5CrMnMo淬火裂纹的研究(5)

度； (3)制订先进合理热处理工艺，选用微机控温仪表，控制精度达到±1.5℃，定时现场校验仪表； (4)模具产品最终处理选用真空电炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加热模具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹形成。

6、冷处理裂纹

模具钢多为中，高碳合金钢，淬火后还有部分过冷奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状态中成为残余奥氏体，影响使用性能。若置于零度以下继续冷却，能促使残余奥氏体发生马氏体转变，因此，冷处理的实质是淬火继续。室温下淬火应力和零度下淬火应力叠加，当叠回应力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。

预防措施： (1)淬火后冷处理之前将模具置于沸水中煮30—60min，可消除15％-25％淬火内应力并使残余奥氏体稳定化，再进行-60℃常规冷处理，或进行-120℃深冷处理，温度愈低，残余奥氏体转变成马氏体量愈多，但不可能全部转变完，实验表明，约有2％-5％残余奥氏体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可松驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力； (2)冷处理完毕后取出模具投入热水中升温，可消除40％-60％冷处理应力，升温至室温后应及时回火，冷处理应力进一步消除，避免冷处理裂纹形成，获得稳定组织性能，确保模具产品存放和使用中不发生畸变。

7、磨削裂纹

常发生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂直，深约0.05—1.0mm。 (1)原材料预处理不当，未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳； (2)最终淬火加热温度过高，发生过热，晶粒粗大，生成较多残余奥氏体； (3)在磨削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为马氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有较多残余拉应力，与磨削组织应力叠加，或因磨削速度、进刀量大及冷却不当，导致金属表层磨削热急剧升温至淬火加热温度，随之磨削液冷却，造成磨削表层二次淬火，多种应力综合，超过该材料强度极限，便引起表层金属磨削裂纹。 预防措施： (1)对原材料进行改锻，多次双十字形变向镦拔锻造，经四镦四拔，使锻造纤维组织围绕型腔或轴线呈波浪形对称分布，并利用最后一火高温余热进行淬火，接着高温回火，能充分消除块状、网状、带状和链状碳化物，使碳化物细化至2-3级； (2)制订先进的热处理工艺，控制最终淬火残余奥氏体含量不超标； (3)淬火后及时进行回火、消除淬火应力； (4)适当降低磨削速度、磨削量，磨削冷却速度，能有效防止和避免磨削裂纹形成。

8、线切割裂纹

该裂纹出现在经过淬火、回火的模块在线切割加工过程中，此过程改变了金属表层、中间层和心部应力场分布状态，淬火残余内应力失去平衡变形，某一区域出现大的拉应力，此拉应力大干该模具材料强度

极限时导致炸裂，裂纹是弧尾状刚劲变质层裂纹。实验表明，线切割过程是局部高温放电和迅速冷却过程，使金属表层形成树枝状铸态组织凝固层，产生600-900MPa拉应力和厚约0．03mm的高应力二次淬火白亮层。裂纹产生原因： (1)原材料存在严重的碳化物偏析； (2)仪表失灵，淬火加热温度过高，晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性； (3)淬火工件未及时回火和回火不充分，存在过大的残余内应力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)严格原材料入库前检查，确保原材料组织成分合格，对不合格原材料必须进行改锻，击碎碳化物，使化学成分、金相组织等达到技术条件后方可投产。模块热处理前加工成品需留足一定磨量后淬火．回火、线切割； (2)入炉前校验仪表，选用微机控温，控温精度±1.5℃，真空炉、保护气氛炉加热，严防过热和氧化脱碳；(3)采用分级淬火、等温淬火和淬火后及时回火，多次回火，充分消除内应力，为线切割创造条件； (4)制订科学合理线切割工艺。

9、疲劳断裂

模具服役时在交变应力反复作用下形成的显微疲劳裂纹缓慢扩展，导致突然疲劳断裂。 (1)原材料存在发纹、自点、孔隙、疏松、非金属夹杂、碳化物严重偏析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织缺陷，破坏了基体组织连续性，形成不均匀应力集中。钢锭中未排除，导致轧制时形成白点。钢中存在Sb、Bi、 Pb、Sn、As和S、P等有害杂质，钢中的P易引起冷脆，而s易引起热脆，S，P有害杂质超标均易形成疲劳源； (2)化学渗层过厚、浓度过大、渗层过度、硬化层过浅、过渡区硬度低等都可导致材料疲劳强度急剧降低； (3)当模面加工粗糙、精度低、光洁度差，以及刀纹，刻字、划痕、碰伤、腐蚀麻面等也易引起应力集中导致疲劳断裂。

预防措施： (1)严格选材，确保材质，控制Pb、As、Sn等低熔点杂质与S、P非金属杂质含量不超标； (2)投产前进行材质检查，不合格原材料不投产； (3)选用具有纯洁度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细．碳化物小、等向性能好，疲劳强度高等特点的电渣重熔精炼钢，对模具型面表面喷丸强化和表面化学渗层改性强化处理，使金属表层为预压应力，抵消模具服役时产生的拉应力，提高模具型面疲劳强度； (4)提高模具型面加工精度和光洁度； (5)改善化学渗层和硬化层组织性能； (6)采用微机控制化学渗层厚度、浓度和硬化层厚度。

