工模具零件热处理开裂 分析与对策

1. 工模具零件热处理开裂分析与对策

2. 一、 零件热处理裂纹产生的原因 • 零件在热处理过程中会产生很大的内应力(组织应力和热应力)，超过钢的屈服强度时，会引起零件变形；超过钢的抗拉强度时，则会造成零件开裂。 •     零件内应力有两种：压应力和拉应力。拉应力是引起淬火裂纹的基本原因。 • 淬火裂纹的形成部位往往具备两个条件：一是具有组织缺陷导致抗拉强度降低(原材料缺陷、设计及机械加工不当造成的缺陷等)；二是该部位拉应力较高，超过该处材料抗拉强度。

3. 二、裂纹的类型 • 按裂纹的方向区分：有纵向裂纹、横向裂纹、弧形裂纹和网状裂纹(又称龟裂)等； • 按裂纹发生的位置区分：有表层裂纹(或称表面裂纹)和内部裂纹； • 按裂纹发生在不同的工序区分：有锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、回火裂纹、冷处理裂纹、酸洗裂纹及磨削裂纹等。

4. 三、裂纹的分辨方法 • 如何区分究竟是淬火裂纹、回火裂纹、锻造裂纹还是磨削裂纹等是很重要的，这样便于准确查找裂纹发生在哪一工序，有利于分析裂纹产生的原因。

5. 淬火裂纹和磨削裂纹形态特征区别 • 淬火时未发现而在磨削发现的裂纹，要区别是淬火裂纹还是磨削裂纹，未污染时比较容易，此时要看裂纹形态，特别是裂纹发展方向，磨削裂纹垂直于磨削方向，呈平行线形态(如图1)或呈龟甲状裂纹(如图2)。磨削裂纹深度浅，而淬火裂纹一般都比较深，与磨削方向无关，多呈直线刀割状开裂。 图l平行线状磨削裂纹 图2龟甲状磨削裂纹

6. 裂纹发生的部位 • 尖锐的凹凸转角处、孔的边缘处、刻印处、打钢印处及机械加工造成的表面缺陷等部位，在这些部位发生的裂纹多属淬火裂纹。

7. 裂纹断口的宏观形貌特征 • 通过观察零件断口区分淬火裂纹还是淬火前的锻造裂纹或其他情况造成的裂纹。 • 若断口呈白色或暗白色或浅红色(水淬造成的水锈)，均可断定为淬火裂纹；若断口呈深褐色，甚至有氧化色出现，就不是淬火裂纹，是淬火前存在的裂纹，如锻造或压延时形成的裂纹，这些裂纹都会因淬火而被扩大。因淬火裂纹形成温度低，断口不会被氧化的。

8. 裂纹断口的显微形貌特征 • 在显微组织中，淬火裂纹沿晶界发展，若不是晶界断裂而是晶内断裂，不是淬火裂纹。 •     如果裂纹周围有脱碳层存在，不是淬火裂纹，裂纹淬火前就存在，因为淬火裂纹是淬火冷却时产生的，不会发生脱碳现象。

9. 四、检查裂纹的方法 1、可以肉眼或低倍放大直接观察，进一步还可用浸油探伤法探查，即将零件浸入到煤油或汽油中，稍后取出零件擦拭干净，再涂以石灰粉或其他白粉，如有裂纹，则在白色部分有油渗出。 2、可以用锤击辨声方法检查是否开裂，锤击零件时如果发出清脆的金属声音，尾音较长，即没有裂纹；反之，若发出重浊声音，就出现裂纹。 3、可以采用磁力探伤法及荧光探伤法检查零件是否有裂纹，需要有一定检测设备。

10. 五、淬火过热与淬火裂纹 • 工件一旦过热，则奥氏体晶粒和马氏体针粗大，容易产生显微裂纹。这种显微裂纹是淬火裂纹激发源，并发展成为淬火裂纹。因此。过热容易淬火裂纹。 •     生产现场中淬火过热引起的淬火裂纹在工具钢中很常见，特别是高合金工模具钢因淬火过热造成工件裂纹的事例最多。 图3  m=12、外径Φ170mm的W18Cr4V钢盘形齿轮铣刀裂纹

