模具(jù)鋼淬火裂紋分析與預防措(cuò)施10例
模具鋼(gāng)熱(rè)處理中,淬(cuì)火是常見工序(xù)。然而,因種種原因,有時難免會產生淬火裂紋,致使前功盡棄。分析裂紋產生原因,進而采取相應預防措施,具有顯著的技術經濟效益。常見淬(cuì)火裂紋(wén)有以下10類(lèi)型(xíng)。 1、縱向(xiàng)裂紋 裂紋呈軸向,形狀細而長。當(dāng)模具完全淬透(tòu)即無心淬火時,心部轉變為比容***大的淬火馬氏體,產生切(qiē)向拉應力,模具鋼(gāng)的含碳量愈高,產生的切向拉應力愈大,當拉應力大於該鋼強度(dù)極限時導致縱向裂紋形(xíng)成。以下因素又加劇了縱向裂紋的產生: (1)鋼中含有較多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低(dī)熔點有害雜質,鋼錠軋製時沿軋製方向呈縱向嚴重偏(piān)析分布,易產生應力集中形成縱向淬火裂紋,或原材料軋製後快冷形成的縱向裂紋未加(jiā)工掉保留在產品中導致***終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範圍內(碳工具鋼淬裂危險尺寸為8-15mm,中低合金鋼危(wēi)險尺寸為(wéi)25-40mm)或(huò)選擇的(de)淬火冷卻介質大大超(chāo)過該鋼的臨界淬火冷卻速度時均易形(xíng)成縱向裂紋。 預防措施: (1)嚴(yán)格原材料入庫檢(jiǎn)查,對(duì)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(chóng)熔模具鋼材; (3)改(gǎi)進熱處理工藝,采用真空加熱、保護氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加(jiā)熱及分級淬火、等溫淬火; (4)變無心(xīn)淬火為有心淬火即不完全(quán)淬(cuì)透,獲得強(qiáng)韌(rèn)性高(gāo)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(liè)和淬火畸變。 2橫向裂紋 裂紋特征是(shì)垂直於軸向。未淬透模具,在淬硬區與(yǔ)未淬硬區過渡部分存在大的拉應力(lì)峰值,大型模具快(kuài)速冷卻時易形成大的(de)拉應力峰值,因形成的軸向應(yīng)力大於切向應力,導(dǎo)致產(chǎn)生橫(héng)向裂紋。鍛造模塊(kuài)中S、P.Sb,Bi,Pb,Sn,As等低熔點有害雜質的橫向偏析或模塊(kuài)存在橫向(xiàng)顯微裂紋,淬火後經擴展形成橫向裂紋。 預防措施: (1)模塊應合理鍛造,原材料長度與(yǔ)直徑之比即鍛造比***好選在2—3之間,鍛造采(cǎi)用雙十字形變向鍛造,經五鐓五拔多(duō)火鍛造,使鋼中碳化物和雜質呈細、小(xiǎo),勻分布於鋼基體,鍛造纖維(wéi)組織圍繞(rào)型腔無定向分布,大幅度提高(gāo)模塊橫向力學性能,減少和消除應力源; (2)選擇理想(xiǎng)的冷卻速度和冷卻介質:在鋼(gāng)的Ms點以上快冷,大於該(gāi)鋼臨界淬火冷卻速度(dù),鋼中過冷奧氏(shì)體產生的應力為熱應力,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(jiān)緩(huǎn)冷,大幅度降低形成淬火馬氏體時的組織應(yīng)力。當鋼中熱應(yīng)力與相應(yīng)應力總(zǒng)和為正(張(zhāng)應力)時,則易淬裂,為負時,則不易淬裂(liè)。充分利用熱應力,降低相變應力,控(kòng)製應力總和(hé)為負,能有效避免橫向淬火(huǒ)裂紋發生。CL-1有機淬火介質是較理想淬火劑,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 淬火劑不同濃度配比,可得到不同冷卻速度(dù),獲得所需硬化層(céng)分布,滿足不(bú)同模具鋼需求。 3弧(hú)狀裂紋 常發生在模具棱角角、缺口、孔穴、 凹模接線飛邊等形(xíng)狀突(tū)變處。這是因為,淬火時棱角處產生的應力是平滑表麵平均應力的10倍(bèi)。