高速鋼模具鍛造和淬火裂紋分析與消除措施

高速鋼模具鍛造和淬火裂紋分析與消除措施

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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枝狀分布于基體，破壞了組織連續(xù)性。鋼錠雖經(jīng)開坯壓延和軋制，碳化物有肯定程度碎化，但碳化物偏析依舊嚴(yán)峻，沿軋制方向呈帶狀、網(wǎng)狀、大顆粒狀和堆集狀分布。碳化物不勻稱度隨原材料直徑和厚度增加而嚴(yán)峻。共晶碳化物相當(dāng)穩(wěn)定，常規(guī)熱處理無法消退，導(dǎo)致鍛造時應(yīng)力集中，成為裂紋源。原材料存在組織疏松、縮孔、氣泡、白點、粗晶、內(nèi)裂和非金屬夾雜，急劇降低鋼材熱塑性和強韌性，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，鍛造第一錘重擊即可碎裂。措施。嚴(yán)格原材料入庫和投產(chǎn)前材質(zhì)檢驗，合格鋼材方可投產(chǎn)；選用小鋼錠開坯軋制各種規(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，碳化物小，無偏析，等向性能優(yōu)，化學(xué)成分和組織勻稱等特點，對原材料進行科學(xué)合理鍛造，擊碎不勻稱共晶碳化物脆性相，使之≤3級，變不勻稱共晶碳化物脆性相為強化相，發(fā)生質(zhì)的飛躍；鍛坯應(yīng)充分預(yù)熱，勻稱加熱，充分透燒，勤翻動坯料和采納輕--重--輕雙十字形變向鐓拔鐓造法，先鐓后拔次序操作等措施，有效避開鍛造碎裂。

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對角線鍛裂和過熱淬火裂紋

因原材料有中心疏松和碳化物剝落等缺陷聚集擴展形成粗糙對角線裂口；鍛坯加熱溫度過高，消失粗晶組織，降低鋼材強韌性。鍛坯溫度過低，材料熱塑性差，變形抗力大；拔長操作時送進量過大，引起鍛件橫向展寬塑性變形過度等因素，引發(fā)鍛件對角線裂紋。高速鋼過熱、過燒組織引發(fā)淬火裂紋--因晶粒顯著粗化，消失碳化物粘連、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，消失黑色組織或共晶萊氏體，形成過熱組織，顯著降低鋼的強韌性，易應(yīng)力集中，是引起淬火裂紋的主要因素。因淬火加熱溫度過高，控溫儀表失靈；原材料存在大量角狀碳化物和碳化物不勻稱度等級太高，易產(chǎn)生大的應(yīng)力集中等上述緣由，均會導(dǎo)致淬火裂紋。

措施。依據(jù)鍛坯對角線區(qū)域溫度變化調(diào)整錘擊頻率，避開因“熱效應(yīng)”造成塑性變形區(qū)溫度過高；拔長時送進長度與坯料高度之比≯1，可削減橫向展寬和防止同一部位連續(xù)重擊、連擊，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，可有效避開鍛件對角線裂紋。

材料入庫和投產(chǎn)前檢查材質(zhì)是否合格，確保原材料無宏觀冶金缺陷；掌握共晶碳化物≤3級，呈細、小、勻稱分布于鋼基體；模具淬火前用試片校驗高溫鹽浴爐溫度，核實晶粒度等級與淬火加熱溫度關(guān)系；采納微機控溫，達到測溫精度±3℃和加強科同學(xué)產(chǎn)管理等措施，能有效防止和避開因熱組織產(chǎn)生的淬火裂紋。

