高速鋼模具鍛造和淬火裂紋分析與消除措施

1、高速鋼模具鍛造和淬火裂紋分析與消除措施王榮濱  (南彎工具廠 江西南昌 330002) 【摘要】現(xiàn)代熱處理新技術(shù)新工藝快速發(fā)展，高速鋼不僅廣泛應(yīng)用于冷作模具，在熱作模具上的應(yīng)用日益成熟。對(duì)高速鋼原材料進(jìn)行鍛造，變鋼中共晶碳化物脆性相為強(qiáng)化相，可顯著提高模具使用壽命。關(guān)鍵詞:高速鋼；鍛造裂紋；淬火裂紋；分析；消除措施1  高速鋼冶金缺陷引起鍛造裂紋高速鋼屬萊氏體鋼，含有大量合金元素，形成大量共晶碳化物和二次碳化物。不良碳化物硬而脆，是脆性相。共晶碳化物呈粗大骨骼狀或樹(shù)枝狀分布于基體，破壞了 組織連續(xù)性。鋼錠雖經(jīng)開(kāi)坯壓延和軋制，碳化物有一定程度碎化，但碳化物偏析依然嚴(yán)重，沿軋制

2、方向呈帶狀、網(wǎng)狀、大顆粒狀和堆集狀分布。碳化物不均勻度隨原 材料直徑和厚度增加而嚴(yán)重。共晶碳化物相當(dāng)穩(wěn)定，常規(guī)熱處理無(wú)法消除，導(dǎo)致鍛造時(shí)應(yīng)力集中，成為裂紋源。原材料存在組織疏松、縮孔、氣泡、白點(diǎn)、粗晶、內(nèi) 裂和非金屬夾雜，急劇降低鋼材熱塑性和強(qiáng)韌性，加之，高速鋼導(dǎo)熱性差，僅為碳鋼的三分之一，因熱塑性差，變形抗力大，鍛造第一錘重?fù)艏纯伤榱选４胧?。?yán)格 原材料入庫(kù)和投產(chǎn)前材質(zhì)檢驗(yàn)，合格鋼材方可投產(chǎn)；選用小鋼錠開(kāi)坯軋制各種規(guī)格原材料，選用二次精煉電渣重熔鋼錠，具有純度高，雜質(zhì)少，晶粒細(xì)，碳化物小， 無(wú)偏析，等向性能優(yōu)，化學(xué)成分和組織均勻等特點(diǎn)，對(duì)原材料進(jìn)行科學(xué)合理鍛造，擊碎不均勻共晶碳化物脆性相，使

3、之3級(jí)，變不均勻共晶碳化物脆性相為強(qiáng)化相，發(fā)生質(zhì)的飛躍；鍛坯應(yīng)充分預(yù)熱，均勻加熱，充分透燒，勤翻動(dòng)坯料和采用輕重輕雙十字形變向鐓拔鐓造法，先鐓后拔次序操作等措施，有效避免鍛造碎裂。2  對(duì)角線鍛裂和過(guò)熱淬火裂紋因原材料有中心疏松和碳化物剝落等缺陷聚集擴(kuò)展形成粗糙對(duì)角線裂口；鍛坯加熱溫度過(guò)高，出現(xiàn)粗晶組織，降低鋼材強(qiáng)韌性。鍛坯溫度過(guò)低，材料熱塑性差，變形 抗力大；拔長(zhǎng)操作時(shí)送進(jìn)量過(guò)大，引起鍛件橫向展寬塑性變形過(guò)度等因素，引發(fā)鍛件對(duì)角線裂紋。高速鋼過(guò)熱、過(guò)燒組織引發(fā)淬火裂紋因晶粒顯著粗化，出現(xiàn)碳 化物粘連、角狀和拖尾狀及沿晶界呈全網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀和連續(xù)網(wǎng)狀分布；鋼組織內(nèi)部局部熔化，出現(xiàn)黑色組