11. 防止工模具零件因淬火过热开裂主要措施： • 1、制定正确合理的加热温度和加热方法。如对一些大规格碳化物偏析较严重的高合金钢工模具，应采取下限的淬火加热温度，为保证加热充分，可适当延长加热时间，对一些带尖角的零件应离炉内加热体远一些，在盐浴炉中工件距电极距离不得小于50mm，以免引起尖角过热；

12. 防止工模具零件因淬火过热开裂主要措施： • 2、定期检查校对和维修测温仪表和控温仪表，保证仪表运转正常用。保证测温、定温、调温时准确无误； • 3、要随时观察炉温的情况，采用二重或多重控温，发现炉温异常变化时，及时解决，必要时立即停产，重新测温，待炉温恢复正常后再进行生产； • 4、设备要保证工艺要求。

13. 六、加热速度过快、加热不均匀与淬火裂纹 • 高合金工模具工件多采用两段预热，减缓工件内外温差，得到充分均匀加热，减少加热应力，缩短工件高温加热时间； • 高合金工模具因成分中合金元素含量高，导热率低，加热速度必须缓慢，加热过快容易导致开裂； • 因炉渣温度高，工件接触到炉渣使工件局部温度升高，淬火前要对盐浴炉认真清氧捞渣； • 电炉加热元件布置要均匀合理，以保证炉内温度均匀一致，避免引起工件加热不均匀。

14. 七、淬火冷却速度与淬火裂纹 加热零件高温急冷淬火，产生的热应力使零件外层受压，内层受拉，对防止淬火有利。在马氏体Ms至Mf温度区间发生相变应力，与热应力相反，在此区域内冷却速度越大，则相变应力越大，表面层的拉应力越大，容易导致淬火裂纹的发生。 零件在钢的马氏体转变Ms至Mf温度区间冷却速度过大，使热应力与组织应力叠加，拉应力达到最大值，容易发生裂纹。

15. 实际生产对零件采用双液淬火、分级淬火和等温淬火等，其目的就是为了在马氏体转变区域内缓冷，尽量使零件内外层同时发生组织转变，力求使组织应力达到最小值，以避免裂纹的发生。表1是某厂生产的高速钢制弧形键槽铣刀，由于采用的冷却方式不同则产生裂纹的数量和百分率也不同。实际生产对零件采用双液淬火、分级淬火和等温淬火等，其目的就是为了在马氏体转变区域内缓冷，尽量使零件内外层同时发生组织转变，力求使组织应力达到最小值，以避免裂纹的发生。表1是某厂生产的高速钢制弧形键槽铣刀，由于采用的冷却方式不同则产生裂纹的数量和百分率也不同。

16. 八、清洗过早引起的淬火裂纹 尺寸较大的工件，淬火冷却后表面看上去冷的差不多了，但其心部温度仍比较高，仍在进行着马氏体转变。此时若将工件放入冷水中（特别在冬季的冷水中）清洗，等于在马氏体转变区域内加速冷却，产生的内应力将会增加，使工件发生开裂，这种裂纹仍为淬火裂纹。因此，工件必须完全冷透后再清洗。

17. 九、萘状断口与淬火裂纹 • 萘状断口是一种具有与萘的闪光相似的粗糙断口，是高速钢零件常见缺陷。产生萘状断口零件显微组织特点是奥氏体晶粒很大且不均匀，个别粗大晶粒尺寸可达0.1～1mm。 • 萘状断口对钢性能影响：其淬火回火后硬度和红硬性与正常零件基本相当，但强度明显降低，特别是韧性更低。用高速钢模具一旦产生萘状断口，在淬火时容易形成淬火裂纹，校直时易压断，易崩刃和折断。 • 萘状断口的形成：一是钢在锻、轧等热塑性变形时终了温度过高（1050～1000℃）时；二是重复淬火时无中间退火或退火不充分造成。 • 萘状断口防止措施：①严格控制终锻温度，使其≤1000℃。②锻件毛坯充分退火。③返修零件在重新淬火前必须进行充分退火， 退火硬度≤HRC28。

