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模具鋼的10種裂紋及預防措施
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我們對模具鋼的需求越來越大。加工和使用模具鋼的所有過程，特別是熱處理過程中和熱處理后，由于內(nèi)應力和外應sus630導磁嗎 力以及材料本身的特性和質(zhì)量，都可能產(chǎn)生裂紋或開裂，導致模具報廢。接下來模具鋼小編給大家分享10種模具鋼的裂紋及預防措施。
1.縱向裂縫
裂紋呈軸狀，薄而長。當模具完全硬化，即無心淬火時，型芯轉(zhuǎn)變?yōu)楸润w積*大的淬火馬氏體，產(chǎn)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，導致縱向裂紋的形成。以下因素加劇了縱向裂紋的產(chǎn)生:(1)鋼中含有許多低熔點的有害雜質(zhì)，如硫、磷、鉍、鉛、錫、砷等。鋼錠軋制時，縱向偏析嚴重，容易產(chǎn)生應力集中形成縱向淬火裂紋，或者軋制后原料快速冷卻形成的縱向裂紋未經(jīng)加工而殘留在產(chǎn)品中，導致*終淬火裂紋擴展形成縱向裂紋；(2)當模具尺寸在鋼的淬火敏感尺寸范圍內(nèi)(碳素工具鋼8-15 mm，中低合金鋼25-40 sus630多少錢一斤mm)或選用的淬火冷卻介質(zhì)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，不要將有害雜質(zhì)超標的鋼材投入生產(chǎn)；(2)盡量采用真空熔煉、爐外精煉或電渣重熔模具鋼；(3)改進熱處理工藝，采用真空加熱、保護氣氛加熱、全脫氧鹽浴爐加熱、分級淬火和等溫淬火；(4)將無心淬火改為無心淬火，即不完全淬火，獲得高強度、高韌性的下貝氏體組織，可以大大降低拉應力，有效避免模具縱向開裂和淬火變形。
2.橫裂
裂紋特征垂直于軸向。在未硬化的模具中，在硬化區(qū)和未硬化區(qū)之間的過渡區(qū)有一個較大的拉應力峰值。大模快速冷卻時，容易形成較大的拉應力峰值，軸向應力大于切向應力，產(chǎn)生橫向裂紋。鍛造模塊中存在s、p、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質(zhì)的橫向偏析或鍛造模塊中存在橫向微裂紋，淬火后擴展形成橫向裂紋。
預防措施:(1)模塊應合理鍛造，原材料長徑比即鍛造比應為2-3。鍛造采用雙交叉變形鍛造，經(jīng)過五鐓五拔多火鍛造后，鋼中的碳化物和雜質(zhì)以細小的形狀均勻分布在鋼基體中，鍛造的纖維組織在型腔周圍單向分布，大大提高了模塊的橫向力學性能，熔噴非織造布模頭sus630價格減少和消除了應力源；(2)選擇理想的冷卻速度和冷卻介質(zhì):在鋼的Ms點以上快速冷卻，大于鋼的臨界淬火冷卻速度。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)層為拉應力，二者相互抵消，有效防止熱應力裂紋的形成。鋼的MS和MF之間的緩冷，大大降低了淬火馬氏體形成時的結(jié)構(gòu)應力。鋼中熱應力和相應應力之和為正(拉應力)時，容易淬裂，為負時，不容易淬裂。充分利用熱應力，降低相變應力，控制總應力為負，可以有效避免橫向淬火裂紋。Cl-1有機淬火介質(zhì)是一種理想的淬火介質(zhì)，可以減少和避免淬火模具的變形，控制硬化層的合理分布。調(diào)節(jié)不同濃度的Cl-1淬火劑可以獲得不同的冷卻速度，獲得所需的硬化層分布，滿足不同模具鋼的要求。
3.弧形裂紋