10、应力腐蚀裂纹

该裂纹常发生在使用过程中。金属模具因化学反应或电化学反应过程，引起从表至内组织结构损坏腐蚀作用而产生开裂，这就是应力腐蚀裂纹。模具钢因热处理后组织不同，抗蚀性能也不同。最耐蚀组织为奥氏体(A)，最易腐蚀组织为屈氏体(T)，依次为铁素体(F)一马氏体(M)一珠光体(P)一索氏体(S)。因此，模具钢热处理不宜得到T组织。淬火钢虽经回火，但因回火不充分，淬火内应力或多或少依然存在，模具服役时在外力作用下也会产生新的应力，凡有应力存在于金属模具中就会有应力腐蚀裂纹发生。

预防措施： (1)模具钢淬火后应及时回火，充分回火，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~C回火，因T组织常在此温度出现，发生有T组织模具应重新处理，模具应进行防锈处理，提高抗蚀性能； (3)热作模具服役前进行低温预热，冷作模具服役一个阶段后进行一次低温回火消除应力，不仅能防止和避免应力腐蚀裂纹发生，还可大幅度提高模具使用寿命，一举两得，有显著技术经济效益。

淬火裂纹和非淬火裂纹的特征及实例分析

淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。

1.淬火裂纹的特征

在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度时，便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的棱角槽口、截面突变处形成。

在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；m#有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。

因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。

因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：co结构钢中可观察到粗针状马氏体；m#工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。

表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀大比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。

2.非淬火裂纹的特征

淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，一般可根据下面的特征来区分。

淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在250℃以下。在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。

如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。

3.实例分析

实例一：

40C钢制成的转子轴，经锻造、淬火后发现裂纹。裂纹两侧有氧化迹象，经金相检验，裂纹两侧存在脱碳层，而且裂纹两侧的铁素体呈较大的柱状晶粒，其晶界与裂纹大致垂直。结论：co裂纹是在锻造时形成的非淬火裂纹。

当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁索体晶粒开始生核。当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体。 实例二：

40C钢制成的半轴套座于淬火后出现开裂。经金相检验，裂纹两侧有全脱碳层，其中的铁素体呈粗大柱状晶粒，并与裂纹垂直。全脱碳层内侧的组织为板条马氏体加少量托氏体，这种组织是正常淬火组织。结论：co在加工过程中未经锻造，因此是原材料带来的非淬火裂纹。 实例三：

高速钢齿轮铣刀淬火后在内孔壁上出现裂纹。经金相检验，发现裂纹附近的碳化物呈不均匀的带状分布。结论：co这是由于组织不均匀所造成的淬火裂纹。

当钢的显微组织中存在碳化物堆集时，这些地方碳和合金元素的含量比较高，造成临界温度降低。因此，即使是在正常的温度下进行淬火加热，对于碳化物堆集处来讲，加热温度已显得过高了。其结果是这些地方出现过热组织，降低了钢的强度，淬火冷却时，便在应力作用下产生开裂。

高速钢的碳化物不均匀性是这种钢的重要质量指标之一。为减少或预防这类缺陷发生，冶金厂和使用厂都在不断采取措施，如使用厂用改锻工艺来均匀组织。当碳化物不均匀性的改善程度受到限制时，可在保证硬度的前提下采用较低淬火加热温度来避免过热组织产生。 实例四：

W18C4V钢制模子，于高温盐浴中加热后油冷，发现开裂。从裂纹特征上看是冷却过快所致。因工件截面较大，冷却时内外温差也大，当表面转变为马氏体时，内部仍处于奥氏体状态，以后的冷却过程中才逐步转变为马氏体，致使表层受内部体积胀大的作用承受很大的拉应力而开裂。因此，可以判断为淬火裂纹。

加热设备与裂纹的关系

淬火裂纹与加热炉有一定的关系，最不易引起淬火裂纹的是真空炉，以下按产生淬火裂纹难易程序次序排列为：

真空炉、电加热空气炉、盐浴炉和燃烧炉。

重油炉及液化石油气炉等最容易引起淬火裂纹。真空炉是辐射加热，所以没有氧化、脱碳，至于局部过热不易发生，处理后表面也不粗糙，因此是不易发生淬火裂纹的加热炉。电加热空气炉的温度分布比较均匀，且不易出现氧化，脱碳等表面缺陷，所以淬火裂纹发生得少，以重油和液化石油气为燃料的燃烧炉，是用火焰直接加热的，所以直接接触火焰的地方往往发生过热，特别是最近为节约能源使用空气过剩火焰（氧化焰），更易因氧化，脱碳引起桔皮状缺陷，因此是淬火裂纹发生率高的炉子。

热处理应力的影响

热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力，对工件的形状，尺寸和性能都有极为重要的影响。当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的强度极限时就会使工件开裂，这是它有害的一面，应当减少和消除。

但在一定条件下控制应力使之合理分布，就可以提高零件的机械性能和使用寿命，变害为利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律，使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。 一、钢的热处理应力

工件在加热和冷却过程中，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于表层开始温度低于心部，收缩也大于心部而使心部受拉，当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。

这种现象受到冷却速度，材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随工件体积的膨胀，工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度，形状，材料的化学成分等因素有关。

实践证明，任何工件在热处理过程中，只要有相变，热应力和组织应力都会发生。只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的，在整个冷却过程中，热应力与组织

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