模具钢淬火裂纹分析及解决方案

1、纵向裂纹

裂纹呈轴向，形状细长。当模具完全淬火，即无意淬火时，心脏变成更大的淬火马氏体，产生切向拉应力。模具钢的碳含量越高，切向拉应力越大。当拉应力大于钢的强度极限时，形成纵向裂纹。以下因素加剧了纵向裂纹的产生：（1）钢含量较高S、P、Bi、Pb、Sn、As如果熔点有害杂质较低，钢锭沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，容易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快速冷却形成纵向裂纹，导致更终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；（2）模具尺寸在钢淬火敏感尺寸范围内（碳工具钢淬

预防措施：（1）严格的原材料储存检查，有害杂质含量超过钢；（2）尽量选择真空冶炼、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、充分脱氧盐浴炉加热、分级淬火、等温淬火；（4）无意淬火、不完全淬火，获得高韧性下贝氏体组织，大大降低拉应力，有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。

2、横向裂纹

 裂纹的特点是垂直于轴向。未淬火模具在淬火区和的过渡部分具有较大的拉应力峰值。当大型模具快速冷却时，由于轴向应力大于切向应力，很容易形成较大的拉应力峰值。锻造模块S、P，Bi，Pb，Sn，As低熔点有害杂质的横向偏析或模块有横向微裂纹，淬火后扩展形成横向裂纹。

预防措施：（1）模块应合理锻造，原材料长度与直径之比，锻造比更好在2-3之间，锻造采用双十字变形锻造，使钢碳化物和杂质均匀分布，锻造纤维组织无定向分布，大大提高模块水平机械性能，减少和消除应力源；（2）选择理想的冷却速度和冷却介质：钢Ms快速冷却点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，表面为压力应力，内层为张力应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹的形成Ms—Mf它们之间的冷却大大降低了淬火马氏体的组织应力。当钢中热应力与相应力总和为正（张力应力）时，容易淬火、负、不易淬火。充分利用热应力，减少相变应力，控制应力总和为负，可有效避免水平淬火裂纹。CL-有机淬火介质是减少和避免淬火模具畸变、控制硬化层合理分布的理想淬火剂。CL-淬火剂浓度比不同，冷却速度不同，必须分布硬化层，以满足不同模具钢的需要。 

3、弧状裂纹

模具棱角、缺口、孔洞、凹模接线飞边等形状突变经常发生。这是因为淬火时棱角处产生的应力是平面平均应力的10倍。此外，(1)钢含碳（C）钢的含量和合金元素越高Ms点愈低，Ms点降低2℃，淬裂倾向增加1.2倍，Ms点降低8℃，淬火趋势增加了8倍；（

预防措施：（1）改进设计，尽量使形状对称，减少形状突变，增加工艺孔和钢筋，或组合组装；（2）圆角代直角和尖角边缘，通过孔代盲孔，提高加工精度和表面清洁度，减少应力集中源，直角、尖角边缘、盲孔等一般硬度要求不高，可用铁丝、石棉绳、耐火泥包扎或填充，人工冷却屏障，缓慢冷却淬火，避免应力集中，防止淬火过程中形成弧裂纹；（3）淬火钢应及时回火，消除部分淬火内应力，防止淬火应力膨胀；（4）长期回火，提高模具抗断裂韧性值；（5）充分回火，获得稳定的组织性能；多次回火使残余奥氏体转移消除新的应力；（7）合理回火，提高钢件的疲劳阻力和综合机械力学性能；第二类脆性模具钢高温回火后应迅速冷却（水冷或油冷），可消除二类回火，防止二类回火形成弧裂纹，防止二类回火形成弧裂纹，防止二类回火

4.剥离裂纹

 模具在应力作用下，淬火硬化层从钢基体中剥离。由于模具表面组织和心组织的比例不同，表面形成轴向、切向淬火应力、径向拉应力和内部突变，应力变化范围狭窄，经常发生在表面化学热处理模具冷却过程中，由于表面化学改性和钢基础导致内外淬火马氏体膨胀，产生较大的相变应力，导致基体组织化学处理渗层剥离。如火焰表面淬火层、高频表面淬火层、渗碳层、碳氮共渗层、氮层、硼层、金属层等。化学渗层淬火后不应迅速回火，特别是300~C以下低温回火的快速加热将促进表面的拉应力，而钢基体的心脏和过渡层形成压缩应力。当拉应力大于压缩应力时，化学渗透层会开裂和剥离。