18. 十、脱碳与淬火裂纹 • 脱碳使零件截面含碳量不同，淬火时截面上相变温度不相同，如高速钢含碳量为0.8%时Ms点为150℃；表面脱碳降低为0.4%时Ms点为330℃。相变体积膨胀量也不相同，使零件内应力增大产生裂纹。 • 在淬火时由于脱碳层首先开始相变，当其马氏体转变已经完成或正在大量转变时，心部还没有开始转变，这时表层处于压应力状态。当工件温度降至150℃以下时，工件内部开始马氏体转变体积膨胀，但此时表层已经完成马氏体转变，强度高塑性低，很难产生塑性变形，使表层处于大的拉应力状态，很容易使零件发生开裂。 • 防止措施：1、不使用不符合技术标准要求的原盐；2、盐浴炉要认真脱氧捞渣，不要只脱氧不捞渣，因为炉渣含有很多氧化物；3、零件在电阻炉中加热要加以保护，以防脱碳；4、工件表面生锈或有氧化皮，加热前清除干净；5、若毛坯件有脱碳层存在，热处理前要彻底加工去除掉；6、采用真空炉进行淬火加热。

19. 十一、重复淬火与淬火裂纹 • 重复淬火增加表面脱碳概率，脱碳到一定量时容易发生淬火裂纹。马氏体相变体积膨胀量随含碳量增加而增大，脱碳层相变体积膨胀量比基体小，这种膨胀量差容易引起淬火裂纹，因此，重复淬火工件要注意防止脱碳。 • 重复淬火的原因：1、淬火加热不够充分，致使淬火硬度不足；2、回火温度高且时间长，导致强度硬度降低；3、淬火回火后工件弯曲变形超差（特别是大型长棒形工件），且又无法达到合格，只好退火重新淬火后再校直；4、产品混料，比如高速钢W18Cr4V钢与W9Mo3Cr4V钢混料，或产品跟单上标注的钢材与实际产品钢材不符。 • 防止措施：严格按工艺文件规定加热温度和保温时间生产；保证控温仪表和加热设备始终处于正常运转；加强生产管理，不要造成混料、错料事件发生；零件重新淬火前必须进行退火处理，零件重复淬火只能进行一次；认真校直，避免返修。

20. 十二、渗碳与淬火裂纹 • 零件渗碳后淬火，由于表层含碳量高，其表层马氏体膨胀量比内部大，使表面受压应力，从而防止淬火开裂；但当渗碳过度容易生成硬脆的碳化物层，引起淬火开裂。 • 过度渗碳会出现网状渗碳体而导致晶界裂纹；渗碳若浓度不均匀时，则淬火时会发生不同的组织转变而引起裂纹；若渗碳后的冷却速度过快，在应力作用下也能引起裂纹，这种情况多发生在合金元素含量较多的渗碳钢件中。

21. 十三、淬火加热炉与淬火裂纹 • 加热炉不能满足零件淬火加热的要求，如工件外形大，而炉膛较小，加热时工件外边距加热体太近造成工件外层过热，特别是带有尖角的零件，更容易造成工件过热而发生淬火裂纹。 • 淬火裂纹与加热炉类型的关系：燃料炉是以重油或液化石油气作为燃料加热，零件与火焰直接接触部分常常发生过热，燃烧产生的氢会渗入钢件而产生脆性，促进淬火裂纹的形成。盐炉与电炉比燃料炉要好，淬火开裂危险最小的是真空加热炉，它采用辐射加热方式，具有加热缓慢、炉温均匀、无氧化脱碳等优点。

22. 十四、钢材质量与淬火裂纹 • 非金属夹杂物、疏松、缩孔和气孔等缺陷降低钢材致密性，破坏钢材连续性，若非金属夹杂物成大块状存在其危害更大，往往是淬火裂纹的起源。另外，缩孔、气孔等应力集中部位，淬火容易开裂。 • 严重的碳化物偏析对钢材质量的影响非常大，多见于高合金工模具钢中，因该类钢组织中存在较多的二次碳化物和共晶碳化物，若压力加工（如锻造等）不当，呈明显的带状偏析，容易引起淬火零件的开裂，裂纹多见于碳化物偏析严重部位。在碳化物堆集部位，颗粒较小的碳化物数量少，奥氏体晶粒容易长大，在正常温度下也会容易造成局部过热。碳化物级别过高，会使奥氏体合金成份不一致，造成工件冷却时马氏体转变不同时，增加内应力引起淬火裂纹。

