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模具钢的十种淬火裂纹及其预防措施(模具钢加工设备)
来源: | 作者:东启特钢 | 发布时间: 2022-05-13 | 67 次浏览 | 分享到:
模具钢的十种淬火裂纹及其预防措施(模具钢加工设备)


  模具钢的十种淬火裂纹及其预防措施(模具钢加工设备)

  

  淬火是模具钢热处理中的一种常见工艺。但是由于各种原因,有时不可避免的会产生淬火裂纹,导致之前的所有努力都付之东流。分析裂缝产生的原因并采取相应的预防措施,具有明显的技术经济效益。常见的淬火裂纹有10种。

  

模具钢


  1.纵向裂缝

  

  裂纹是轴向的,细而长的形状。当模具完全硬化,即无心淬火时,核心转变为比体积最大的淬火马氏体,产生切向拉应力。模具钢含碳量越高,切向拉应力越大,当拉应力大于钢的强度极限时,就会形成纵向裂纹。

  

  以下因素加剧了纵向裂纹:

  

  (1)钢中含有许多低熔点的有害杂质,如硫、磷、锑、铋、铅、锡、砷等。钢锭在轧制时,沿轧制方向呈现严重的纵向偏析分布,容易产生应力集中引起的纵向淬火裂纹或轧制后原材料快速冷却引起的纵向裂纹未得到处理而残留在产品中,导致最终淬火裂纹扩展形成纵向裂纹;

  

  (2)当模具尺寸在钢淬火的敏感尺寸范围内(碳素工具钢的临界尺寸为8-15mm,中低合金钢的临界尺寸为25-40mm)或选用的淬火冷却介质大大超过钢的临界淬火冷却速度时,容易形成纵向裂纹。

  

  预防措施:

  

  (1)严格检查原材料入库,有害杂质超标的钢材不得投产;

  

  (2)尽量采用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔模具钢;

  

  (3)改进热处理工艺,采用真空处理加热、保护气氛加热、全脱氧盐浴炉加热、分析淬火和等温淬火;

  

  (4)变无心淬火为无心淬火,即不完全淬火,获得高强度、高韧性的下贝氏体组织等。,可大大降低拉应力,有效避免模具纵向开裂和淬火变形。

  

  2.裂纹

  

  裂纹的特征是垂直于轴向。在未硬化的模具中,在硬化和未硬化区域之间的过渡处存在大的拉伸应力峰值。大模快速冷却时,容易形成较大的拉应力峰值,轴向应力大于切向应力,导致横向裂纹。硫、磷、锑、铋、铅、锡、砷等低熔点有害杂质的横向偏析。锻造模块中或模块中的横向微裂纹,淬火后扩展形成横向裂纹。

  

  预防措施:

  

  (1)模块要合理锻造,原材料的长径比,即锻造比,最好在2 ~ 3之间。锻造时采用双交叉变形锻造,经过五镦五拔和多火锻造,钢中的碳化物和杂质细小均匀地分布在钢基体中,锻造出的纤维组织无方向性地分布在型腔周围,大大提高了模块的横向力学性能,减少和消除了应力源;

  

  (2)选择理想的冷却速度和冷却介质:在钢的Ms点以上快速冷却,高于钢的临界淬火冷却速度。钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力,表层为压应力,内层为拉应力,相互抵消,有效防止热应力裂纹的形成,在钢的MS和MF之间缓慢冷却,大大降低了淬火马氏体形成时的组织应力。当钢中热应力和相应应力之和为正(拉应力)时,容易淬火,为负时,不容易淬火。充分利用热应力,降低相变应力,控制应力之和为负值,可有效避免横向淬火裂纹。CL-1有机淬火介质是一种理想的淬火剂,可以减少和避免淬火模具的变形,控制硬化层的合理分布。通过调整不同浓度CL-1淬火剂的配比,可以获得不同的冷却速度,获得所需的硬化层分布,以满足不同模具钢的要求。

  

  3.弧形裂纹

  

  常发生在凹模布线的模角、凸台、刀线、尖角、直角、缺口、孔洞、飞边等突变处。这是因为淬火过程中拐角处产生的应力是光滑表面平均应力的10倍。

  

