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        模具鋼的十種淬火裂紋及其預防措施(模具鋼加工設備)
        來源: | 作者:東啟特鋼 | 發布時間: 2022-05-13 | 51 次瀏覽 | 分享到:
        模具鋼的十種淬火裂紋及其預防措施(模具鋼加工設備)
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          模具鋼的十種淬火裂紋及其預防措施(模具鋼加工設備)

          

          淬火是模具鋼熱處理中的一種常見工藝。但是由于各種原因,有時不可避免的會產生淬火裂紋,導致之前的所有努力都付之東流。分析裂縫產生的原因并采取相應的預防措施,具有明顯的技術經濟效益。常見的淬火裂紋有10種。

          

        模具鋼


          1.縱向裂縫

          

          裂紋是軸向的,細而長的形狀。當模具完全硬化,即無心淬火時,核心轉變為比體積最大的淬火馬氏體,產生切向拉應力。模具鋼含碳量越高,切向拉應力越大,當拉應力大于鋼的強度極限時,就會形成縱向裂紋。

          

          以下因素加劇了縱向裂紋:

          

          (1)鋼中含有許多低熔點的有害雜質,如硫、磷、銻、鉍、鉛、錫、砷等。鋼錠在軋制時,沿軋制方向呈現嚴重的縱向偏析分布,容易產生應力集中引起的縱向淬火裂紋或軋制后原材料快速冷卻引起的縱向裂紋未得到處理而殘留在產品中,導致最終淬火裂紋擴展形成縱向裂紋;

          

          (2)當模具尺寸在鋼淬火的敏感尺寸范圍內(碳素工具鋼的臨界尺寸為8-15mm,中低合金鋼的臨界尺寸為25-40mm)或選用的淬火冷卻介質大大超過鋼的臨界淬火冷卻速度時,容易形成縱向裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)嚴格檢查原材料入庫,有害雜質超標的鋼材不得投產;

          

          (2)盡量采用真空冶煉、爐外精煉或電渣重熔模具鋼;

          

          (3)改進熱處理工藝,采用真空處理加熱、保護氣氛加熱、全脫氧鹽浴爐加熱、分析淬火和等溫淬火;

          

          (4)變無心淬火為無心淬火,即不完全淬火,獲得高強度、高韌性的下貝氏體組織等。,可大大降低拉應力,有效避免模具縱向開裂和淬火變形。

          

          2.裂紋

          

          裂紋的特征是垂直于軸向。在未硬化的模具中,在硬化和未硬化區域之間的過渡處存在大的拉伸應力峰值。大??焖倮鋮s時,容易形成較大的拉應力峰值,軸向應力大于切向應力,導致橫向裂紋。硫、磷、銻、鉍、鉛、錫、砷等低熔點有害雜質的橫向偏析。鍛造模塊中或模塊中的橫向微裂紋,淬火后擴展形成橫向裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)模塊要合理鍛造,原材料的長徑比,即鍛造比,最好在2 ~ 3之間。鍛造時采用雙交叉變形鍛造,經過五鐓五拔和多火鍛造,鋼中的碳化物和雜質細小均勻地分布在鋼基體中,鍛造出的纖維組織無方向性地分布在型腔周圍,大大提高了模塊的橫向力學性能,減少和消除了應力源;

          

          (2)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質:在鋼的Ms點以上快速冷卻,高于鋼的臨界淬火冷卻速度。鋼中過冷奧氏體產生的應力為熱應力,表層為壓應力,內層為拉應力,相互抵消,有效防止熱應力裂紋的形成,在鋼的MS和MF之間緩慢冷卻,大大降低了淬火馬氏體形成時的組織應力。當鋼中熱應力和相應應力之和為正(拉應力)時,容易淬火,為負時,不容易淬火。充分利用熱應力,降低相變應力,控制應力之和為負值,可有效避免橫向淬火裂紋。CL-1有機淬火介質是一種理想的淬火劑,可以減少和避免淬火模具的變形,控制硬化層的合理分布。通過調整不同濃度CL-1淬火劑的配比,可以獲得不同的冷卻速度,獲得所需的硬化層分布,以滿足不同模具鋼的要求。

          

          3.弧形裂紋

          

          常發生在凹模布線的模角、凸臺、刀線、尖角、直角、缺口、孔洞、飛邊等突變處。這是因為淬火過程中拐角處產生的應力是光滑表面平均應力的10倍。

          