23. 十四、钢材质量与淬火裂纹 • 某厂处理一批W18Cr4V钢制滚刀时（规格为M10），1280℃油淬发现有两件齿轮滚刀内孔壁产生纵向裂纹，沿裂纹剖开，金相分析可见明显碳化物宽带，碳化物不均匀度为9级，确定了开裂原因。 • 工模具钢如因退火不佳而形成片状珠光体和网状碳化物等，容易使零件产生裂纹。相同成分的钢，片状珠光体与珠状球光体相比较，前者在较低的加热温度下完成奥氏体化，在较低温度下晶粒即开始长大，引起钢的过热，导致开裂。

24. 十四、钢材质量与淬火裂纹 防止因钢材质量不佳造成淬火裂纹措施： • （1）严格检验，不合格钢材不得进厂，不能投入生产 • （2）工模具钢进行良好预处理，防止网状碳化物生成； • （3）对碳化物偏析严重的大规格高合金工模具钢工件，坯件进行充分镦拔锻造加工，改善碳化物不均匀度； • （4）对一些特大规格的高合金钢锻坯锻造后碳化物偏析仍较严重时，以及由于各种原因不能进行锻造加工来改善碳化物不均匀度的长棒形大直径零件，应在保证各项性能质量要求的前提下，采用比较保守的热处理工艺。

25. 十五、锻造与淬火裂纹 • 工件在锻造时会因各种原因如非金属夹杂、缩孔及气泡等引起裂纹。工件入炉温度过高、升温太快、加热温度过高、锻造变形太大以及变形不均、终锻温度过低及锻造后冷速过快等原因引起锻造裂纹，有的裂纹在内部，有的暴露在表层。 • 有些锻造裂纹热处理前未发现，但工件在淬火工序发生开裂。某厂曾有三件由254mm钢锭锻成的9Cr2钢轧辊，粗加工辊身直径200mm；第一件在淬火时裂为两段，当即停止另两件淬火并进行分析。通过超声波探伤，发现内部缺陷严重，并集中分布原钢锭冒口端。进行横向切片检查发现裂纹已接近轧辊表面，在心部发现有铸锭凝固缩孔。

26. 十六、零件的形状与淬火裂纹 • 零件的形状与淬火裂纹有密切关系，形状复杂、截面变化大、带有尖角沟槽的零件，淬火冷却时会产生极为复杂的内应力，非常容易引起淬火裂纹。 • 以下形状的零件淬火裂纹发生的概率非常大。

27. 1、横截面急剧变化，图4 和图5 • 2、尖角和孔穴，图6 • 3、键槽，图7 和图8 • 斧头薄刃处，图9 • 以上零件淬火开裂敏感形态是因为几何形状均能产生应力集中区域，在淬火时，常由于应力过大而引起淬火开裂。

28. 防止或减少此类零件淬火裂纹的措施： • （1）改善零件的不良形状，如在壁厚处开工艺孔；在壁薄处加加强筋；将厚薄悬殊部位做成一定斜度；在满足零件性能要求的前提下，将壁厚部分和壁薄部分做成组合件； • （2）直径比较大的零件最好做成空心的； • （3）尖角改成圆角，那怕有1mm的圆角或倒角也好； • （4）孔的出入口处往往容易发生淬火裂纹，在出入口处倒角，用粘土或石棉泥将孔堵上，使其不产生缺口效应； • （5）对结构复杂、截面厚薄相差较大的工件，选用淬透性大的钢材，以便选用分级淬火等缓和的淬火冷却方式，既能满足硬度要求又能防止淬火裂纹； • （6）在淬火操作上注意不要冷透，最好冷到50～60℃左右（用手可以触摸的程度），不经清洗在盐浴炉中立即回火，使淬火应力得到及时消除，对防止淬火裂纹起到很好的作用。

29. 十七、标记与机械加工不当造成零件表面缺陷引起的淬火裂纹十七、标记与机械加工不当造成零件表面缺陷引起的淬火裂纹 • 用尖锐的字头冲刻标记或机械加工不当造成零件表面较深刀纹时，容易造成应力集中引发零件淬火裂纹。 图10为由冲刻标记造成的淬火裂纹 • 防止方法是：不要在零件表面冲刻各种标记，实在需要有标记时，可用万能笔书写等办法解决；机械加工时不能使工件表面过于粗糙，更不要造成深的刀纹。