4、織或共晶萊氏體，形成過(guò)熱組織，顯著降低鋼的強(qiáng)韌性，易 應(yīng)力集中，是引起淬火裂紋的主要因素。因淬火加熱溫度過(guò)高，控溫儀表失靈；原材料存在大量角狀碳化物和碳化物不均勻度等級(jí)太高，易產(chǎn)生大的應(yīng)力集中等上述 原因，均會(huì)導(dǎo)致淬火裂紋。措施。依據(jù)鍛坯對(duì)角線區(qū)域溫度變化調(diào)整錘擊頻率，避免因“熱效應(yīng)”造成塑性變形區(qū)溫度過(guò)高；拔長(zhǎng)時(shí)送進(jìn)長(zhǎng)度與坯料高度之比1，可減少橫向展寬和防止同一部位連續(xù)重?fù)簟⑦B擊，壓下量應(yīng)適度，斷面盡量方正和選用合適的鍛壓設(shè)備等措施，可有效避免鍛件對(duì)角線裂紋。材料入庫(kù)和投產(chǎn)前檢查材質(zhì)是否合格，確保原材料無(wú)宏觀冶金缺陷；控制共晶碳化物3級(jí)，呈細(xì)、小、均勻分布于鋼基體；模具淬火前用試片校驗(yàn)高溫鹽

5、浴爐溫度，核實(shí)晶粒度等級(jí)與淬火加熱溫度關(guān)系；采用微機(jī)控溫，達(dá)到測(cè)溫精度±3和加強(qiáng)科學(xué)生產(chǎn)管理等措施，能有效防止和避免因熱組織產(chǎn)生的淬火裂紋。3  鍛件縱向表面裂紋和萘狀斷口與淬火裂紋因原材料表面存在顯微裂紋和鍛造過(guò)程被拉長(zhǎng)和擴(kuò)展；矩形截面長(zhǎng)、寬比過(guò)大，拔長(zhǎng)時(shí)形成橫向彎曲，導(dǎo)致寬側(cè)表面產(chǎn)生細(xì)而淺，長(zhǎng)短不一呈縱向分布的表面裂紋； 鍛件表面溫度過(guò)低，熱塑性急劇降低，塑性變形抗力大；鍛后冷速過(guò)快和鍛后室溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素，均會(huì)導(dǎo)致鍛件表面縱向裂紋。萘狀斷口是高速鋼常見(jiàn)組織缺 陷，易引發(fā)淬火裂紋。其斷口呈魚鱗狀，美似大理石，象萘一樣閃光，斷口極粗糙，晶粒可達(dá)!1mm，鋼的脆性大，強(qiáng)

6、韌性低劣，高溫奧氏體化加熱和淬火時(shí)應(yīng)力集中大，導(dǎo)致產(chǎn)生淬火裂紋。當(dāng)熱、鍛、軋或壓延熱加工時(shí)，經(jīng)10501100高溫奧氏體化熱塑性變形在5%10%臨界變形和精鍛溫度不當(dāng)及重復(fù)淬火時(shí)未經(jīng)中間退火，或退火不充分等因素，均會(huì)導(dǎo)致高速鋼形成脆性大的萘狀斷口，導(dǎo)致淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋。措施。鍛前磨去原材料表面斑痕、氧化皮、微裂紋、折迭等缺陷，再經(jīng)探傷合格后投產(chǎn)；拔長(zhǎng)時(shí)，截面長(zhǎng)、寬比3的鍛坯，不得發(fā)生橫向彎曲，出現(xiàn)后及時(shí)在高溫下校直；鍛后坑冷、灰冷、爐冷，或乘高溫余熱退火，避免產(chǎn)生延時(shí)裂紋等措施，能有效消除鍛件表面縱向裂紋。科學(xué)合理制訂精鍛溫度，嚴(yán)格控制終鍛溫度在9501000之間和鍛后緩冷與及時(shí)退火；對(duì)組織粗大

7、原材料進(jìn)行晶粒超細(xì)化處理等措施，能有效抑制高速鋼脆性萘狀斷口形成，避免產(chǎn)生淬火裂紋。4  鍛件端面裂紋與模具設(shè)計(jì)不當(dāng)淬火裂紋端面裂紋短而淺，多產(chǎn)生于拔長(zhǎng)和倒角鐓粗過(guò)程。因原材料中心有組織疏松、孔隙、氣孔、碳化物剝落和嚴(yán)重偏析；鐓拔過(guò)程重?fù)簟⑦B擊和大變形量引起“熱效應(yīng) ”，使鍛件心部溫度急劇升高，導(dǎo)致組織過(guò)熱、過(guò)燒、晶粒粗大，急劇降低材料強(qiáng)韌性，增加脆性；鍛坯端面接觸下砧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，表面溫度降至相變溫度以下，熱塑 性差，變形抗力大等因素，將導(dǎo)致鍛件端面裂紋形成。當(dāng)模具設(shè)計(jì)不良，厚薄懸殊不均勻，有棱角銳邊、尖角、切槽、凸臺(tái)等形狀突變，易產(chǎn)生切口效應(yīng)；冷切削加工表面粗糙，刀紋較深、碰傷和打印

