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輝縣市五星石墨制品有限公司

Huixian Wuxing Graphite Products Co., Ltd

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11-272022

模具鋼淬火裂紋分析與預防措施10例

    模具鋼熱處理中,淬火是常見工序。然而,因種種原因,有時難免會產(chǎn)生淬火裂紋,致使前功盡棄。分析裂紋產(chǎn)生原因,進而采取相應預防措施,具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。常見淬火裂紋有以下10類型。  1、縱向裂紋  裂紋呈軸向,形狀細而長。當模具完全淬透即無心淬火時,心部轉(zhuǎn)變?yōu)楸热?**大的淬火馬氏體,產(chǎn)生切向拉應力,模具鋼的含碳量愈高,產(chǎn)生的切向拉應力愈大,當拉應力大于該鋼強度極限時導致縱向裂紋形成。以下因素又加劇了縱向裂紋的產(chǎn)生: (1)鋼中含有較多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質(zhì),鋼錠軋制時沿軋制方向呈縱向嚴重偏析分布,易產(chǎn)生應力集中形成縱向淬火裂紋,或原材料軋制后快冷形成的縱向裂紋未加工掉保留在產(chǎn)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范圍內(nèi)(碳工具鋼淬裂危險尺寸為8-15mm,中低合金鋼危險尺寸為25-40mm)或選擇的淬火冷卻介質(zhì)大大超過該鋼的臨界淬火冷卻速度時均易形成縱向裂紋。  預防措施: (1)嚴格原材料入庫檢查,對有害雜質(zhì)含量超標鋼材不投產(chǎn); (2)盡量選用真空冶煉,爐外精煉或電渣重熔模具鋼材; (3)改進熱處理工藝,采用真空加熱、保護氣氛加熱和充分脫氧鹽浴爐加熱及分級淬火、等溫淬火; (4)變無心淬火為有心淬火即不完全淬透,獲得強韌性高的下貝氏體組織等措施,大幅度降低拉應力,能有效避免模具縱向開裂和淬火畸變。  2橫向裂紋  裂紋特征是垂直于軸向。未淬透模具,在淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)過渡部分存在大的拉應力峰值,大型模具快速冷卻時易形成大的拉應力峰值,因形成的軸向應力大于切向應力,導致產(chǎn)生橫向裂紋。鍛造模塊中S、P.Sb,Bi,Pb,Sn,As等低熔點有害雜質(zhì)的橫向偏析或模塊存在橫向顯微裂紋,淬火后經(jīng)擴展形成橫向裂紋。  預防措施: (1)模塊應合理鍛造,原材料長度與直徑之比即鍛造比***好選在2—3之間,鍛造采用雙十字形變向鍛造,經(jīng)五鐓五拔多火鍛造,使鋼中碳化物和雜質(zhì)呈細、小,勻分布于鋼基體,鍛造纖維組織圍繞型腔無定向分布,大幅度提高模塊橫向力學性能,減少和消除應力源; (2)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質(zhì):在鋼的Ms點以上快冷,大于該鋼臨界淬火冷卻速度,鋼中過冷奧氏體產(chǎn)生的應力為熱應力,表層為壓應力,內(nèi)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之間緩冷,大幅度降低形成淬火馬氏體時的組織應力。當鋼中熱應力與相應應力總和為正(張應力)時,則易淬裂,為負時,則不易淬裂。充分利用熱應力,降低相變應力,控制應力總和為負,能有效避免橫向淬火裂紋發(fā)生。CL-1有機淬火介質(zhì)是較理想淬火劑,同時可減少和避免淬火模具畸變,還可控制硬化層合理分布。調(diào)正CL-1 淬火劑不同濃度配比,可得到不同冷卻速度,獲得所需硬化層分布,滿足不同模具鋼需求。  3弧狀裂紋  常發(fā)生在模具棱角角、缺口、孔穴、 凹模接線飛邊等形狀突變處。這是因為,淬火時棱角處產(chǎn)生的應力是平滑表面平均應力的10倍。