30. 十八、冷处理与冷处理裂纹 • 冷处理原则上应在工件淬火后内外完全冷至室温后立即进行，因此，冷处理是淬火过程的继续，目的是将组织中残余奥氏体更多、更完全地转变为马氏体，以提高工件的硬度、强度、耐磨性和尺寸的稳定性。 • 零件冷处理时发生裂纹是经常遇到的问题，这是由于淬火冷却时产生的热应力因冷处理而增大；冷处理使残余奥氏体转变成马氏体而产生新的相变应力，这两方面的应力叠加在一起往往就会产生与淬火裂纹相同的裂纹，这就是冷处理裂纹。

31. 防止冷处理裂纹的发生措施： • 日本大和久认为：为防止冷处理裂纹，应在冷处理前于100~130℃略微回火，在使残余奥氏体稍许稳定化、同时降低淬火应力之后，再进行冷处理，这样做可以说基本上可完全防止冷处理裂纹。 • 冷处理前零件一定要冷透。另外，在对高合金钢零件冷处理时不要连续降温，要分段降温，即在-20～-30℃停留20min左右，再继续降温到-70～-80℃。零件冷处理后不要立即从冷处理炉中取出，应等其温度回升到-30℃左右时取出，待零件完全恢复到室温后要及时回火，消除应力。

32. 十九、焊接裂纹 • 焊接裂纹是指焊接刀具在焊缝处发生的裂纹。生产中用对焊方法使两种钢材焊接在一起，在两种钢材间生成焊缝。若焊接质量不佳，在焊缝处存在气孔、氧化物夹杂或局部脱焊等缺陷，在淬火后会开裂，或在校直开裂，断面多呈深褐色，有的会有氧化皮等。 • 防止裂纹发生的措施： （1）要严格按焊接工艺进行操作； （2）要注意焊接前焊接坯料的对焊面一定要清理干净，不能生锈，更不能有氧化皮或其他脏物存在。

33. 二十、敲击裂纹 • 这种裂纹主要发生在淬火后的杆状刀具在敲击校直时形成的裂纹。杆状刀具淬火后发生弯曲变形是经常发生的，只能用校直的办法来解决，当敲击校直时，若用力过大或反复敲击，被敲击部分会引起冷作硬化，被敲击处的组织受到破坏产生较大应力，甚至出现肉眼难以发现的微细裂纹，酸洗时或在长期存放与使用中便会产生裂纹。

34. 这种裂纹主要发生在淬火后的杆状刀具（如细长拉刀、长钻头等）敲击校直过程。这种裂纹主要发生在淬火后的杆状刀具（如细长拉刀、长钻头等）敲击校直过程。 图11 敲击校直示意图 1.剁刀2.锤子3.弯曲的工件4.平台 • 防止造成敲击裂纹办法： （1）剁刀刀刃不能太尖，要磨成一圆弧，敲击时不能用力过大，敲击点应均匀分布在凹面的一定范围内，不能集中在一个部位敲击，更不能多次反复敲击一点；（2）敲击过的工件最好不要酸洗，非要酸洗时酸洗时间要短，以防引起裂纹。（3）敲击校直的方法一般适用在其他校直方法达不到目的时才使用，或弯曲量不大的工件采用敲击校直。

35. 二十一、热点校直(对称火焰校直)裂纹 • 热点校直是用氧乙炔火焰热点(加热)弯曲工件的凸面，是利用热涨冷缩的作用使弯曲的工件得以校直。 • 热点要均匀分布在工件的凸面上，不要集中在一个部位上加热；热点的数量和分布情况，要根据弯曲工件的具体情况而定，如工件的弯曲量、弯曲部位和弯曲范围等；热点校直适用于细长的、直径或有效厚度不大的薄片工件的校直，如细长的轴类、芯杆、键槽拉刀、机用锯条以及锯片铣刀等；热点时若加热过快或重复热点一个部位，容易在热点处产生裂纹。 • 某厂在冬季用氧乙炔火焰校直Φ36mm、长580mm心杆(T8)时，发现热点处发生开裂。采取在火焰校直前，将芯杆放在160～180℃预热炉中预热30min后再热点校直，裂纹不再发生。因冬季室温低．采取预热减小了加热速度．从而减小了热应力。