预防措施：（1）模具钢化学渗透层的浓度和硬度应从表到内温和降低，以增强渗透层与基体的结合力。渗透后的扩散处理可使化学渗透层与基体过渡均匀；(2)模具钢化学处理前，应进行扩散退火、球化退火和质量调整，充分细化原有组织，有效防止和避免剥离裂纹，保证产品质量。

5、网状裂纹

裂纹深度较浅，一般深度约为0.01－1.5mm，呈辐射状，别名裂纹。主要原因有：（1）原材料有较深的脱碳层，冷切割加工未去除，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不同于钢基体马氏体碳含量，比容量不同，钢脱碳表面淬火产生较大的拉应力，因此，表面金属往往沿晶体边界开裂成网状；（3）原材料为粗晶钢，原组织厚，铁素体大，常规淬火不能消除，保留在淬火组织中，或温度控制不准确，仪器故障，组织过热，甚至过热，晶粒粗化，晶体边界结合力丧失，模具淬火冷却时，钢碳化物沿奥氏体晶体边界沉淀，晶体边界强度大大降低，韧性差，脆性大，在拉应力作用下，晶体边界呈网状裂纹。

预防措施：（1）严格检查原材料的化学成分、金相组织和探伤，不合格原材料和粗晶粒钢不得作为模具材料；（2）选用细晶粒钢和真空炉钢，生产前检查原材料脱碳层深度，冷切削余量必须大于脱碳层深度；（3）制定先进合理的热处理工艺，选择微机温度控制器，达到控制精度±1.5℃，定期现场验证仪器；(4)模具产品更终处理采用真空电炉、保护气氛炉、充分脱氧盐浴炉加热模具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹。

6.冷处理裂纹

模具钢多为中高碳合金钢。淬火后，一些过冷的奥氏体没有转化为马氏体，保留在使用状态下，成为残余的奥氏体，影响使用性能。如果在零度以下继续冷却，可以促进残余奥氏体的马氏体转化。因此，冷处理的本质是淬火继续。室温淬火应力与零度淬火应力叠加，当叠加应力超过材料强度极限时形成冷处理裂纹。

预防措施：

(1)淬火后冷处理前，将模具放入沸水中煮30-60min，淬火内应力可消除15%-25%，稳定残余奥氏体，然后进行-60℃常规冷处理或-120℃在深冷处理中，温度越低，残余奥氏体转化为马氏体的量越大，但不可能完全转化。实验表明，残余奥氏体保留约2%-5%，少量残余奥氏体可根据需要放松应力，缓冲。由于残余奥氏体柔软坚韧，可部分吸收马氏体化的急剧膨胀能量，缓解相变应力；

（2）冷处理后，取出模具，用热水加热，消除40%-60%的冷处理应力。加热至室温后，应及时回火，进一步消除冷处理应力，避免冷处理裂纹形成，获得稳定的组织性能，确保模具产品在储存和使用过程中不变形。

7、磨削裂纹

模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，大部分微裂纹垂直于磨削方向，深度约为0.05—1.0mm。（1）原材料预处理不当，未能完全消除原材料块、网状、带状碳化物和严重脱碳；（2）更终淬火加热温度过高、过热、颗粒粗大，产生残余奥氏体；（3）研磨过程中的应力诱发相变，将残余奥氏体转化为马氏体，组织应力大。此外，由于回火不足，残余拉应力较大，与研磨组织应力叠加，或由于研磨速度、刀量大、冷却不当，金属表面研磨热急剧升温至淬火加热温度，然后研磨液冷却，导致研磨表面二次淬火，各种应力综合，超过材料强度极限，导致表面金属研磨裂纹。

