模具钢淬火为什么会产生这些裂纹

模具钢淬火为什么会产生这些裂纹？分别有什么预防措施？⑴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，心部转变为比热容最大的淬火马氏体，产生的切向拉应力，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。①钢中含有较多S、P、Pb、Sn、As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。②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8~15mm，中低合金钢危险尺寸为25~40mm）或选择的淬火冷却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。预防措施：①对原材料入库进行严格检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；②尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔模具钢材；③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；④变无心淬火为有心淬火，即不完全淬透，获得强韧性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。⑵横向裂纹裂纹特征是垂直于轴向的，未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时也易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹，锻造模块中S、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。预防措施：①模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2~3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均匀分布于钢基体，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。②选择理想的冷却速度和冷却介质，在钢的Ms店以上快冷，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Ms~Mf之间缓冷，大幅度降低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。CL-1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。调整CL-1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。⑶弧状裂纹常发生在模具棱角、缺口、孔穴、凹模接线切边等形状突变处。这是因为淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。①钢中含碳量和合金元素含量愈高，钢Ms点愈低，Ms点降低2℃，则淬裂倾向增加1.2倍，Ms点降低8℃。淬裂倾向则增加8倍。②钢中不同组织转变和相同组织转变不同时性，由于不同组织比热容差，造成巨大组织应力，导致组织交界处形成弧状裂纹；③淬火后未及时回火，或回火不充分，钢中残余奥氏体未充分转变，保留在使用状态中，促进应力重新分布，或模具工作时残余奥氏体发生马氏体相变产生新的内应力，当综合应力大于该钢强度极限时便形成弧状裂纹。④具有第二类回火脆性钢，淬火后高温回火缓冷，导致钢中P、S等有害杂质化合物沿晶界析出，大大降低晶界结合力和韧性，增加脆性，工作时在外力作用下形成弧状裂纹。预防措施①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。②圆角代直角及尖角锐边，贯穿孔代盲孔，提高加工精度和降低表面粗糙度，减少应力集中源。对于无法表面直角、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。③淬火模具钢应及时回火，消除部分淬火内应力，防止淬火应力扩展。④较长时间回火，提高模具断裂韧性值。⑤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。⑥合理回火，提高钢件疲劳抗力和综合力学性能；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形成。⑷剥离裂纹模具工作时在应力作用下，淬火硬化层一块块从钢的集体中剥离。因模具表层组织和心部组织比热容不同，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的基体相变不同时性，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300℃以下低温回火快速加热，会促使表层形成拉应力，而钢材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。预防措施①应使模具钢材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。②模具钢材化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调制处理、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。⑸网状裂纹裂纹深度较浅，一般深约0.01~1.5mm，呈辐射状，别名龟裂，产生的原因主要有：①原材料有较深脱碳层，冷却削加工为去除，或成品模具在氧化气炉中加热造成氧化脱碳；②模具脱碳表层金属组织与钢基体马氏体含碳量不同，比热容不同，钢脱碳表层淬火时产生较大的拉应力，因此，表层金属往往沿晶界被拉裂成网状；③原材料是粗晶粗钢，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，或控制不准，仪表失灵，发生组织过热，甚至过烧，晶粒粗化，失去晶粒结合力。