  (1)钢中碳(C)含量和合金元素含量越高,钢的Ms点越低,Ms点降低2℃,淬火裂纹倾向增加1.2倍,Ms点降低8℃,淬火裂纹倾向增加8倍;

  

  (2)钢中不同的组织转变和同一组织转变同时是不同的。由于不同的微观结构比公差,造成巨大的微观结构应力,导致微观结构连接处出现弧形裂纹;

  

  (3)淬火后未及时回火,或回火不充分,钢中的残余奥氏体未完全转变,仍处于服役状态,促使应力重新分布,或模具服役时残余奥氏体发生马氏体转变产生新的内应力,当综合应力大于钢的强度极限时,形成弧形裂纹;

  

  (4)第二种回火脆性的钢,高温回火,淬火后缓慢冷却,导致P、S等有害杂质化合物沿晶界析出,使晶界结合力、强度和韧性大大降低,脆性增加,服役过程中在外力作用下形成弧形裂纹。

  

  预防措施:

  

  (1)改进设计,尽量使形状对称,减少形状突变,增加工艺孔和加强筋,或采用组合装配;

  

  (2)圆角代替直角和尖角,通孔代替盲孔,提高加工精度和表面光洁度,减少应力集中源。对于无法避免的直角、尖角、盲孔等地方,一般硬度要求不高,铁丝、石棉绳、耐火泥等。可用于包扎或填塞,人为制造冷却屏障,使其缓慢冷却淬火,避免应力集中,防止淬火时形成弧裂;

  

  (3)淬火钢应及时回火,消除部分淬火内应力,防止淬火应力扩大;

  

  (4)长时间回火,提高模具的断裂韧性值;

  

  (5)充分回火,获得稳定的组织和性能;

  

  (6)反复回火可以充分转化残余奥氏体,消除新的应力;

  

  (7)合理回火,提高钢件的抗疲劳性能和综合力学性能;

  

  (8)对于ⅱ型回火脆性的模具钢,高温回火后应迅速冷却(水冷或油冷),可消除ⅱ型回火脆性,防止和避免淬火时出现弧形裂纹形状。

  

  4.剥离裂纹

  

  模具在使用过程中,在应力的作用下,硬化层从钢基体上一层层剥落。由于模具表层结构与芯部结构的比容差异,淬火时表层形成轴向和切向淬火应力,径向产生拉应力,向内部突变,在应力变化的狭窄范围内产生剥离裂纹,这种裂纹常发生在经过表面化学处理的模具冷却过程中。由于表面化学改性和钢基体相变的时间不同,淬火马氏体的内外层同时膨胀,产生较大的相变应力,导致化学处理的渗层从基体组织上剥落。如火焰表面硬化层、高频表面硬化层、渗碳层、碳氮共渗层、渗氮层、渗硼层、渗金属层等。淬火后不宜对化学渗碳层进行快速回火,特别是在300℃以下低温回火和快速加热时,会在表层产生拉应力,而在钢基体的心部和过渡层会形成压应力。当拉应力大于压应力时,化学渗碳层会被拉脱。

  

  预防措施:

  

  (1)模具钢化学涂层浓度和硬度应由表及里逐渐降低,以增强涂层与基体的结合力,涂层后的扩散处理可使化学涂层与基体过渡均匀;

  

  (2)模具钢化学处理前进行扩散退火、球化退火和调质处理,充分细化原始组织,可有效防止和避免剥离裂纹,保证产品质量。

  

  5.网状裂纹

  

  裂纹深度较浅,一般约0.01 ~ 1.5 mm深,呈放射状,也称开裂。主要原因是:

  

  (1)原材料具有深的脱碳层,该脱碳层未通过冷却和切割去除,或者成品模具在氧化气氛炉中加热导致氧化脱碳;

  

  (2)模具脱碳表层金属组织的含碳量和比容与钢基体马氏体不同,钢脱碳表层在淬火时产生较大的拉应力,因此表层金属常沿晶界被拉裂成网状;

  