8、記等處，均會(huì)導(dǎo)致 淬火時(shí)應(yīng)力集中，從而誘發(fā)淬火裂紋；淬火前冷加工時(shí)存在較大內(nèi)應(yīng)力，尤其是經(jīng)磨削加工模具有較大內(nèi)應(yīng)力未消除和淬火加熱與冷卻時(shí)形成多種應(yīng)力迭加，當(dāng)應(yīng)力 超過(guò)該材料強(qiáng)度極限時(shí)，便形成淬火裂紋。措施。材料入庫(kù)和投產(chǎn)前進(jìn)行化學(xué)成分和低倍組織檢查，合格鋼材方可投產(chǎn)；依據(jù)鍛坯熱塑性變形溫度，調(diào)整打擊力和打擊頻率，避免“熱效應(yīng)”反應(yīng)；鍛坯端面與 下砧接觸時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，防止降溫至鍛造溫度以下；由鐓粗改為拔長(zhǎng)時(shí)，先從坯料接上砧的端面開(kāi)始，若發(fā)現(xiàn)端面有裂紋應(yīng)立即磨去后續(xù)鍛等措施，能有效避免鍛件 端面裂紋。改進(jìn)設(shè)計(jì)，形狀盡量對(duì)稱，布局應(yīng)合理，避免應(yīng)力集中，適于淬火和防止模具畸變；模具壁厚均勻化，厚處設(shè)

9、工藝孔，薄處增加筋條，變化懸殊處制成斜坡；棱角、 直角、尖角和銳邊制成圓弧形，孔隙出口和入口倒角，變不勻稱為勻稱，變不對(duì)稱為對(duì)稱；冷切削加工應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求表面粗糙度，避免粗糙刀紋與打印記，以萬(wàn)能 筆書寫代打印記，模具最終淬火前退火，消除冷加工內(nèi)應(yīng)力，采用分級(jí)淬火、等溫淬火等工藝措施，有效避免因設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的淬火裂紋和畸變。5  鍛件表面與內(nèi)部橫向裂紋及氫脆裂紋鍛件冷卻最快的棱角多發(fā)生方向與縱軸呈垂直分布表面橫向裂紋。因原材料表面有凹坑、氣孔、結(jié)疤、孔隙、折迭引起；錘砧圓角半徑過(guò)小，拔長(zhǎng)時(shí)在側(cè)面形成清角 錘痕在棱角處重合，則在棱角處形成橫向裂紋。當(dāng)拔長(zhǎng)進(jìn)給量過(guò)小而壓下量過(guò)大，易在表面形

10、成折迭裂紋。鍛件內(nèi)部橫向裂紋靠近縱軸，方向與縱軸呈垂直分布，因 拔長(zhǎng)送進(jìn)長(zhǎng)度與鍛件厚度之比0.4時(shí)，在熱塑性變形區(qū)內(nèi)鍛不透，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)該材料強(qiáng)度極限時(shí)，便形成內(nèi)部橫向裂紋，一般此裂紋接近軸心。高速鋼酸洗、電鍍侵入鋼中初生態(tài)氫原子變?yōu)闅浞肿親2時(shí)發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生巨大壓力，便在鋼的晶界形成顯微裂紋，便是氫脆裂紋。酸洗是金屬氧化物和酸的化學(xué)反應(yīng)，它使金屬氧化物變成可溶性鹽，脫離金屬表層，淬火高速鋼有強(qiáng)烈的酸洗氫脆龜裂傾向。通常用硫酸(H2SO4)和鹽酸(HCl)酸洗某些模具，化學(xué)反應(yīng)式：FeO+H2SO4FeSO4+H2OFeO+2HClFeCl2+H2OFe+H2SO4FeSO4

11、+H2Fe+2HClFeCl2+H2措施。徹底清除原材料表面缺陷；鍛件拔長(zhǎng)時(shí)，其壓下量和進(jìn)給量協(xié)調(diào)均勻，送進(jìn)長(zhǎng)度應(yīng)大于單面壓下量1.52.0倍；錘鉆圓角半徑適度和表面應(yīng)光滑；鐓后應(yīng)緩冷和及時(shí)退火消除應(yīng)力等措施，既有效消除鍛件表面和內(nèi)部橫向裂紋。酸洗時(shí)，當(dāng)產(chǎn)生過(guò)量初生態(tài)氫原子H時(shí)，產(chǎn)生巨大應(yīng)力，導(dǎo)致模具表面產(chǎn)生大量微裂紋而報(bào)廢。必須嚴(yán)格控制酸液濃度、溫度和時(shí)間，消除過(guò)量初生態(tài)氫原子，模具酸洗和電鍍4h內(nèi)進(jìn)行(190200)×(24)h低溫時(shí)效，以便釋放氫氣等措施，有效消除氫脆裂紋。6  鍛件中心裂紋和冷處理裂紋鍛件中心裂紋在圓截面心部，裂口深而寬，呈平行縱軸分布，常在機(jī)械加工