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。预防措施①严格进行原材料化学成分、金相组织和探伤检查，不合格原材料和粗晶粒钢不能做模具材料；②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；③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±1.5℃，并定时现场校验仪表；、④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，可有效防止和避免网状裂纹形成。⑹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限时便形成冷处理裂纹。预防措施①淬火后冷却处理之前将模具置于沸水中煮30~60min，可消除15%~25%淬火内应力，并使残余奥氏体稳定化，再进行―60℃常规冷处理，或进行―120℃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2%~5%残余奥氏体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可松弛应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体急剧膨胀能量，缓和相变应力。②冷处理完毕后却出模具投入热水中升温，可消除40%~60%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不发生畸变。⑺磨削裂纹常发生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，多数形成的细微裂纹与磨削方向垂直，深约0.05~1.0mm①原材料预处理不当，未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳。②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。③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。预防措施①对原材料进行该锻，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，并使用高温余热进行淬火。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2~3级。②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。③淬火后及时进行回火，消除淬火应力。④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。⑻线切割裂纹该裂纹出现在经过淬火，回火的钢材。在线切割加工过程中，改变了金属表层、中间层和心部应力场分布状态，淬火残余应力失去平衡变形，某一区域出现大的拉应力，此拉应力大于该模具材料强度极限时导致炸裂，实验证明，线切割过程是局部高温放电和迅速冷却过程，使金属表层形成树枝状铸态组织凝固层，产生600~900MPa拉应力和厚约0.03mm的高应力二次淬火白亮层。裂纹产生的原因:①原材料存在严重的碳化物偏析；②仪表失灵，淬火加热温度过高，晶粒粗大，降低材料韧性，增加脆性；③淬火工件为未及时回火和回火不充分，存在过大的残余内应力和线切割过程中形成的新内应力叠加，导致线切割裂纹。预防措施①严格进行原材料入库前检查，确保原材料组织成分合格，对不合格原材料必须进行改锻，击碎碳化物，使化学成分、金相组织等达到技术条件后方可投产，模块热处理前加工成品需留足一定磨量后淬火、回火、线切割；②入炉仟校验仪表，选用微机控温，控温精度±1.5℃的真空炉、保护气氛炉加热，严防过热和氧化脱碳；③采用分级淬火，等温淬火和淬火后及时回火，多次回火，充分消除内应力，为线切割创造条件；④制订科学合理线切割工艺。⑼疲劳断裂模具在工作时在交变应力反复作用下形成的显微疲劳裂纹缓慢扩展，导致突然疲劳断裂。①原材料存在发纹、白点、孔隙、疏松、非金属夹杂、碳化物严重偏析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织缺陷，破坏了基体组织连续性，形成不均匀应力集中。钢中存在Bi、Pb、Sn、As和S、P等有害杂质，钢中的P易引起冷脆，而S易引起热脆，S、P有害杂质超标均易形成疲劳源。②化学渗层过厚、浓度过大、渗层过渡、硬化层过浅、过渡区硬度低等都可以导致材料疲劳强度急剧降低。③当模具表面加工粗糙度高、精度低，以及刀纹、刻字、划痕、碰伤、腐蚀麻面等也易引起应力集中导致疲劳断裂。预防措施：①严格选材，确保材质，控制Pb、Sn、As等低熔点杂质与S、P非金属杂质含量不超标；②投产前进行材质检查，不合格原材料不投产；③选用杂质少、化学成分均匀、晶粒细，碳化物小，等向性能好、疲劳强度高等特点的电渣重炉精炼刚，对模具型面表面喷丸强化和表面化学渗层改性强化处理，是金属表层为预压应力，抵消模具工作时产生的拉应力，提高模具型面疲劳强度；④提高模具型面加工精度和降低表面粗糙度；⑤改善化学渗层和硬化层组织性能，采用微机控制化学渗层厚度、浓度和硬化层厚度。⑽应力腐蚀裂纹该裂纹常发生在使用过程中，金属模具因加工过程中的化学反应，引起从表面到内组织结构腐蚀作用而产生开裂，这就是应力腐蚀裂纹，模具因热处理后组织不同，抗蚀性能也不同，最耐蚀组织为奥氏体（Ac），最易腐蚀组织为屈氏体（T），依次为铁素体（F）—马氏体（M）—珠光体（P）—索氏体（S）。因此，模具热处理不宜得到T组织。钢淬火后虽经回火，但如果回火不充分，淬火内应力或多或少依然存在，模具工作时在外应力作用力也会产生新的应力，凡有应力存在于金属模具中就会有应力腐蚀裂纹发生。预防措施①模具钢材淬火后应及时回火，充分回火，多次回火，以消除内应力。②模具钢材淬火后一般不宜在350~400℃回火，因T组织常在温度出现，发生有T组织常在此温度出现，发生有T组织的模具应重新处理，模具应进行防锈处理，提高抗蚀性能。③热作模具工作前进行低温预热，冷作模具工作一个阶段后进行一次低温回火消除应力，不仅能防止和避免应力腐蚀裂纹发生，还可以大幅度提高模具使用寿命，一举两得，有显著技术经济效益。