淬火是模具钢热处理中常见的工艺。然而,由于各种原因,有时不可避免地会产生淬火裂纹,导致以往的工作被浪费。分析裂纹的原因,然后采取相应的预防措施,具有显著的技术和经济效益。小边整理了10种常见的淬火裂纹,让我们一起学习。
1、纵向裂纹形状较长。当模具完全淬火时,心变成比容量最大的淬火马氏体,产生切向拉应力,模具钢碳含量越高,切向拉应力越大,当拉应力大于钢强度极限时形成纵向裂纹。
纵向裂纹的产生加剧了以下因素:
(1)钢含量较高S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质,钢锭沿轧制方向呈纵向严重偏析分布,容易产生应力集中形成纵向淬火裂纹或原材料轧制后快速冷却形成的纵向裂纹,最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹;
(2)模具尺寸在钢淬火敏感尺寸范围内(碳工具钢淬火危险尺寸为8-15mm,中低合金钢危险尺寸25-4mm)或选用的淬火冷却介质大大超过钢临界淬火冷却速度时容易形成纵向裂纹。
预防措施:
(一)严格检查原材料入库情况,不投产有害杂质含量超标的钢材;
(2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔模具钢;
(3)改进热处理工艺,采用真空加工热、保护气氛加热、充分脱氧盐浴炉加热分析淬火、等温淬火;
(4)将无意淬火变为有意淬火,即不完全淬火,采取高韧性下贝氏体组织等措施,大大降低拉应力,有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。
2、横向裂纹裂纹的特点是垂直于轴向。未淬火模具在淬火区和未淬火区的过渡部分具有较大的拉应力峰值。当大型模具快速冷却时,由于轴向应力大于切向应力,容易形成较大的拉应力峰值。锻造模块S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As低熔点有害杂质的横向偏析或模块有横向微裂纹,淬火后扩展形成横向裂纹。
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,锻造之间双十字形变向锻造,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;
(2)在钢材中选择理想的冷却速度和冷却介质Ms快速冷却点大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,表面为压力应力,内层为张力应力,相互抵消,有效防止热应力裂纹的形成Ms-Mf它们之间的冷却大大降低了淬火马氏体的组织应力。当钢中热应力与相应应力总和为正(张应力)时,容易淬火,为负,不易淬火。充分利用热应力,减少相变应力,控制应力总和为负,可有效避免水平淬火裂纹。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畸变,控制硬化层的合理分布。CL-淬火剂浓度比不同,冷却速度不同,硬化层分布必要,满足不同模具钢的需要。
3、弧状裂纹模具棱角、凸台、刀纹、尖角、直角、缺口、孔洞、凹模接线飞边等形状突变常发生。这是因为淬火时棱角处产生的应力是平面平均应力的10倍。
(1)钢含碳(C)钢的含量和合金元素越高Ms点愈低,Ms点降低2℃,淬裂倾向增加1.2倍,Ms点降低8℃,淬裂倾向则增加8倍;
(2)钢中不同组织的变化与同一组织的变化不同。由于不同组织的比例差,组织应力大,导致组织交界处形成弧形裂纹;
(3)淬火后未及时回火,或回火不足,钢中残余奥氏体未完全改变,保留在使用状态,促进应力重新分布,或模具服务时残余奥氏体发生马氏体相变,产生新的内应力,当综合应力大于钢强度极限时形成弧裂纹;
(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有害杂质化合物沿晶界沉淀,大大降低晶界结合力和韧性,增加脆性,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,增加工艺孔与加强筋,或采用组合装配;
(2)圆角代直角和尖角尖角贯穿孔代盲孔,提高加工精度和表面光洁度,减少应力集中源。对于不可避免的直角、尖角尖角、盲孔等一般硬度要求较低的地方,可用铁丝、石棉绳、耐火泥包扎或填为造成冷却屏障,缓慢冷却淬火,避免应力集中,防止淬火时形成弧形裂纹;
(3)淬火钢应及时回火,消除部分淬火内应力,防止淬火应力膨胀;
(4)长时间回火,提高模具抗断裂韧性值;
(5)充分回火,获得稳定的组织性能;
(6)多次回火充分转化残余奥氏体,消除新的应力;
(7)合理回火,提高钢件疲劳抗力和综合机械力学性能;
(8)二级回火脆性模具钢高温回火后应快速冷却(水冷或油冷),可消除二级回火脆性,防止淬火时出现弧形裂纹。
4、剥离裂纹模具在应力作用下,淬火硬化层从钢基体中剥离。由于模具表面组织和心组织的比例不同,淬火时表面形成轴向、切向淬火应力、径向拉应力和内部突变,应力变化范围狭窄,经常发生在表面化学热处理模具冷却过程中,由于表面化学改性和钢基导致内外淬火马氏体膨胀,产生较大的相变应力,导致基体组织化学处理渗层剥离。如火焰表面淬火层、高频表面淬火层、碳层、碳氮共渗层、氮层、硼层、金属层等。化学渗层淬火后不应迅速回火,特别是300℃以下低温回火的快速加热将促进表面形成拉应力,而钢基体的心脏和过渡层形成压缩应力。当拉应力大于压缩应力时,化学渗透层会开裂和剥离。
