模具鋼在各個(gè)加工工序中出現(xiàn)的裂紋原因解析
模具鋼在加工及使用的各個(gè)流程，特別熱處理時(shí)、熱處理后的各種加工，由于內(nèi)應(yīng)力、外應(yīng)力、以及材料本身的特性和質(zhì)量，都有可能出現(xiàn)裂紋或者開裂，導(dǎo)致模具報(bào)廢，今天就給大家介紹一些常見的案例及原因分析和對(duì)應(yīng)的解決方案，希望能減少或者避免在工作中產(chǎn)生這些問題。
一、淬火裂紋：淬火時(shí)產(chǎn)生的裂紋的原因有很多，總結(jié)來說主要是材質(zhì)、熱處理工藝、模具結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面：
a)鋼中含有較多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)，組織上呈帶狀偏析，易產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成淬火裂紋或原材料有裂紋在淬火時(shí)擴(kuò)大形成裂紋，此類裂紋一般沿原材料材質(zhì)方向分布
b)淬火冷卻速度遠(yuǎn)超過材料的臨界冷卻速度或者是危險(xiǎn)尺寸也容易產(chǎn)生沿原材料方向的裂紋
c)模具未淬透，或者有橫向分布的雜質(zhì)，或者有橫向分布的微裂紋，則易在淬火時(shí)產(chǎn)生橫向的裂紋（垂直于原材料長(zhǎng)度方向）
d)模具棱角、凸臺(tái)、刀紋、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接線飛邊等形狀突變處則常有弧形裂紋，這是因?yàn)?，淬火時(shí)棱角處產(chǎn)生的應(yīng)力是平滑表面平均應(yīng)力的10倍左右
e)鋼中不同組織轉(zhuǎn)變和相同組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)性，由于不同組織比容差，造成巨大組織應(yīng)力，導(dǎo)致組織交界處形成弧狀裂紋
f)淬火后未及時(shí)回火，或回火不充分，鋼中殘余奧氏體未充分轉(zhuǎn)變，保留在使用狀態(tài)中，促使應(yīng)力重新分布，或模具服役時(shí)殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)綜合應(yīng)力大于該鋼強(qiáng)度極限時(shí)也形成弧狀裂紋
g)夾雜物含量高，P、S等有害雜質(zhì)化合物沿晶界析出，大大降低晶界結(jié)合力和強(qiáng)韌性，增加脆性，服役時(shí)在外力作用下形成弧狀裂紋
h)一般原因有模具有脫碳層或者加熱過程中脫碳、原始組織粗大、控溫不準(zhǔn)、儀表失靈發(fā)生組織過熱過燒致晶粒粗化、模具淬火冷卻時(shí)碳化物沿奧氏體晶界大量析出而致晶界強(qiáng)度大大降低致韌性差、脆性大等等，形成的裂紋為條狀或者網(wǎng)狀
而實(shí)際在模具加工使用過程中，裂紋的形成往往是多種原因共同造成的，要想減小裂紋產(chǎn)生的可能，要從各個(gè)方面共同入手，建議方案如下：
1)嚴(yán)格的原材檢測(cè)，夾雜物，帶狀偏析，微裂紋，黑皮等，盡量選用夾雜物，偏析輕微的鋼材
2)合理的淬火工藝，合理的回火工藝，及時(shí)回火，消除淬火應(yīng)力及防止淬火應(yīng)力擴(kuò)展；較長(zhǎng)時(shí)間回火，提高模具抗斷裂韌性值；充分回火，得到穩(wěn)定組織性能；多次回火使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變充分和消除新的應(yīng)力；合理回火，提高鋼件疲勞抗力和綜合機(jī)械力學(xué)性能
3)熱處理時(shí)工件盡量對(duì)稱，減小形狀突變，R角盡量留大，穿孔代替盲孔，提高表面光潔度，減小應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)于表面不合理的結(jié)構(gòu)，要做好防護(hù)措施，以減小冷卻速度 ，防止淬火裂紋
案例說明：
圖片編號(hào)
案例說明
圖1圖2
工件放電后發(fā)現(xiàn)表面裂紋類缺陷，分析發(fā)現(xiàn)實(shí)為原材夾雜、偏析、微裂紋等
圖3圖4
工件在使用過程中出現(xiàn)裂紋，分析裂紋起源于工件心部，實(shí)為回火不充分所致
圖5圖6
工件在磨加工后必現(xiàn)表面裂紋，分析發(fā)現(xiàn)工件表面出現(xiàn)脫碳層
圖7圖8
結(jié)構(gòu)缺陷及熱處理應(yīng)力造成的裂紋，基體組織正常
圖9圖10