          (1)鋼中碳(C)含量和合金元素含量越高,鋼的Ms點越低,Ms點降低2℃,淬火裂紋傾向增加1.2倍,Ms點降低8℃,淬火裂紋傾向增加8倍;

          

          (2)鋼中不同的組織轉變和同一組織轉變同時是不同的。由于不同的微觀結構比公差,造成巨大的微觀結構應力,導致微觀結構連接處出現弧形裂紋;

          

          (3)淬火后未及時回火,或回火不充分,鋼中的殘余奧氏體未完全轉變,仍處于服役狀態,促使應力重新分布,或模具服役時殘余奧氏體發生馬氏體轉變產生新的內應力,當綜合應力大于鋼的強度極限時,形成弧形裂紋;

          

          (4)第二種回火脆性的鋼,高溫回火,淬火后緩慢冷卻,導致P、S等有害雜質化合物沿晶界析出,使晶界結合力、強度和韌性大大降低,脆性增加,服役過程中在外力作用下形成弧形裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)改進設計,盡量使形狀對稱,減少形狀突變,增加工藝孔和加強筋,或采用組合裝配;

          

          (2)圓角代替直角和尖角,通孔代替盲孔,提高加工精度和表面光潔度,減少應力集中源。對于無法避免的直角、尖角、盲孔等地方,一般硬度要求不高,鐵絲、石棉繩、耐火泥等??捎糜诎蛱钊?,人為制造冷卻屏障,使其緩慢冷卻淬火,避免應力集中,防止淬火時形成弧裂;

          

          (3)淬火鋼應及時回火,消除部分淬火內應力,防止淬火應力擴大;

          

          (4)長時間回火,提高模具的斷裂韌性值;

          

          (5)充分回火,獲得穩定的組織和性能;

          

          (6)反復回火可以充分轉化殘余奧氏體,消除新的應力;

          

          (7)合理回火,提高鋼件的抗疲勞性能和綜合力學性能;

          

          (8)對于ⅱ型回火脆性的模具鋼,高溫回火后應迅速冷卻(水冷或油冷),可消除ⅱ型回火脆性,防止和避免淬火時出現弧形裂紋形狀。

          

          4.剝離裂紋

          

          模具在使用過程中,在應力的作用下,硬化層從鋼基體上一層層剝落。由于模具表層結構與芯部結構的比容差異,淬火時表層形成軸向和切向淬火應力,徑向產生拉應力,向內部突變,在應力變化的狹窄范圍內產生剝離裂紋,這種裂紋常發生在經過表面化學處理的模具冷卻過程中。由于表面化學改性和鋼基體相變的時間不同,淬火馬氏體的內外層同時膨脹,產生較大的相變應力,導致化學處理的滲層從基體組織上剝落。如火焰表面硬化層、高頻表面硬化層、滲碳層、碳氮共滲層、滲氮層、滲硼層、滲金屬層等。淬火后不宜對化學滲碳層進行快速回火,特別是在300℃以下低溫回火和快速加熱時,會在表層產生拉應力,而在鋼基體的心部和過渡層會形成壓應力。當拉應力大于壓應力時,化學滲碳層會被拉脫。

          

          預防措施:

          

          (1)模具鋼化學涂層濃度和硬度應由表及里逐漸降低,以增強涂層與基體的結合力,涂層后的擴散處理可使化學涂層與基體過渡均勻;

          

          (2)模具鋼化學處理前進行擴散退火、球化退火和調質處理,充分細化原始組織,可有效防止和避免剝離裂紋,保證產品質量。

          

          5.網狀裂紋

          

          裂紋深度較淺,一般約0.01 ~ 1.5 mm深,呈放射狀,也稱開裂。主要原因是:

          

          (1)原材料具有深的脫碳層,該脫碳層未通過冷卻和切割去除,或者成品模具在氧化氣氛爐中加熱導致氧化脫碳;

          

          (2)模具脫碳表層金屬組織的含碳量和比容與鋼基體馬氏體不同,鋼脫碳表層在淬火時產生較大的拉應力,因此表層金屬常沿晶界被拉裂成網狀;

          