它經(jīng)常發(fā)生在芯片形狀的突然變化，如角落，缺口，洞，芯片布線閃光等。這是因為淬火時棱角處的應力是光滑表面平均應力的10倍。此外，(1)鋼中碳(c)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(zhuǎn)變和相同的組織轉(zhuǎn)變不是同時發(fā)生的，導致組織交界處產(chǎn)生巨大的組織應力和弧形裂紋；(3)淬火后未及時回火，或回火不足，鋼中殘余奧氏體未完全轉(zhuǎn)變，保持在服役狀態(tài)促進應力再分布，或模具服役時殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生新的內(nèi)應力，當綜合應力大于鋼的強度極限時形成弧形裂紋；(4)二次回火脆性的鋼在高溫下回火，淬火后緩慢冷卻，導致有害雜質(zhì)P、S等化合物沿晶界析出，大大降低晶界的結(jié)合力和韌性，增加脆性，服役時在外力作用下形成弧形裂紋。
預防措施:(1)改進設計，盡可能使形狀對稱，減少形狀突變，增加工藝孔和加強筋，或采用組合裝配；(2)圓角代替直角和銳邊，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。一般對不可避免的直角、銳邊、盲孔硬度要求不高，所以鐵絲、石棉繩、耐火泥等。可用于包裹或填塞，人為制造冷卻屏障，使其能緩慢冷卻和淬火，避免應力集中，防止淬火時形成電弧裂紋；(3)淬火鋼sus630固溶后硬度應及時回火，消除部分淬火內(nèi)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；(5)充分回火以獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和性能；反復回火使殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變，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；對于二級回火脆性的模具鋼，高溫回火后應迅速冷卻(水冷或油冷)，可消除二級回火脆性，防止和避免淬火時電弧裂紋的形成
4.剝?nèi)チ芽p
模具使用時，在應力的作用下，硬化層從sus630可以做熱處理嗎鋼基體上一層一層剝落。由于模具表層和芯部結(jié)構(gòu)的比容不同，淬火時表層形成軸向和切向淬火應力，徑向產(chǎn)生拉應力，突然向內(nèi)部變化，導致應力變化范圍較窄的地方出現(xiàn)剝離裂紋，這種情況經(jīng)常發(fā)生在模具表面化學熱處理后的冷卻過程中。由于表面化學改性和鋼基體相變的不同，內(nèi)外淬火馬氏體同時膨脹，產(chǎn)生較大的相變應力，導致化學處理后的滲層從基體結(jié)構(gòu)剝離。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、金屬化層等。淬火后，化學滲層不適合快速回火，特別是300℃以下的低溫快速加熱會促進表層拉應力的形成，而鋼基體的芯層和過渡層會形成壓應力。當拉伸應力大于壓縮應力時，化學滲透層將被撕裂和剝離。
預防措施:(1)模具鋼化學滲層的濃度和硬度應由外向內(nèi)逐漸降低，以增強滲層與基體的結(jié)合力，滲后擴散處理可使化學滲層與基體的過渡均勻；(2)模具鋼化學處理前進行擴散退火、球化退火和調(diào)質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量。
5.網(wǎng)狀裂縫
裂紋深度較淺，一般約0.01-1.5毫米深，呈放射狀，別名裂紋。主要原因如下:(1)原材料脫碳層較深，冷切未去除，或成品模具在氧化氣氛爐中加熱，導致氧化脫碳；(2)模具脫碳表面金屬組織的碳含量和比容與鋼基體的馬氏體不同，導致淬火鋼的脫碳表面時產(chǎn)生很大的拉應力。因此表面金屬往往被拉裂成沿晶界的網(wǎng)狀。(3)原材料為粗晶粒鋼，原始組織粗大，鐵素體塊狀，常規(guī)淬火無法消除，殘留在淬火組織中，或溫度控制不準確，儀器故障，組織過熱甚至過燒，晶粒粗化，晶界結(jié)合力喪失。