  (3)原材料为粗晶钢,原始组织粗大,有块状铁素体,常规淬火无法消除,残留在淬火组织中,或温度控制不准,仪表失灵,导致组织过热甚至过烧,晶粒粗化,晶界结合力丧失。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,脆性高,晶界在拉应力作用下呈网状开裂。

  

  预防措施:

  

  (1)严格检查原材料的化学成分、金相组织和探伤。不合格的原材料和粗晶粒钢不得作为模具材料;

  

  (2)选用细晶粒钢和真空电炉钢,生产前复查原材料脱碳层深度。冷切余量必须大于脱碳层深度;

  

  (3)制定先进合理的热处理工艺,选用控制精度为1.5℃的微电脑温度控制仪,并定期现场检查仪器;

  

  (4)模具产品的最终处理选用真空电炉、保护气氛炉和全脱氧盐浴炉,有效防止和避免网状裂纹的形成。

  

  6.冷处理裂纹

  

  模具钢大多是中碳和高碳合金钢。淬火后,部分过冷奥氏体未转化为马氏体,继续使用,成为残余奥氏体,影响使用性能。如果保持在零度以下,残余奥氏体将发生马氏体转变。所以冷处理的本质就是继续淬火。室温淬火应力与零度淬火应力叠加,当叠加应力超过材料的强度极限时,形成冷处理裂纹。

  

  预防措施:

  

  (1)淬火后冷处理前将模具放入沸水中30-60分钟,可消除15%-25%的淬火内应力,稳定残余奥氏体。然后,进行-60℃的常规冷处理或-120℃的深冷处理。温度越低,残余奥氏体向马氏体转变的越多,但不可能完成全部转变。实验表明,大约有2%-5%

  

  (2)冷处理后,取出模具,用热水加热,可消除40%-60%的冷处理应力。当温度升至室温时,应及时进行回火处理,可进一步消除冷处理应力,从而避免冷处理裂纹,获得稳定的组织和性能,保证模具产品在储存和使用过程中不会变形。

  

  7.磨削裂纹

  

  经常发生在模具产品淬火回火后的磨削和冷加工过程中。形成的微裂纹大多垂直于磨削方向,深约0.05-1.0毫米。

  

  (1)原料预处理不当,未能完全消除原料中的块状、网状和带状碳化物,脱碳严重;

  

  (2)最终淬火加热温度过高,导致过热,晶粒粗大,残余奥氏体较多;

  

  (3)磨削过程中发生应力诱导相变,使残余奥氏体转变为马氏体,产生较高的显微组织应力。此外,由于回火不充分,残余拉应力较多,与磨削显微组织应力叠加,或由于磨削速度快、进给量大、冷却不当,金属表层磨削热急剧上升到淬火加热温度,随后磨削液冷却,造成磨削表层二次淬火。各种应力的组合超过了材料的强度极限,导致了金属表层的磨削裂纹。

  

  预防措施:

  

  (1)原材料经过多次双交叉变形镦粗和拉拔进行改造锻造。经过四次镦粗和四次拉拔,锻造出的纤维组织呈波浪形对称分布在型腔或轴线周围,然后利用最后一火的高温余热淬火,再进行高温回火,可以充分消除块状、网状、带状和链状碳化物,将碳化物细化到2-3级;

  

  (2)制定先进的热处理工艺,控制最终淬火残余奥氏体含量不超标;

  

  (3)淬火后及时回火,消除淬火应力;

  

  (4)适当降低磨削速度、磨削量和磨削冷却速度,可有效防止和避免磨削裂纹的形成。

  

  8.线切割裂纹

  

  调质模块在线切割过程中出现裂纹,改变了金属表层、中间层和芯部的应力场分布。淬火后残余内应力失去平衡变形,在某一区域出现较大的拉应力。当拉伸应力大于模具材料的强度极限时,会导致裂纹破裂。裂纹是一条弧形尾巴状的刚性变质层裂纹。实验表明,线切割过程是一个局部高温放电和快速冷却的过程,使金属表层形成铸态枝晶组织的凝固层,产生600-900MPa的拉应力和厚度约为0.03 mm的高应力二次淬火白亮层