另外, (1)鋼中含碳(C)量和(hé)合金元素含量愈高,鋼Ms點愈低,Ms點降低2℃,則淬裂傾向增加1.2倍,Ms點降低8℃,淬裂傾(qīng)向則增加8倍; (2)鋼中不同組織轉變(biàn)和相(xiàng)同組織轉(zhuǎn)變(biàn)不同時性,由於不同組織比容差,造成巨大組織應力,導致組織交界處形成弧狀裂紋; (3)淬火後未及時回火,或回火不充分,鋼中殘餘(yú)奧氏體未充分轉變,保留在使用狀態中,促進應力重新分布,或模具服(fú)役時殘餘(yú)奧氏體發生(shēng)馬氏體相變產生新的(de)內應力,當(dāng)綜(zōng)合應力大於該鋼強度極限(xiàn)時便(biàn)形成弧狀裂紋; (4)具有第二類回火脆性鋼,淬(cuì)火後高溫回(huí)火緩冷,導致鋼中P,s等有害雜(zá)質化合物(wù)沿晶界析出,大大降(jiàng)低晶(jīng)界結合力和(hé)強韌性,增(zēng)加(jiā)脆性,服役時在外力作用下形成弧狀裂紋。 預(yù)防措施: (1)改(gǎi)進設計,盡量使形狀對稱,減少形狀(zhuàng)突(tū)變(biàn),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(jiǎo)銳邊,貫穿孔代(dài)盲孔,提高加工精度和表麵光潔度,減少應力集中源,對(duì)於無法避免直角、尖角銳邊、盲孔等處一般硬度要求(qiú)不高,可用鐵絲、石棉繩、耐火泥等進行包紮或填(tián)塞,人為造(zào)成冷卻屏障,使之緩慢冷卻淬火,避免應力集中,防止淬火時弧狀裂紋形成;(3)淬火鋼應及時回火,消除部分淬火內應力(lì),防止(zhǐ)淬火應力擴展; (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)多次回火使殘餘奧氏體轉變充分和消(xiāo)除新的應(yīng)力; (7)合理回火,提高鋼件疲勞抗力和綜(zōng)合機械力學性能(néng); (8)對於有(yǒu)第二類回火脆性模(mó)具鋼高溫回火後應快冷(水冷或油冷),可消除二類回火脆(cuì)性,防止和避免淬(cuì)火時弧(hú)狀裂紋形成。 4剝離裂紋(wén) 模具服(fú)役時在應力作用下,淬火硬化層一塊塊從鋼基體中剝(bāo)離(lí)。因模具表層組織和心部組織比容不同,淬火時表層(céng)形成軸向、切向淬火應力,徑向產生拉應力,並向內部突變,在應力急劇(jù)變化範圍較(jiào)窄(zhǎi)處(chù)產生剝(bāo)離裂紋,常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膨脹不同時進行,產生大的相變應力(lì),導(dǎo)致化學處理滲層從基體組(zǔ)織中剝離(lí)。如(rú)火焰表麵淬硬(yìng)層、高頻表麵淬硬層、滲碳層、碳氮共滲層、滲氮層、滲硼層、滲(shèn)金屬(shǔ)層等。化學滲層淬火後不宜快速回火,尤(yóu)其是300~C以下低溫回火(huǒ)快速加熱,會促使表層形成拉應力,而(ér)鋼基體心部及(jí)過渡層形成壓(yā)縮應力,當拉應力大(dà)於壓縮應(yīng)力時,導(dǎo)致化學滲層被拉裂剝離。 預防措施: (1)應使模具鋼化學(xué)滲層濃(nóng)度與硬度由表至內平緩降低,增強滲層與基體結合力,滲後進行(háng)擴散處理能使化學滲層與基體過渡均勻;(2)模具鋼(gāng)化學處理(lǐ)之前進行擴散退(tuì)火、球化退火、調質處理,充分細化原始組織,能有效(xiào)防止和避免剝離裂紋產生,確保產品(pǐn)質量。 5網(wǎng)狀裂紋 裂紋深度較淺,一(yī)般深約0.01-1.5mm,呈輻射狀,別名(míng)龜裂。原因主要有: (1)原材(cái)料有較深脫碳層,冷切削加工未去除,或成品模具(jù)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(tàn)表(biǎo)層淬火時產生大(dà)的拉應力,因此,表層金屬往往沿晶界被拉裂成網狀; (3)原材料是粗晶粒鋼,原始組織粗大,存在大塊狀鐵素體,常規淬火無法消除,保留在淬火組(zǔ)織中,或控溫不準,儀表失靈,發生(shēng)組織過熱,甚至過(guò)燒,晶粒粗化,失去晶界結合力,模具淬(cuì)火冷卻(què)時鋼的碳化物沿奧氏(shì)體晶(jīng)界析出,晶界強度大大降低,韌性差,脆性大,在拉應(yīng)力作用(yòng)下沿晶界呈網狀裂開。 預防措施(shī): (1)嚴格原材料化學成分.金(jīn)相組織和探傷檢查,不(bú)合格原(yuán)材料和粗晶粒鋼不宜作模具材(cái)料; (2)選用細晶粒鋼、真空電爐鋼,投產前複查原材料脫(tuō)碳層深度,冷切削加工(gōng)餘量必(bì)須大於脫碳層深度; (3)製訂先進合理熱處理工藝,選用微機控溫儀表,控製精(jīng)度達到±1.5℃,定時現場校驗儀表; (4)模具產品***終處理選用真空電爐、保護氣氛爐和經充分脫氧鹽浴爐(lú)加熱模具產品等措施,有效防止和避免網狀裂紋形(xíng)成。