组 织 围 绕 型 腔 无 定 向 分 布 ，大 幅 度 提 高 模 块 横 向 力 学 性 能 ，减 少 和 消 除 应力源；"选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的 50 点 以 上 快 冷 ，大 于 该 钢 临 界 淬 火 冷 却 速 度 ，钢 中 过 冷 奥 氏 体 产 生 的 应 力 为 热 应 力 ，表 层 为 压 应 力 ，内 层 为 张 应 力，相互抵消，有效防止热应力裂纹形成，在钢的 501 56 之间缓冷，大幅度降低形成淬火马氏体时的组织应 力。当钢中热应力与相应应力总和为正（张应力）时，则 易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相 变 应 力 ，控 制 应 力 总 和 为 负 ，能 有 效 避 免 横 向 淬 火 裂 纹 发生。789’ 有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少 和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正 789’ 淬火剂不同浓度配比，可得到不同冷却速度，获得 所需硬化层分布，满足不同模具钢需求。