预防措施：

（1）改造原材料，多次双十字变形锻造，锻造纤维组织绕腔或轴波对称分布，采用更后一火高温余热淬火，然后高温回火，可充分消除块、网、带、链碳化物，细化碳化物至2-3级；（

2)制定先进的热处理工艺，控制更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)适当降低磨削速度和磨削量，有效防止和避免磨削裂纹的形成。

八、线切割裂纹

裂纹出现在淬火、回火模块在线切割过程中，改变了金属表面、中间层和心应力场的分布，淬火残余内应力失去平衡变形，某一区域拉应力大，模具材料强度极限引起裂纹，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过程，使金属表面形成分支铸造组织凝固层，产生600-900MPa0.033mm高应力二次淬火白亮层。裂纹原因：（1）原材料碳化物分析严重；（2）仪器故障，淬火加热温度过高，颗粒粗大，降低材料韧性，增加脆性；（3）淬火工件回火不足，残余内应力过大，线切割过程中形成的新内应力叠加。

预防措施：（1）在严格检查原材料储存前，确保原材料组织成分合格。不合格的原材料必须锻造、粉碎碳化物，使化学成分和金相组织达到技术条件后才能投入生产。模块热处理前的成品应在淬火、回火、线切割前留出足够的磨量；（2）检查仪器，选择微机温度控制和温度控制精度±1.5℃，加热真空炉和保护气氛炉，防止过热和氧化脱碳；（3）分级淬火、等温淬火、淬火后及时回火，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

模具在交替应力反复作用下形成的微疲劳裂纹膨胀缓慢，导致突然疲劳断裂。（1）原材料存在发纹、自点、孔隙、松散、非金属混合、碳化物严重分析、带状组织、块游离铁素体冶金组织缺陷，破坏基体组织的连续性，形成不均匀的应力集中。钢锭中的112没有被排除在外，导致轧制过程中的白点。***，Bi、Pb、Sn、As和S、P钢中等有害杂质P易引起冷脆，而s容易引起热脆，S，P有害杂质超标容易形成疲劳源；(2)化学渗层过厚、浓度过大、渗层过多、硬化层过浅、过渡区硬度低，可导致材料疲劳强度急剧下降；(3)模面加工粗糙、精度低、光洁度差、刀纹、刻字、划痕、碰伤、腐蚀麻面等。，也容易引起应力集中和疲劳断裂。

预防措施:(1)严格选材，确保材料控制Pb、As、Sn等低熔点杂质S、P非金属杂质含量不超过标准；（2）生产前检查材料，不合格原材料不生产；（3）选择纯度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细、碳化物小、等向性能好、疲劳强度高的电渣重熔炼钢，加强模具表面喷丸和表面化学渗透改性，使金属表面为预压应力，抵消模具使用过程中产生的拉应力，提高模具表面疲劳强度；（4）提高模具表面加工精度和清洁度；（5）提高化学渗透层和硬化层的组织性能；微机控制化学渗透层的厚度、浓度和厚度。

 10.应力腐蚀裂纹

裂纹经常发生在使用过程中。由于化学反应或电化学反应，金属模具从表到内的组织结构损坏和腐蚀 产生裂纹，即应力腐蚀裂纹。热处理后，模具钢组织不同，耐腐蚀性也不同。奥氏体是更耐腐蚀的组织（A），更易腐蚀的组织是屈氏体（T），依次为铁素体（F）一马氏体（M）一珠光体（P）一索氏体（S）。因此，模具钢的热处理的热处理T组织。淬火钢虽然回火，但由于回火不足，淬火内应力仍或多或少存在，模具在外力作用下也会产生新的应力，金属模具中存在应力腐蚀裂纹。

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)模具钢淬火后一般不宜在350-400~C回火 ，因T组织常在此温度出现，发生有T组织模具应重新处理，模具应进行防锈处理，提高抗蚀性能；（3）热作模具服役前进行低温预热，冷作模具服役一个阶段后进行一次低温回火消除应力，不仅能防止和避免应力腐蚀裂纹发生，还可大幅度提高模具使用寿命，一举两得，有显著技术经济效益。

完

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