模具淬火冷卻時，鋼的碳化物沿奧氏體晶界析出，大大降低了晶界強度，韌性差，脆性大，在拉應力作用下沿晶界呈網(wǎng)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粒鋼不適合做模具材料；(2)選用細晶鋼和真空電爐鋼，投產(chǎn)前重新檢查原料脫碳深度，冷切余量必須大于脫碳深度；(3)制定先進合理的熱處理工藝，選用微機溫控儀表，控制精度達到1.5℃，并定期進行現(xiàn)場檢查；(4)模具產(chǎn)品*終處理選用真空電爐、保護氣氛爐、全脫氧鹽浴爐，可有效防止和避免網(wǎng)狀裂紋的形成。
6.冷處理裂紋
大多數(shù)模具鋼是中碳和高碳合金鋼。淬火后，部分過冷奧氏體未轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在服役狀態(tài)下仍保留為殘余奧氏體，影響服役性能。如果冷卻到零度以下，可以促進殘余奧氏體的馬氏體轉(zhuǎn)變。所以冷處理的本質(zhì)是淬火。室溫淬火應力和零度淬火應力疊加，當疊加響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(nèi)應力，穩(wěn)定殘余奧氏體，然后進行-60℃常規(guī)冷處理或-120℃深冷處理。溫度越低，殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體的越多，但不能完全轉(zhuǎn)化。實驗表明，約2%-5%的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。
(2)冷處理后，取出模具放入熱水中加熱，可消除40%-60%的冷處理應力。加熱至室溫后，應及時回火，以進一步消除冷處理應力，避免冷處理裂紋的形成，獲得穩(wěn)定的顯微組織和性能，保證模具產(chǎn)品在儲存和使用過程中不變形。
7.磨削裂紋
經(jīng)常發(fā)生在模具產(chǎn)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，深度約為0.05-1.0 mm。(1)原料預處理不當，未能完全消除原料的塊狀、網(wǎng)狀、帶狀碳化物，造成脫碳嚴重；(2)終淬溫度過高，導致過熱，晶粒粗大，殘余奧氏體較多；(3)磨削過程中，發(fā)生應力誘導相變，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應力。此外，由于回火不足，會留下更多的殘余拉應力，與磨削結(jié)構(gòu)應力重疊，或者由于磨削速度大、進給速度大、冷卻不當，金屬表面的磨削熱急劇上升到淬火溫度，隨后磨削液冷卻，導致磨削表面二次淬火。各種應力的組合導致表面金屬的磨削裂紋。
預防措施:
1)對原材料進行多次雙交叉變形方向的改造和鍛造。經(jīng)過四次鐓粗和四次拉拔后，鍛造后的纖維組織圍繞空腔或軸線呈波浪形對稱分布，然后用*后一次火的高溫余熱淬火，再進行高溫回火，可完全消除塊狀、網(wǎng)狀、帶狀和鏈狀碳化物，并使碳化物細化到2-3級。
2)制定先進的熱處理工藝，控制*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)降低磨削速度、磨削量和磨削冷卻速度，可以有效防止和避免磨削裂紋的形成
8.線切割裂紋
淬火回火模塊在線切割過程中出現(xiàn)裂紋，改變了金屬表層、中間層和芯部的應力場分布狀態(tài)，淬火殘余內(nèi)應力失去平衡變形，某一區(qū)域出現(xiàn)較大拉應力，當拉應力干到模具材料強度極限時引起爆裂，裂紋為弧尾剛性變質(zhì)層裂紋。實驗表明，線切割過程是局部高溫放電和快速冷卻的過程，使金屬表面形成樹枝狀鑄態(tài)組織的凝固層，產(chǎn)生600-900 MPa的拉應力和厚度約0.03 mm的高應力二次淬火白層，產(chǎn)生裂紋的原因有:(1)原料中碳化物偏析嚴重；(2)儀器失效，淬火溫度過高，晶粒粗大，降低了材料的強度和韌性，增加了脆性；(3)淬火后的工件回火不及時，回火不充分，線切割過程中形成過大的殘余內(nèi)應力和新的內(nèi)應力，導致線切割產(chǎn)生裂紋。