          (3)原材料為粗晶鋼,原始組織粗大,有塊狀鐵素體,常規淬火無法消除,殘留在淬火組織中,或溫度控制不準,儀表失靈,導致組織過熱甚至過燒,晶粒粗化,晶界結合力喪失。模具淬火冷卻時,鋼的碳化物沿奧氏體晶界析出,晶界強度大大降低,韌性差,脆性高,晶界在拉應力作用下呈網狀開裂。

          

          預防措施:

          

          (1)嚴格檢查原材料的化學成分、金相組織和探傷。不合格的原材料和粗晶粒鋼不得作為模具材料;

          

          (2)選用細晶粒鋼和真空電爐鋼,生產前復查原材料脫碳層深度。冷切余量必須大于脫碳層深度;

          

          (3)制定先進合理的熱處理工藝,選用控制精度為1.5℃的微電腦溫度控制儀,并定期現場檢查儀器;

          

          (4)模具產品的最終處理選用真空電爐、保護氣氛爐和全脫氧鹽浴爐,有效防止和避免網狀裂紋的形成。

          

          6.冷處理裂紋

          

          模具鋼大多是中碳和高碳合金鋼。淬火后,部分過冷奧氏體未轉化為馬氏體,繼續使用,成為殘余奧氏體,影響使用性能。如果保持在零度以下,殘余奧氏體將發生馬氏體轉變。所以冷處理的本質就是繼續淬火。室溫淬火應力與零度淬火應力疊加,當疊加應力超過材料的強度極限時,形成冷處理裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)淬火后冷處理前將模具放入沸水中30-60分鐘,可消除15%-25%的淬火內應力,穩定殘余奧氏體。然后,進行-60℃的常規冷處理或-120℃的深冷處理。溫度越低,殘余奧氏體向馬氏體轉變的越多,但不可能完成全部轉變。實驗表明,大約有2%-5%

          

          (2)冷處理后,取出模具,用熱水加熱,可消除40%-60%的冷處理應力。當溫度升至室溫時,應及時進行回火處理,可進一步消除冷處理應力,從而避免冷處理裂紋,獲得穩定的組織和性能,保證模具產品在儲存和使用過程中不會變形。

          

          7.磨削裂紋

          

          經常發生在模具產品淬火回火后的磨削和冷加工過程中。形成的微裂紋大多垂直于磨削方向,深約0.05-1.0毫米。

          

          (1)原料預處理不當,未能完全消除原料中的塊狀、網狀和帶狀碳化物,脫碳嚴重;

          

          (2)最終淬火加熱溫度過高,導致過熱,晶粒粗大,殘余奧氏體較多;

          

          (3)磨削過程中發生應力誘導相變,使殘余奧氏體轉變為馬氏體,產生較高的顯微組織應力。此外,由于回火不充分,殘余拉應力較多,與磨削顯微組織應力疊加,或由于磨削速度快、進給量大、冷卻不當,金屬表層磨削熱急劇上升到淬火加熱溫度,隨后磨削液冷卻,造成磨削表層二次淬火。各種應力的組合超過了材料的強度極限,導致了金屬表層的磨削裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)原材料經過多次雙交叉變形鐓粗和拉拔進行改造鍛造。經過四次鐓粗和四次拉拔,鍛造出的纖維組織呈波浪形對稱分布在型腔或軸線周圍,然后利用最后一火的高溫余熱淬火,再進行高溫回火,可以充分消除塊狀、網狀、帶狀和鏈狀碳化物,將碳化物細化到2-3級;

          

          (2)制定先進的熱處理工藝,控制最終淬火殘余奧氏體含量不超標;

          

          (3)淬火后及時回火,消除淬火應力;

          

          (4)適當降低磨削速度、磨削量和磨削冷卻速度,可有效防止和避免磨削裂紋的形成。

          

          8.線切割裂紋

          

          調質模塊在線切割過程中出現裂紋,改變了金屬表層、中間層和芯部的應力場分布。淬火后殘余內應力失去平衡變形,在某一區域出現較大的拉應力。當拉伸應力大于模具材料的強度極限時,會導致裂紋破裂。裂紋是一條弧形尾巴狀的剛性變質層裂紋。實驗表明,線切割過程是一個局部高溫放電和快速冷卻的過程,使金屬表層形成鑄態枝晶組織的凝固層,產生600-900MPa的拉應力和厚度約為0.03 mm的高應力二次淬火白亮層

          