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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程被拉長和擴展；矩形截面長、寬比過大，拔長時形成橫向彎曲，導(dǎo)致寬側(cè)表面產(chǎn)生細而淺，長短不一呈縱向分布的表面裂紋；鍛件表面溫度過低，熱塑性急劇降低，塑性變形抗力大；鍛后冷速過快和鍛后室溫停留時間過長等因素，均會導(dǎo)致鍛件表面縱向裂紋。萘狀斷口是高速鋼常見組織缺陷，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?？蛇_!1mm，鋼的脆性大，強韌性低劣，高溫奧氏體化加熱和淬火時應(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，經(jīng)1050℃～1100℃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)淬火時未經(jīng)中間退火，或退火不充分等因素，均會導(dǎo)致高速鋼形成脆性大的萘狀斷口，導(dǎo)致淬火時產(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)；拔長時，截面長、寬比≥3的鍛坯，不得發(fā)生橫向彎曲，消失后準(zhǔn)時在高溫下校直；鍛后坑冷、灰冷、爐冷，或乘高溫余熱退火，避開產(chǎn)生延時裂紋等措施，能有效消退鍛件表面縱向裂紋。

科學(xué)合理制訂精鍛溫度，嚴(yán)格掌握終鍛溫度在950℃～1000℃之間和鍛后緩冷與準(zhǔn)時退火；對組織粗大原材料進行晶粒超細化處理等措施，能有效抑制高速鋼脆性萘狀斷口形成，避開產(chǎn)生淬火裂紋。

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鍛件端面裂紋與模具設(shè)計不當(dāng)淬火裂紋

端面裂紋短而淺，多產(chǎn)生于拔長和倒角鐓粗過程。因原材料中心有組織疏松、孔隙、氣孔、碳化物剝落和嚴(yán)峻偏析；鐓拔過程重擊、連擊和大變形量引起“熱效應(yīng)”，使鍛件心部溫度急劇上升，導(dǎo)致組織過熱、過燒、晶粒粗大，急劇降低材料強韌性，增加脆性；鍛坯端面接觸下砧時間過長，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)計不良，厚薄懸殊不勻稱，有棱角銳邊、尖角、切槽、凸臺等外形突變，易產(chǎn)生切口效應(yīng)；冷切削加工表面粗糙，刀紋較深、碰傷和打印記等處，均會導(dǎo)致淬火時應(yīng)力集中，從而誘發(fā)淬火裂紋；淬火前冷加工時存在較大內(nèi)應(yīng)力，尤其是經(jīng)磨削加工模具有較大內(nèi)應(yīng)力未消退和淬火加熱與冷卻時形成多種應(yīng)力迭加，當(dāng)應(yīng)力超過該材料強度極限時，便形成淬火裂紋。

措施。材料入庫和投產(chǎn)前進行化學(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，避開“熱效應(yīng)”反應(yīng)；鍛坯端面與下砧接觸時間不宜過長，防止降溫至鍛造溫度以下；由鐓粗改為拔長時，先從坯料接上砧的端面開頭，若發(fā)覺端面有裂紋應(yīng)馬上磨去后續(xù)鍛等措施，能有效避開鍛件端面裂紋。

改進設(shè)計，外形盡量對稱，布局應(yīng)合理，避開應(yīng)力集中，適于淬火和防止模具畸變；模具壁厚勻稱化，厚處設(shè)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，變不均勻為均勻，變不對稱為對稱；冷切削加工應(yīng)達到設(shè)計要求表面粗糙度，避開粗糙刀紋與打印記，以萬能筆書寫代打印記，模具最終淬火前退火，消退冷加工內(nèi)應(yīng)力，采納分級淬火、等溫淬火等工藝措施，有效避開因設(shè)計不當(dāng)產(chǎn)生的淬火裂紋和畸變。

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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；錘砧圓角半徑過小，拔長時在側(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)拔進步給量過小而壓下量過大，易在表面形成折迭裂紋。鍛件內(nèi)部橫向裂紋靠近縱軸，方向與縱軸呈垂直分布，因拔長送進長度與鍛件厚度之比≤0.4時，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)力超過該材料強度極限時，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)闅浞肿覽H2]時發(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，淬火高速鋼有劇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+H2SO4≒FeSO4+H2O

FeO+2HCl≒FeCl2+H2