預防措施:(1)入庫前嚴格檢查原材料，確保原材料的組織成分合格，不合格的原材料必須進行改造和鍛造，碳化物必須破碎，使化學成分和金相組織滿足技術條件才能投產(chǎn)。模塊熱處理前，成品需要經(jīng)過一定量的打磨后進行淬火、回火、線切割；(2)入爐前對儀表進行校準，選擇微機進行溫度控制，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)分級淬火，淬火后及時等溫淬火回火，多次回火，充分消除內(nèi)應力，為線切割創(chuàng)造條件；(4)制定科學合理的線切割工藝。
9.疲勞斷裂
模具在使用過程中，在交變應力的反復作用下形成的微疲勞裂紋擴展緩慢，導致突然疲勞斷裂。(1)原材料存在發(fā)紋、自點蝕、氣孔、疏松、非金屬夾雜物、嚴重碳化物偏析、帶狀組織、塊狀游離鐵素體冶金組織等缺陷，破壞基體組織的連續(xù)性，形成不均勻的應力集中。鑄錠中的112沒有被消除，這導致在軋制過程中形成白點。鋼中有鉍、鉛、錫、砷、硫、磷等有害雜質(zhì)。鋼中的p容易引起冷脆，S容易引起熱脆。當S、P有害雜質(zhì)超標時，容易形成疲勞源。(2)化學滲層過厚，濃度過高，滲層過多，硬化層過淺，過渡區(qū)硬度低，會導致材料疲勞強度急劇下降。(3)當模具表面加工粗糙、精度低、光潔度差，以及出現(xiàn)刀線、刻字、劃痕、凸點、凹坑時，容易造成應力集中，導致疲勞斷裂。
預防措施:(1)嚴格選材，保證材質(zhì)，控制鉛、砷、錫等低熔點雜質(zhì)和S、P等非金屬雜質(zhì)含量不超標；(2)投產(chǎn)前應進行材料檢驗，不合格的原材料不得投產(chǎn)；(3)電渣重熔精煉鋼具有純度高、雜質(zhì)少、化學成分均勻、晶粒細小、碳化物少、各向同性好、疲勞強度高等特點。選擇對模具表面進行噴丸強化和表面化學滲層改性強化處理，對金屬表層施加預應力，以抵消模具使用時產(chǎn)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；化學滲層的厚度、濃度和硬化層厚度由微機控制。
10.應力腐蝕裂紋
這種裂紋經(jīng)常在使用過程中出現(xiàn)。由于化學反應或電化學反應過程，金屬模具因結(jié)構(gòu)從表面到內(nèi)部的損傷和腐蝕而開裂，稱為應力腐蝕裂紋。由于熱處理后顯微組織的不同，模具鋼的耐蝕性也不同。*耐腐蝕的組織是奧氏體(a)，*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，模具鋼的熱處理不利于獲得T型結(jié)構(gòu)。淬火鋼雖然已經(jīng)回火，但由于回火不充分，淬火內(nèi)應力仍或多或少存在，模具在使用過程中會在外力作用下產(chǎn)生新的應力。當金屬模具中有應力時，就會產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。
預防措施:(1)模具鋼淬火后應及時回火，充分回火，多次回火，消除淬火內(nèi)應力；(2)模具鋼淬火后，不應在350 ~ 400℃回火，由于在此溫度下經(jīng)常出現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)，所以T型結(jié)構(gòu)的模具應重新處理，模具應防銹以提高耐腐蝕性；(3)熱模服役前低溫預熱，冷模服役一段時間后低溫回火消除應力，不僅可以防止和避免應力腐蝕裂紋的發(fā)生，而且大大延長了模具的使用壽命，一舉兩得，技術經(jīng)濟效益顯著。
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