熱處理時(shí)R角留太小，應(yīng)力集中所致裂紋
圖11圖12
熱處理后沿厚度中間位置開裂，分析原材組織粗大，帶狀偏析嚴(yán)重，導(dǎo)致熱處理時(shí)應(yīng)力大
圖1 放電加工后裂紋缺陷
圖2 原材偏析、夾雜、微裂紋缺陷
圖3 貫穿性裂紋
圖4 裂紋打開后內(nèi)部形貌
圖5 熱處理脫碳形成的裂紋
圖6 表面脫碳層
圖7 熱處理后裂紋形貌
圖8 基體組織
圖9 熱處理后發(fā)現(xiàn)裂紋
圖10 裂紋處形貌
圖11 熱處理后裂紋
圖12 熱處理后裂紋
二、表面處理后表面裂紋或者表層剝落：影響的原因主要是材質(zhì)的均勻性、表面處理的質(zhì)量、后期回火，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的雜質(zhì)少、充分細(xì)化的原始組織，合格的表面處理質(zhì)量及合理的硬度梯度，案例為表面硬化層深度明顯超厚，致表面應(yīng)力大而引起的裂紋
三、冷處理裂紋：中、高碳合金鋼的淬火后還有部分過冷奧氏體未轉(zhuǎn)變成馬氏體，保留在使用狀態(tài)中成為殘余奧氏體，影響使用性能，需要進(jìn)行深冷或者超深冷，淬火應(yīng)力和深冷應(yīng)力的疊加超過該材料強(qiáng)度極限而形成的裂紋，建議先進(jìn)行一次回火再進(jìn)冷處理，冷處理后回火緩慢升溫，及時(shí)回火，避免冷處理應(yīng)力形成裂紋
四、磨削裂紋:常見于高硬度的冷作模具鋼，一般發(fā)生在磨加工后，表面形成大量的平行的細(xì)微裂紋或者是網(wǎng)狀的裂紋，主裂紋與磨削方向垂直，產(chǎn)生的原因大致有下：
a)原材有大塊狀碳化物超標(biāo)，共晶碳化物不均勻度超標(biāo)，或者熱處理脫碳
b)熱處理工藝不當(dāng)，致熱處理后殘余奧氏體過多
c)磨加工時(shí)速度過快、進(jìn)刀量過大、冷卻不足等等
預(yù)防措施建議:
1）控制原材質(zhì)量，共晶碳化物級(jí)別
2）制定合理的熱處理工藝，減小熱處理殘余奧氏體含量
3）及時(shí)回火，避免開裂
4）控制磨加工速度和冷卻速度，避免裂紋形成
圖1 磨削裂紋
圖2 磨削處溫度過高處形貌 100倍
五、放電加工裂紋：放電加工裂紋產(chǎn)生的主要原因是放電加工時(shí)電流過大致工件表面或者R角位置造成應(yīng)力集中而致開裂，在放電加工時(shí)要有合理的加工速度，避免加工速度過快而致表面變質(zhì)層太厚，避免形成表面顯微裂紋及較厚的變質(zhì)層，特別是有很小的R角或者結(jié)構(gòu)薄弱更需要注意
圖1 放電加工后工件出現(xiàn)裂紋
圖2 裂紋截面處微觀形貌
六、線切割加工裂紋：線切割加工時(shí)改變工件熱處理時(shí)的內(nèi)應(yīng)力分布，再加上線切割加工時(shí)應(yīng)力疊加，導(dǎo)致材料開裂。常見于高硬度低韌性的鋼材，產(chǎn)生的原因主要有原材材質(zhì)不均勻、熱處理工藝不當(dāng)、回火不充分等原因，建議選擇優(yōu)質(zhì)材料，合理的熱處理工藝，科學(xué)合理的線切割參數(shù)及工藝，圖1圖2工件在放電加工后出現(xiàn)裂紋，分析發(fā)現(xiàn)表面放電加工變質(zhì)層非常厚，且有明顯的顯微裂紋，裂紋是因?yàn)榉烹娂庸さ奈⒂^裂紋在應(yīng)力的作用下擴(kuò)展而成；圖3圖4則是大面積的復(fù)雜的線切割所引起的R角的裂紋
圖3 大面各復(fù)雜的線切割
圖4 線切割裂紋
七、疲勞裂紋：模具在生產(chǎn)時(shí)承受交變應(yīng)力或者冷熱疲勞所產(chǎn)生的裂紋，產(chǎn)生裂紋時(shí)其應(yīng)力明顯低過材料的強(qiáng)度。此點(diǎn)產(chǎn)生的原因非常的多，綜合來看，主要影響因素有材質(zhì)、熱處理、表面粗糙度、生產(chǎn)時(shí)的外應(yīng)力、各種易引起應(yīng)力集中的因素，產(chǎn)生疲勞裂紋往往由多種因素共同作用，改善主要從材質(zhì)、熱處理、放電加工、外應(yīng)力及模具結(jié)構(gòu)入手，如下圖所示，特別是壓鑄模具，R角熱裂紋影響的因素非常多
圖1 R角熱裂紋
圖2 R角熱裂紋形貌
八、焊接裂紋：由于燒焊工藝或者燒焊水平或者燒焊后熱處理工藝等各方面的影響，導(dǎo)致焊區(qū)在加工使用中出現(xiàn)裂紋，裂紋形態(tài)雜亂無章，或者沿焊區(qū)邊緣分布，大面積的燒焊建議采用氬弧焊，用專用的焊枝，合理的熱處理工藝，可以減少開裂的風(fēng)險(xiǎn)，下圖案例即燒焊不良所引起
圖1 裂紋形貌
圖2 裂紋放大后組織 100倍
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