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    模具钢的10种裂纹及预防措施

    发布时间:2021-07-26 05:48:34
    模具钢的10种裂纹及预防措施
         随着社会经济的发展,我们对模具钢的需求越来越大。加工和使用模具钢的所有过程,特别是热处理过程中和热处理后,由于内应力和外应力以及材料本身的特性和质量,都可能产生裂纹或开裂,导致模具报废。接下来模具钢小编给大家分享10种模具钢的裂纹及预防措施。
      
      1.纵向裂缝
      
      裂纹呈轴状,薄而长。当模具完全硬化,即无心淬火时,型芯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,导致纵向裂纹的形成。以下因素加剧了纵向裂纹的产生:(1)钢中含有许多低熔点的有害杂质,如硫、磷、铋、铅、锡、砷等。钢锭轧制时,纵向偏析严重,容易产生应力集中形成纵向淬火裂纹,或者轧制后原料快速冷却形成的纵向裂纹未经加工而残留在产品中,导致最终淬火裂纹扩展形成纵向裂纹;(2)当模具尺寸在钢的淬火敏感尺寸范围内(碳素工具钢8-15 mm,中低合金钢25-40 mm)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,不要将有害杂质超标的钢材投入生产;(2)尽量采用真空熔炼、炉外精炼或电渣重熔模具钢;(3)改进热处理工艺,采用真空加热、保护气氛加热、全脱氧盐浴炉加热、分级淬火和等温淬火;(4)将无心淬火改为无心淬火,即不完全淬火,获得高强度、高韧性的下贝氏体组织,可以大大降低拉应力,有效避免模具纵向开裂和淬火变形。
      
      2.横裂
      
      裂纹特征垂直于轴向。在未硬化的模具中,在硬化区和未硬化区之间的过渡区有一个较大的拉应力峰值。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,产生横向裂纹。锻造模块中存在s、p、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质的横向偏析或锻造模块中存在横向微裂纹,淬火后扩展形成横向裂纹。
      
      预防措施:(1)模块应合理锻造,原材料长径比即锻造比应为2-3。锻造采用双交叉变形锻造,经过五镦五拔多火锻造后,钢中的碳化物和杂质以细小的形状均匀分布在钢基体中,锻造的纤维组织在型腔周围单向分布,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,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,表层为压应力,内层为拉应力,二者相互抵消,有效防止热应力裂纹的形成。钢的MS和MF之间的缓冷,大大降低了淬火马氏体形成时的结构应力。钢中热应力和相应应力之和为正(拉应力)时,容易淬裂,为负时,不容易淬裂。充分利用热应力,降低相变应力,控制总应力为负,可以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介质,可以减少和避免淬火模具的变形,控制硬化层的合理分布。调节不同浓度的Cl-1淬火剂可以获得不同的冷却速度,获得所需的硬化层分布,满足不同模具钢的要求。
      
      3.弧形裂纹
      
      它经常发生在芯片形状的突然变化,如角落,缺口,洞,芯片布线闪光等。这是因为淬火时棱角处的应力是光滑表面平均应力的10倍。此外,(1)钢中碳(c)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相同的组织转变不是同时发生的,导致组织交界处产生巨大的组织应力和弧形裂纹;(3)淬火后未及时回火,或回火不足,钢中残余奥氏体未完全转变,保持在服役状态促进应力再分布,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)二次回火脆性的钢在高温下回火,淬火后缓慢冷却,导致有害杂质P、S等化合物沿晶界析出,大大降低晶界的结合力和韧性,增加脆性,服役时在外力作用下形成弧形裂纹。
      