12、車內(nèi)孔時(shí)發(fā)現(xiàn)。因原材料心部組織疏松、孔隙、夾雜、偏析和粗大塊狀共晶碳化物等缺 陷；滾圓過(guò)程產(chǎn)生大的橫向拉應(yīng)力和擴(kuò)大了方截面倒棱與拔長(zhǎng)時(shí)形成的初生裂紋；鍛造溫度過(guò)高和始鍛溫度時(shí)重?fù)?、連擊及過(guò)大鍛造比和變形量，導(dǎo)致發(fā)生“熱效應(yīng) ”，促使心部組織過(guò)熱、過(guò)燒和局部熔化所致。高速鋼經(jīng)高溫奧氏體化，保溫后在該鋼臨界冷卻速度淬火，得到淬火馬氏體組織，約有30%40%過(guò)冷奧氏體未轉(zhuǎn)變，成為殘余奧氏體，若施以-60-126冷處理，即是淬火繼續(xù)，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，鋼件發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生很大相變二次淬火組織應(yīng)力，與第一次淬火應(yīng)力迭加，當(dāng)?shù)討?yīng)力大于該鋼強(qiáng)度極限時(shí)，便產(chǎn)生二次淬火冷處理裂紋。措施。嚴(yán)格原

13、材料入庫(kù)和投產(chǎn)前表面與內(nèi)部質(zhì)量檢查，合格后方可投產(chǎn)；預(yù)先鉚鍛，使鍛坯呈兩頭粗、中間細(xì)腰鼓狀再鐓粗、滾圓；拔長(zhǎng)和倒棱時(shí)防止方截面產(chǎn)生中心裂紋等措施，有效避免鍛件中心裂紋。冷處理前將淬火模具在100沸水煮3060min，或低溫時(shí)效1h。試驗(yàn)表明，此法可消除20%30%淬火內(nèi)應(yīng)力，但此時(shí)殘余奧氏體稍趨穩(wěn)定化，經(jīng)冷處理后仍可保留2%5%殘余奧氏體，殘余奧氏體又軟又韌，能吸收淬火馬氏體急劇膨脹能量，松馳應(yīng)力，緩和相變應(yīng)力；冷處理后將高速鋼模具投入室溫水或熱水中升溫，可消除50%60%冷處理應(yīng)力；或采用多次高溫回火，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體等措施，有效防止和避免冷處理裂紋產(chǎn)生。7  圓鍛件

14、表面縱向和橫向裂紋與磨削裂紋表面縱向裂紋在圓鍛件側(cè)表面上，裂紋較寬，深淺不一，略平行于縱軸，常在鐓粗時(shí)產(chǎn)生。表面橫向裂紋在圓鍛件側(cè)表面上，裂紋較寬而深且較長(zhǎng)，呈橫向分布，常 在鍛件退火后發(fā)現(xiàn)。因原材料表面有折迭、斑疤、疏松和縱向、橫向磨痕；鍛造加熱溫度過(guò)低，保溫時(shí)間不足和側(cè)表面脹鼓熱塑性變形過(guò)大；鍛件拔長(zhǎng)時(shí)側(cè)表面形成 較深錘痕、折迭和鐓粗時(shí)形成縱向、橫向匯流折迭，因鉚鍛過(guò)度所致；鍛件鍛后冷卻過(guò)急和退火不及時(shí)等諸因素，均會(huì)導(dǎo)致圓鍛件側(cè)表面縱向和橫向裂紋。高速鋼磨削裂紋常發(fā)生在磨削冷加工過(guò)程中，裂紋細(xì)而淺，多數(shù)與磨削方向垂直，類似淬火網(wǎng)狀裂紋，但形成原因各不相同。當(dāng)磨速度高，進(jìn)刀量大，冷卻不良，促