  

  裂缝的原因:

  

  (1)原材料有严重的碳化物偏析;

  

  (2)仪器失效,淬火加热温度过高,晶粒粗大,降低了材料的强韧性,增加了脆性;

  

  (3)淬火后的工件没有及时回火,回火不充分,残余内应力过大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)入库前严格检查原材料,确保原材料组织成分合格。不合格的原材料必须在锻造中加以改进并压碎成碳化物,以便在化学成分、金相组织等方面得到改善。能够满足投产前的技术条件。模块热处理前,成品要经过淬火、回火,并预留一定的磨削量后用线切割。

  

  (2)入炉前检查仪表,选用微电脑温度控制,温度控制精度为1.5℃,并在真空炉和保护气氛炉中加热,防止过热和氧化脱碳;

  

  (3)采用分级淬火、等温淬火、淬火后及时回火和多次回火,充分消除内应力,为线切割创造条件;

  

  (4)制定科学合理的线切割工艺。

  

  9.疲劳裂缝

  

  模具在使用过程中,交变应力反复作用下形成的微疲劳裂纹缓慢扩展,导致突然疲劳断裂。

  

  (1)原材料存在发丝、自点蚀、气孔、疏松、非金属夹杂物、严重碳化物偏析、带状组织和块状游离铁素体金相组织等缺陷,破坏了基体组织的连续性,形成不均匀的应力集中。不排除112钢锭,导致轧制时产生白点。钢中含有铋、铅、锡、砷、硫、磷等有害杂质。钢中的p易引起冷脆,S易引起热脆。过量的S和P有害杂质容易形成疲劳源。

  

  (2)化学层过厚、浓度过高、化学层过多、硬化层过浅、过渡区硬度低等。会导致材料的疲劳强度急剧下降;

  

  (3)模具表面加工粗糙、精度低、光洁度差、刀痕、刻字、划痕、磕碰、蚀坑等时。,很容易造成应力集中和疲劳断裂。

  

  预防措施:

  

  (1)严格选材,保证材质,控制铅、砷、锡等低熔点杂质和硫、磷等非金属杂质含量不超标;

  

  (2)生产前应进行材料检验,不合格的原材料不得投入生产;

  

  (3)选用纯度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细小、碳化物少、各向同性好、疲劳强度高的电渣重熔精炼钢,对模具表面进行喷丸强化和表面化学渗层改性强化,使金属表层受到预应力,抵消模具使用时产生的拉应力,提高模具表面的疲劳强度;

  

  (4)提高模具表面的加工精度和光洁度;

  

  (5)改善化学渗层和硬化层的组织和性能;

  

  (6)微机控制化学渗层的厚度、浓度和硬化层厚度。

  

  10.应力腐蚀裂纹

  

  这种裂纹在使用过程中经常出现。由于化学反应或电化学反应过程,金属由于结构的损伤和腐蚀而由外向内产生裂纹,称为应力腐蚀开裂。模具钢由于热处理后的显微组织不同,耐蚀性也不同。最耐腐蚀的组织是奥氏体(A),最易腐蚀的组织是屈氏体(T),其次是铁素体(F)马氏体(M)珠光体(P)索氏体(S)。因此,模具钢的热处理不适合获得T型组织。淬火钢虽然经过了回火,但由于回火不充分,淬火内应力仍或多或少存在。模具在使用过程中,在外力的作用下也会产生新的应力。在金属模具中有应力的地方,会出现应力腐蚀裂纹。

  

  预防措施:

  

  (1)模具钢淬火后应及时回火,充分回火并多次回火,以消除淬火内应力;

  

  (2)模具钢淬火后一般不宜在350-400℃回火。因为在这个温度下经常出现T型组织,所以有T型组织的模具要进行再加工,模具要进行防锈处理,提高其耐腐蚀性;

  

  (3)使用前对热作模具进行低温预热,使用一阶段后对冷作模具进行低温回火消除应力,不仅可以防止和避免应力腐蚀裂纹的产生,还可以大大延长模具的使用寿命,一举两得,技术经济效益显著。


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