预防措施:
(1)模具钢化学渗透层的浓度和硬度应从表到内缓慢降低,增强渗透层与基体的结合力。渗透后的扩散处理可使化学渗透层与基体过渡均匀;
(2)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。
5、网状裂纹裂纹深度较浅,一般深度约为0.01~1.5mm,呈辐射状,别名裂纹。主要原因有:
(1)原料有较深的脱碳层,冷却加工未去除,或成品模具在氧化气氛炉中加热,导致氧化脱碳;
(2)模具脱碳表面的金属组织不同于钢基体马氏体的碳含量和比容量。钢脱碳表面淬火时产生较大的拉应力。因此,表面金属往往沿晶体边界开裂成网状;
(3)原材料为粗颗粒钢,原组织粗大,铁素体大,常规淬火不能消除,保留在淬火组织中,或温度控制不准确,仪器故障,组织过热,甚至过热,颗粒粗化,晶体边界结合力丧失,模具淬火冷却钢碳化物沿奥氏体晶体边界沉淀,晶体边界强度大大降低,韧性差,脆性大,在拉应力下沿晶体边界网状裂纹。
预防措施:
(1)严格检查原料的化学成分、金相组织和探伤,不合格原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,投产前检查原材料脱碳层深度,冷切加工余量必须大于脱碳层深度;
(3)制定先进合理的热处理工艺,选用微机控温仪,达到控制精度±1.5℃,仪器定期现场验证;
(4)真空电炉、保护气氛炉、充分脱氧盐浴炉加热模具产品最终处理模具产品,有效防止和避免网状裂纹的形成。
6.冷处理裂纹模具钢多为中高碳合金钢。淬火后,部分过冷奥氏体未转化为马氏体,保留在使用状态下,成为残余奥氏体,影响使用性能。如果在零度以下继续冷却,可以促进残余奥氏体的马氏体转化。因此,冷处理的本质是淬火继续。室温下淬火应力与零度下淬火应力叠加,当叠加应力超过材料强度极限时形成冷处理裂纹。
预防措施:
(1)淬火后冷处理前,将模具放入沸水中煮30-60min,淬火内应力可消除15%-25%,稳定残余奥氏体,然后进行-60℃常规冷处理或-120℃在深冷处理中,温度越低,残余奥氏体转化为马氏体的量越大,但不可能完全转化。实验表明,残余奥氏体保留约2%-5%,少量残余奥氏体可根据需要松弛应力,起缓冲作用。由于残余奥氏体柔软坚韧,可部分吸收马氏体化的急剧膨胀能量,缓解相变应力;
(2)冷处理后,取出模具,放入热水中加热,可消除40%-60%的冷处理应力。加热至室温后,应及时回火,进一步消除冷处理应力,避免形成冷处理裂纹,获得稳定的组织性能,确保模具产品在储存和使用过程中不会发生变形。
7、磨削裂纹模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中经常发生,大部分微裂纹垂直于磨削方向,深度约为0.05-1.0mm。
(1)原料预处理不当,原料块状、网状、带状碳化物未完全消除,严重脱碳;
(2)最终淬火加热温度过高,过热,晶粒粗大,残留奥氏体较多;
(3)研磨过程中应力诱发相变,余奥氏体转化为马氏体,组织应力大。此外,由于回火不足,残余拉应力较多,与磨削组织应力叠加,或由于磨削速度、进刀量大、冷却不当,金属表面磨削热急剧升温至淬火加热温度,然后磨削液冷却,导致磨削表面二次淬火。
预防措施:
(1)改造原材料,多次双十字形变形锻造,锻造纤维组织绕腔或轴波形对称分布,采用最后一火高温余热淬火,然后高温回火,可充分消除块、网、带、链碳化物,使碳化物细化至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。
八、线切割裂纹裂纹出现在淬火、回火模块在线切割过程中,改变了金属表面、中间层和心应力场的分布,淬火残余内应力失去平衡变形,某一区域拉应力大于模具材料强度极限,裂纹为弧尾刚性变质层裂纹。实验表明,线切割过程是局部高温放电和快速冷却过程,使金属表面形成树枝铸造组织凝固层,产生600-900MPa拉应力和厚度约为0.03mm高应力二次淬火白亮层。
裂纹原因:
(1)原料碳化物偏析严重;
(2)仪表故障,淬火加热温度过高,晶粒粗大,降低材料韧性,增加脆性;
(3)淬火工件未及时回火,回火不足,线切割过程中残余应力过大,新内应力叠加,导致线切割裂纹。
预防措施:
(1)严格检查原材料入库前,确保原材料组织成分合格。不合格原材料必须改进锻造,粉碎碳化物,使化学成分和金相组织达到技术条件后才能投入生产。模块热处理前的加工成品在淬火、回火、线切割前应留出足够的磨量;
(2)入炉前检查仪器,选用微机控温精度±1.5℃,加热真空炉,保护气氛炉,防止过热和氧化脱碳;
(3)分级淬火、等温淬火、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)制定科学合理的线切割工艺。
9、疲劳裂纹模具在交变应力反复作用下形成的微疲劳裂纹缓慢膨胀,导致突然疲劳断裂。
(1)原材料存在发纹、自点、孔隙、松散、非金属混合、碳化物严重分析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织缺陷,破坏基体组织的连续性,形成不均匀的应力集中。钢锭中的112没有被排除在外,导致轧制过程中出现白点。Bi、 Pb、Sn、As和S、P钢中等有害杂质P易引起冷脆,而s容易引起热脆,S,P有害杂质超标容易形成疲劳源;
(2)化学渗层过厚,浓度过大 、