          裂縫的原因:

          

          (1)原材料有嚴重的碳化物偏析;

          

          (2)儀器失效,淬火加熱溫度過高,晶粒粗大,降低了材料的強韌性,增加了脆性;

          

          (3)淬火后的工件沒有及時回火,回火不充分,殘余內應力過大和線切割過程中形成的新內應力疊加導致線切割裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)入庫前嚴格檢查原材料,確保原材料組織成分合格。不合格的原材料必須在鍛造中加以改進并壓碎成碳化物,以便在化學成分、金相組織等方面得到改善。能夠滿足投產前的技術條件。模塊熱處理前,成品要經過淬火、回火,并預留一定的磨削量后用線切割。

          

          (2)入爐前檢查儀表,選用微電腦溫度控制,溫度控制精度為1.5℃,并在真空爐和保護氣氛爐中加熱,防止過熱和氧化脫碳;

          

          (3)采用分級淬火、等溫淬火、淬火后及時回火和多次回火,充分消除內應力,為線切割創造條件;

          

          (4)制定科學合理的線切割工藝。

          

          9.疲勞裂縫

          

          模具在使用過程中,交變應力反復作用下形成的微疲勞裂紋緩慢擴展,導致突然疲勞斷裂。

          

          (1)原材料存在發絲、自點蝕、氣孔、疏松、非金屬夾雜物、嚴重碳化物偏析、帶狀組織和塊狀游離鐵素體金相組織等缺陷,破壞了基體組織的連續性,形成不均勻的應力集中。不排除112鋼錠,導致軋制時產生白點。鋼中含有鉍、鉛、錫、砷、硫、磷等有害雜質。鋼中的p易引起冷脆,S易引起熱脆。過量的S和P有害雜質容易形成疲勞源。

          

          (2)化學層過厚、濃度過高、化學層過多、硬化層過淺、過渡區硬度低等。會導致材料的疲勞強度急劇下降;

          

          (3)模具表面加工粗糙、精度低、光潔度差、刀痕、刻字、劃痕、磕碰、蝕坑等時。,很容易造成應力集中和疲勞斷裂。

          

          預防措施:

          

          (1)嚴格選材,保證材質,控制鉛、砷、錫等低熔點雜質和硫、磷等非金屬雜質含量不超標;

          

          (2)生產前應進行材料檢驗,不合格的原材料不得投入生產;

          

          (3)選用純度高、雜質少、化學成分均勻、晶粒細小、碳化物少、各向同性好、疲勞強度高的電渣重熔精煉鋼,對模具表面進行噴丸強化和表面化學滲層改性強化,使金屬表層受到預應力,抵消模具使用時產生的拉應力,提高模具表面的疲勞強度;

          

          (4)提高模具表面的加工精度和光潔度;

          

          (5)改善化學滲層和硬化層的組織和性能;

          

          (6)微機控制化學滲層的厚度、濃度和硬化層厚度。

          

          10.應力腐蝕裂紋

          

          這種裂紋在使用過程中經常出現。由于化學反應或電化學反應過程,金屬由于結構的損傷和腐蝕而由外向內產生裂紋,稱為應力腐蝕開裂。模具鋼由于熱處理后的顯微組織不同,耐蝕性也不同。最耐腐蝕的組織是奧氏體(A),最易腐蝕的組織是屈氏體(T),其次是鐵素體(F)馬氏體(M)珠光體(P)索氏體(S)。因此,模具鋼的熱處理不適合獲得T型組織。淬火鋼雖然經過了回火,但由于回火不充分,淬火內應力仍或多或少存在。模具在使用過程中,在外力的作用下也會產生新的應力。在金屬模具中有應力的地方,會出現應力腐蝕裂紋。

          

          預防措施:

          

          (1)模具鋼淬火后應及時回火,充分回火并多次回火,以消除淬火內應力;

          

          (2)模具鋼淬火后一般不宜在350-400℃回火。因為在這個溫度下經常出現T型組織,所以有T型組織的模具要進行再加工,模具要進行防銹處理,提高其耐腐蝕性;

          

          (3)使用前對熱作模具進行低溫預熱,使用一階段后對冷作模具進行低溫回火消除應力,不僅可以防止和避免應力腐蝕裂紋的產生,還可以大大延長模具的使用壽命,一舉兩得,技術經濟效益顯著。


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