另外, (1)鋼中含碳(C)量和合金元素含量愈高,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℃,淬裂傾向則增加8倍; (2)鋼中不同組織轉(zhuǎn)變和相同組織轉(zhuǎn)變不同時性,由于不同組織比容差,造成巨大組織應力,導致組織交界處形成弧狀裂紋; (3)淬火后未及時回火,或回火不充分,鋼中殘余奧氏體未充分轉(zhuǎn)變,保留在使用狀態(tài)中,促進應力重新分布,或模具服役時殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變產(chǎn)生新的內(nèi)應力,當綜合應力大于該鋼強度極限時便形成弧狀裂紋; (4)具有第二類回火脆性鋼,淬火后高溫回火緩冷,導致鋼中P,s等有害雜質(zhì)化合物沿晶界析出,大大降低晶界結(jié)合力和強韌性,增加脆性,服役時在外力作用下形成弧狀裂紋。  預防措施: (1)改進設計,盡量使形狀對稱,減少形狀突變,增加工藝孔與加強筋, 或采用組合裝配; (2)圓角代直角及尖角銳邊,貫穿孔代盲孔,提高加工精度和表面光潔度,減少應力集中源,對于無法避免直角、尖角銳邊、盲孔等處一般硬度要求不高,可用鐵絲、石棉繩、耐火泥等進行包扎或填塞,人為造成冷卻屏障,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(nèi)應力,防止淬火應力擴展; (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)多次回火使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變充分和消除新的應力; (7)合理回火,提高鋼件疲勞抗力和綜合機械力學性能; (8)對于有第二類回火脆性模具鋼高溫回火后應快冷(水冷或油冷),可消除二類回火脆性,防止和避免淬火時弧狀裂紋形成。  4剝離裂紋  模具服役時在應力作用下,淬火硬化層一塊塊從鋼基體中剝離。因模具表層組織和心部組織比容不同,淬火時表層形成軸向、切向淬火應力,徑向產(chǎn)生拉應力,并向內(nèi)部突變,在應力急劇變化范圍較窄處產(chǎn)生剝離裂紋,常發(fā)生于經(jīng)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(nèi)外層淬火馬氏體膨脹不同時進行,產(chǎn)生大的相變應力,導致化學處理滲層從基體組織中剝離。如火焰表面淬硬層、高頻表面淬硬層、滲碳層、碳氮共滲層、滲氮層、滲硼層、滲金屬層等。化學滲層淬火后不宜快速回火,尤其是300~C以下低溫回火快速加熱,會促使表層形成拉應力,而鋼基體心部及過渡層形成壓縮應力,當拉應力大于壓縮應力時,導致化學滲層被拉裂剝離。  預防措施: (1)應使模具鋼化學滲層濃度與硬度由表至內(nèi)平緩降低,增強滲層與基體結(jié)合力,滲后進行擴散處理能使化學滲層與基體過渡均勻;(2)模具鋼化學處理之前進行擴散退火、球化退火、調(diào)質(zhì)處理,充分細化原始組織,能有效防止和避免剝離裂紋產(chǎn)生,確保產(chǎn)品質(zhì)量。  5網(wǎng)狀裂紋  裂紋深度較淺,一般深約0.01-1.5mm,呈輻射狀,別名龜裂。原因主要有: (1)原材料有較深脫碳層,冷切削加工未去除,或成品模具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,鋼脫碳表層淬火時產(chǎn)生大的拉應力,因此,表層金屬往往沿晶界被拉裂成網(wǎng)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(guī)淬火無法消除,保留在淬火組織中,或控溫不準,儀表失靈,發(fā)生組織過熱,甚至過燒,晶粒粗化,失去晶界結(jié)合力,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,脆性大,在拉應力作用下沿晶界呈網(wǎng)狀裂開。  預防措施: (1)嚴格原材料化學成分.金相組織和探傷檢查,不合格原材料和粗晶粒鋼不宜作模具材料; (2)選用細晶粒鋼、真空電爐鋼,投產(chǎn)前復查原材料脫碳層深度,冷切削加工余量必須大于脫碳層深度; (3)制訂先進合理熱處理工藝,選用微機控溫儀表,控制精度達到±1.5℃,定時現(xiàn)場校驗儀表; (4)模具產(chǎn)品***終處理選用真空電爐、保護氣氛爐和經(jīng)充分脫氧鹽浴爐加熱模具產(chǎn)品等措施,有效防止和避免網(wǎng)狀裂紋形成。
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