      预防措施:(1)改进设计,尽可能使形状对称,减少形状突变,增加工艺孔和加强筋,或采用组合装配;(2)圆角代替直角和锐边,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。一般对不可避免的直角、锐边、盲孔硬度要求不高,所以铁丝、石棉绳、耐火泥等。可用于包裹或填塞,人为制造冷却屏障,使其能缓慢冷却和淬火,避免应力集中,防止淬火时形成电弧裂纹;(3)淬火钢应及时回火,消除部分淬火内应力,防止淬火应力扩大;(4)长时间回火,提高模具的断裂韧性;(5)充分回火以获得稳定结构和性能;反复回火使残余奥氏体充分转变,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;对于二级回火脆性的模具钢,高温回火后应迅速冷却(水冷或油冷),可消除二级回火脆性,防止和避免淬火时电弧裂纹的形成
      
      4.剥去裂缝
      
      模具使用时,在应力的作用下,硬化层从钢基体上一层一层剥落。由于模具表层和芯部结构的比容不同,淬火时表层形成轴向和切向淬火应力,径向产生拉应力,突然向内部变化,导致应力变化范围较窄的地方出现剥离裂纹,这种情况经常发生在模具表面化学热处理后的冷却过程中。由于表面化学改性和钢基体相变的不同,内外淬火马氏体同时膨胀,产生较大的相变应力,导致化学处理后的渗层从基体结构剥离。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、金属化层等。淬火后,化学渗层不适合快速回火,特别是300℃以下的低温快速加热会促进表层拉应力的形成,而钢基体的芯层和过渡层会形成压应力。当拉伸应力大于压缩应力时,化学渗透层将被撕裂和剥离。
      
      预防措施:(1)模具钢化学渗层的浓度和硬度应由外向内逐渐降低,以增强渗层与基体的结合力,渗后扩散处理可使化学渗层与基体的过渡均匀;(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.网状裂缝
      
      裂纹深度较浅,一般约0.01-1.5毫米深,呈放射状,别名裂纹。主要原因如下:(1)原材料脱碳层较深,冷切未去除,或成品模具在氧化气氛炉中加热,导致氧化脱碳;(2)模具脱碳表面金属组织的碳含量和比容与钢基体的马氏体不同,导致淬火钢的脱碳表面时产生很大的拉应力。因此表面金属往往被拉裂成沿晶界的网状。(3)原材料为粗晶粒钢,原始组织粗大,铁素体块状,常规淬火无法消除,残留在淬火组织中,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,大大降低了晶界强度,韧性差,脆性大,在拉应力作用下沿晶界呈网状开裂。
      
      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粒钢不适合做模具材料;(2)选用细晶钢和真空电炉钢,投产前重新检查原料脱碳深度,冷切余量必须大于脱碳深度;(3)制定先进合理的热处理工艺,选用微机温控仪表,控制精度达到1.5℃,并定期进行现场检查;(4)模具产品最终处理选用真空电炉、保护气氛炉、全脱氧盐浴炉,可有效防止和避免网状裂纹的形成。
      
      6.冷处理裂纹
      
      大多数模具钢是中碳和高碳合金钢。淬火后,部分过冷奥氏体未转变为马氏体,在服役状态下仍保留为残余奥氏体,影响服役性能。如果冷却到零度以下,可以促进残余奥氏体的马氏体转变。所以冷处理的本质是淬火。室温淬火应力和零度淬火应力叠加,当叠加响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℃常规冷处理或-120℃深冷处理。温度越低,残余奥氏体转化为马氏体的越多,但不能完全转化。实验表明,约2%-5%的残余奥氏体转变为马氏体。
      
      (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,以进一步消除冷处理应力,避免冷处理裂纹的形成,获得稳定的显微组织和性能,保证模具产品在储存和使用过程中不变形。
      
      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,深度约为0.05-1.0 mm。(1)原料预处理不当,未能完全消除原料的块状、网状、带状碳化物,造成脱碳严重;(2)终淬温度过高,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,产生较大的结构应力。此外,由于回火不足,会留下更多的残余拉应力,与磨削结构应力重叠,或者由于磨削速度大、进给速度大、冷却不当,金属表面的磨削热急剧上升到淬火温度,随后磨削液冷却,导致磨削表面二次淬火。各种应力的组合导致表面金属的磨削裂纹。
      
      预防措施:
      