15、 使磨削表層金屬溫度急劇升至淬火加熱溫度，在隨之磨削液冷卻造成金屬表層二次淬火，生成二次淬火應(yīng)力；當(dāng)原材料存在嚴(yán)重碳化物偏析和淬火高速鋼有較多殘余 奧氏體未轉(zhuǎn)變，促使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，體積膨脹，應(yīng)力增大，回火時(shí)消除不充分，與磨削加工二次淬火應(yīng)力迭加，導(dǎo)致磨削二次淬火表層裂紋形成。措施。鍛前徹底清除原材料表面裂紋和其它所有宏觀缺陷；高速鋼鍛造原材料長(zhǎng)度與直徑比2.5為 宜；鐓粗前先進(jìn)行鉚鍛，以減少鐓粗時(shí)的變形，鉚鍛可避免拔長(zhǎng)時(shí)形成明顯錘痕和折迭；鍛坯加熱宜低溫入爐，充分預(yù)熱，均勻加熱，勤翻動(dòng)坯料，防止表熟里生、 里熟表生、陰陽(yáng)面和兩頭白而中間黑等“夾生”加熱缺陷；鍛后緩冷并及時(shí)退火等措施，有效

16、避免圓鍛件側(cè)表面縱向和橫向裂紋。降低磨削速度和磨削量，選用較緩和磨削冷卻液，嚴(yán)格原材料入庫(kù)和投產(chǎn)前材質(zhì)檢驗(yàn)；控制共晶碳化物級(jí)別3級(jí)，超過(guò)3級(jí)者應(yīng)改鍛，達(dá)到級(jí)別要求；正確制訂熱處理工藝，避免過(guò)高的奧氏體淬火加熱溫度，采用分級(jí)淬火、等溫淬火和較緩和理想淬火冷卻介質(zhì)；進(jìn)行多次高溫回火，降低組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和殘余奧氏體量等工藝措施，消除磨削裂紋產(chǎn)生。8  模具內(nèi)孔碳化物剝落與二次淬火裂紋碳化物剝落破壞了金屬組織連續(xù)性和形狀尺寸，其性質(zhì)與裂紋相似。該缺陷發(fā)現(xiàn)于車內(nèi)孔或成品模具淬火后，多發(fā)生于外形尺寸較大圓餅鍛件；因原材料有嚴(yán)重帶 狀、網(wǎng)狀、塊狀和堆集狀碳化物，在鐓粗過(guò)程中被壓縮、聚集、折迭與基

17、體結(jié)合力極差，脆性大，在車內(nèi)孔和淬火時(shí)脫落，失去尺寸精度報(bào)廢。高速鋼高溫淬火后具有高溫回火二次硬化特性，第一次高溫奧氏體化淬火保留約有30%40%殘 余奧氏體，接著高溫回火，在回火冷卻過(guò)程中發(fā)生殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體，有較大組織應(yīng)力；若用火焰或高頻快速加熱回火，導(dǎo)致表層金屬發(fā)生收縮，而 內(nèi)層依然是比容較大馬氏體組織，處于膨脹狀態(tài)，促使表層產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，與一次、二次淬火應(yīng)力迭加，因回火不當(dāng)產(chǎn)生二次淬火裂紋。鋼件表面脫碳將加速裂紋 形成。措施。對(duì)高速鋼原材料進(jìn)行鍛造，采用四鐓四拔雙十字形變向鐓拔鍛造，有力擊碎共晶碳化物，使之3級(jí)，呈細(xì)、小、勻分布于鋼基體，變不均勻碳化物脆性相為強(qiáng)化相，發(fā)

18、生質(zhì)的飛躍。選用電渣重熔鋼、真空冶煉鋼代替一般熔煉。采用上述等措施，能有效消除高速鋼碳化物剝落。留足冷加工余量，去除原材料脫碳層，在保護(hù)氣氛爐、真空電爐或經(jīng)充分脫氧鹽浴爐加熱模具，防止氧化脫碳；高速鋼模具淬火冷至該鋼Ms點(diǎn)附近取出，轉(zhuǎn)入緩和冷卻介質(zhì)或硝鹽浴等理想冷卻介質(zhì)淬火；高速鋼模具淬火后高溫回火應(yīng)100低溫入爐，緩慢升溫至300 后可隨爐升溫至所需回火溫度，保溫后出爐空冷至室溫，避免回火后水冷或油冷，防止產(chǎn)生大的應(yīng)力發(fā)生裂紋和畸變?？傊?，淬火后及時(shí)回火，防止淬火應(yīng)力萌生與 擴(kuò)展；充分回火，獲得穩(wěn)定組織性能；多次高溫回火，促使殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體和充分消除二次淬火應(yīng)力；較長(zhǎng)時(shí)間回火，提高抗斷裂韌性和綜合機(jī)械 力學(xué)性能等措施，能有效消除二次淬火裂紋產(chǎn)生。9  鍛件沖孔和電火花加工裂紋