36. 二十二、 酸洗裂纹 • 由于工件在酸洗时，会产生氢原子扩散到钢中，产生相当大的内应力，使钢的强度和塑性降低，脆性增大(氢脆)。经过敲击过的工件，热点校直过的工件，焊接不良的刀具及回火不充分的对焊刀具，残余应力较大，在酸洗时极易产生酸洗裂纹。对焊刀具的酸洗裂纹其位置大都靠近焊缝处塑性较低的高速钢部分。热处理正常的对焊刀具在酸洗时，如果酸洗液浓度过高或酸洗时问过长，也会产生酸洗裂纹。

37. 某厂规格为25×5弧型键槽铣刀，刃部为W18Cr4V钢，柄部为45钢，经1285℃分级淬火，560℃三次回火，每次1h，随后在不同浓度的酸洗液中酸洗2h，出现裂纹的情况，见表2。某厂规格为25×5弧型键槽铣刀，刃部为W18Cr4V钢，柄部为45钢，经1285℃分级淬火，560℃三次回火，每次1h，随后在不同浓度的酸洗液中酸洗2h，出现裂纹的情况，见表2。 • 表3所列为在相同浓度的酸洗液中经不同时间酸洗，出现裂纹的情况。

38. 二十三、磨削裂纹 • 热处理工件在磨削过程中，因砂轮选择不当、磨削规范不合理或操作不规范，容易造成零件磨削裂纹。 • 热处理不当也能造成工件磨削裂纹，如热处理后残余应力较大或残余奥氏体量较多，这种情况多为回火不充分造成。同时，淬火应力得不到充分消除，这些应力与工件磨削时产生的应力叠加在一起就容易造成磨削裂纹。 • 存在较多的残余奥氏体(如高合金钢)，则它们会因磨削应力诱发马氏体相变，继续对之进行磨削，也容易产生磨削裂纹。工件渗碳时，若渗碳层中碳浓度太高，网状碳化物严重，零件在磨削加工中非常容易出现裂纹。

39. 二十四、回火裂纹 • 回火裂纹因回火加热过快或冷却过急或是因组织变化而形成。 • 快速加热引起的回火裂纹：若将淬火钢件快速加热，表层与内部会产生较大的温度梯度，形成较大内应力。同时，淬火钢马氏体组织为不稳定组织状态，快速加热产生的回火相变在表面会引起收缩，而其内部仍处于膨胀状态，故表层受拉应力而使工件发生开裂。 • 回火加热急冷引起的回火裂纹：多发生二次硬化高合金钢如高速钢或高铬模具钢(如Cr12系钢)，从回火温度500~560℃急剧冷却时，残余奥氏体发生二次淬火，发生马氏体相变应力很大，会形成与淬火裂纹相同的裂纹，其道理与淬火裂纹的形成是一样的。另外，这类钢中合金元素较多，导热性较差，若从回火温度急冷至室温，将产生很大的热应力。

40. 防止回火裂纹产生的办法： • 回火加热与冷却要缓慢进行，对二次硬化的高合金钢更应注意回火加热与冷却速度，高合金钢工件回火后空气缓冷即可。 • 在冬季对有效厚度比较大的高合金钢工件回火加热时，在盐炉中缓慢加热到250~300℃预热30min后，再移入回火炉中加热到560℃进行加热，保温60min后放入空气电阻炉中或铁筒中缓冷至室温。 • 对大型复杂的高合金钢工件，淬火冷至50~60℃左右进行第一次回火，回火加热除在250~300℃预热30min外，在560℃保温60min后，移入250~280℃盐浴中等温60~90min，随后在空气中缓冷至室温。第二、三、四次560℃回火，每次保温60min后在空气中缓冷至室温后清洗。第二、三、四次回火时也要进行在250~300℃预热30min。

41. 二十五、加强生产管理，提高人员素质，减少裂纹废品损失二十五、加强生产管理，提高人员素质，减少裂纹废品损失