      1)对原材料进行多次双交叉变形方向的改造和锻造。经过四次镦粗和四次拉拔后,锻造后的纤维组织围绕空腔或轴线呈波浪形对称分布,然后用最后一次火的高温余热淬火,再进行高温回火,可完全消除块状、网状、带状和链状碳化物,并使碳化物细化到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)降低磨削速度、磨削量和磨削冷却速度,可以有效防止和避免磨削裂纹的形成
      
      8.线切割裂纹
      
      淬火回火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状态,淬火残余内应力失去平衡变形,某一区域出现较大拉应力,当拉应力干到模具材料强度极限时引起爆裂,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的过程,使金属表面形成树枝状铸态组织的凝固层,产生600-900 MPa的拉应力和厚度约0.03 mm的高应力二次淬火白层,产生裂纹的原因有:(1)原料中碳化物偏析严重;(2)仪器失效,淬火温度过高,晶粒粗大,降低了材料的强度和韧性,增加了脆性;(3)淬火后的工件回火不及时,回火不充分,线切割过程中形成过大的残余内应力和新的内应力,导致线切割产生裂纹。
      
      预防措施:(1)入库前严格检查原材料,确保原材料的组织成分合格,不合格的原材料必须进行改造和锻造,碳化物必须破碎,使化学成分和金相组织满足技术条件才能投产。模块热处理前,成品需要经过一定量的打磨后进行淬火、回火、线切割;(2)入炉前对仪表进行校准,选择微机进行温度控制,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)分级淬火,淬火后及时等温淬火回火,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.疲劳断裂
      
      模具在使用过程中,在交变应力的反复作用下形成的微疲劳裂纹扩展缓慢,导致突然疲劳断裂。(1)原材料存在发纹、自点蚀、气孔、疏松、非金属夹杂物、严重碳化物偏析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织等缺陷,破坏基体组织的连续性,形成不均匀的应力集中。铸锭中的112没有被消除,这导致在轧制过程中形成白点。钢中有铋、铅、锡、砷、硫、磷等有害杂质。钢中的p容易引起冷脆,S容易引起热脆。当S、P有害杂质超标时,容易形成疲劳源。(2)化学渗层过厚,浓度过高,渗层过多,硬化层过浅,过渡区硬度低,会导致材料疲劳强度急剧下降。(3)当模具表面加工粗糙、精度低、光洁度差,以及出现刀线、刻字、划痕、凸点、凹坑时,容易造成应力集中,导致疲劳断裂。
      
      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S、P等非金属杂质含量不超标;(2)投产前应进行材料检验,不合格的原材料不得投产;(3)电渣重熔精炼钢具有纯度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细小、碳化物少、各向同性好、疲劳强度高等特点。选择对模具表面进行喷丸强化和表面化学渗层改性强化处理,对金属表层施加预应力,以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;化学渗层的厚度、浓度和硬化层厚度由微机控制。
      
      10.应力腐蚀裂纹
      
      这种裂纹经常在使用过程中出现。由于化学反应或电化学反应过程,金属模具因结构从表面到内部的损伤和腐蚀而开裂,称为应力腐蚀裂纹。由于热处理后显微组织的不同,模具钢的耐蚀性也不同。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,模具钢的热处理不利于获得T型结构。淬火钢虽然已经回火,但由于回火不充分,淬火内应力仍或多或少存在,模具在使用过程中会在外力作用下产生新的应力。当金属模具中有应力时,就会产生应力腐蚀裂纹。
      
      预防措施:(1)模具钢淬火后应及时回火,充分回火,多次回火,消除淬火内应力;(2)模具钢淬火后,不应在350 ~ 400℃回火,由于在此温度下经常出现T型结构,所以T型结构的模具应重新处理,模具应防锈以提高耐腐蚀性;(3)热模服役前低温预热,冷模服役一段时间后低温回火消除应力,不仅可以防止和避免应力腐蚀裂纹的发生,而且大大延长了模具的使用寿命,一举两得,技术经济效益显着。
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