模具钢淬火中各种裂纹分析及其预防措施
杨兴励
轴向裂纹
裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全悴透 即无心悴火时，心部转变为比容最大的洋火马 氏体，产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高， 产生的切向拉应力愈大当拉应力大于该钢强 度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧 了纵向裂纹的产生:(1)钢中含有较多S，P ，Bi、 Ph、Sn、As等低熔点有害杂质，钢镀轧制时沿轧 制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中 形成纵向碎火裂纹，或原材料轧制后快冷形成 的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终洋 火裂纹扩大形成纵向裂纹; (2)模具尺寸在钢的 悴裂敏感尺寸范围内(碳工具钢摔裂危险尺寸为 8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm)或 选择的悴火冷却介质大大超过该钢的临界悴火 冷却速度时均易形成纵向裂纹。
预防措施:(1)严格原材料入库检查，对有害 杂质含量超标钢材不投产; (2)尽量选用真空冶 炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材;(3)改进热处 理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱 氧盐浴炉加热及分级摔火、等温摔火; (4)变无心 摔火为有心洋火即不完全悴透，获得强韧性高 的下贝氏体组织等措施大幅度降低拉应力，能 有效避免模具纵向开裂和碎火畸变。
横向裂纹
裂纹特征是垂直于轴向。未摔透模具，在洋 硬区与未摔硬区过渡部分存在大的拉应力峰 值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰 值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生 横向裂纹。锻造模块中S，P、Bi、陀、Sn，As等低 熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微 裂纹，悴火后经扩展形成横向裂纹。
预防措施:(1)模块应合理锻造，原材料长度 与直径之比即锻造比最好选在2-3之间，锻造 采用双十字形变向锻造，经五辙五拔多火锻造， 使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基 体，锻造纤维组织围绕型腔元定向分布，大幅度 提高模块横向力学性能，减少和消除应力源;
(2) 选择理想的冷却速度和冷却介质:在钢的Ms点 以上快冷，大于该钢临界摔火冷却速度，钢中过 冷奥氏体产生的应力为热应力，表层为压应力， 内层为张应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹 形成，在钢的Ms-Hf之间缓冷，大幅度降低形 成摔火马氏体时的组织应力。当钢中热应力与 相应应力总和为正(张应力)时，则易拌裂，为负 时，则不易摔裂。充分利用热应力，降低相变应 力，控制应力总和为负，能有效避免横向摔火裂 纹发生。CL-1机摔火介质是较理想悴火剂，同 时可减少和避免掉火模具畸变，还可控制硬化 层合理分布。调正CL-1洋火剂不同浓度配比， 可得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满 足不同模具钢需求。
弧状裂纹
常发生在模具棱角角、缺口、孔穴、凹模接 线飞边等形状突变处。这是因为，摔火时棱角处 产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另 外， (1)钢中含碳(C)量和合金元素含量愈高，钢 Ms点愈低，Ms点降低2"C，则浑裂倾向增加1.2 倍，Ms点降低8"C，瘁裂倾向则增加8倍;(2)钢 中不同组织转变和相同组织转变不同时性，由 于不同组织比容差，造成巨大组织应力，导致组 织交界处形成弧状裂纹;(3)悴火后未及时回火， 或回火不充分，钢中残余奥氏体未充分转变，保 留在使用状态中，促进应力重新分布，或模具服 役时残余奥氏体发生马氏体相变产生新的内应 力，当综合应力大于该钢强度极限时便形成弧 状裂纹;(4)具有第二类回火脆性钢，悴火后高温 回火缓冷，导致钢中P，s等有害杂质化合物沿晶 界析出，大大降低晶界结合力和强韧性，增加脆 性，服役时在外力作用下形成弧状裂纹。
预防措施: (1)改进设计，尽量使形状对称， 减少形状突变，增加工艺孔与加强筋，或采用组 合装配; (2)圆角代直角及尖角锐边，贯穿孔代盲 孔，提高加工精度和表面光洁度，减少应力集中 源，对于无法避免直角、尖角锐边、盲孔等处一 般硬度要求不高，可用铁丝、石棉绳、耐火泥等进行包扎或填塞，人为造成冷却屏障，使之缓慢 冷却摔火，避免应力集中，防止萍火时弧状裂纹 形成;(3)摔火钢应及时回火，消除部分摔火内应 力，防止洋火应力扩展; (4)较长时间回火，提高 模具抗断裂韧性值;(5)充分回火，得到稳定组织 性能;多次回火使残余奥氏体转变充分和消除 新的应力; (6)合理回火，提高钢件疲劳抗力和综 合机械力学性能;对于有第二类回火脆性模具 钢高温回火后应快冷(水冷或油冷) ，可消除二类 回火脆性，防止和避免悴火时弧状裂纹形成。
剥离裂纹
模具服役时在应力作用下，摔火硬化层一 块块从钢基体中剥离。因模具表层组织和心部 组织比容不同，洋火时表层形成轴向、切向摔火 应力，径向产生拉应力，并向内部突变，在应力 急剧变化范围较窄处产生剥离裂纹，常发生于 经表层化学热处理模具冷却过程中，因表层化 学改性与钢基体相变不同时性引起内外层梓火 马氏体膨胀不同时进行，产生大的相变应力，导 致化学处理掺层从基体组织中剥离。如火焰表 面瘁硬层、高频表面摔硬层、渗碳层、碳氨共渗 层、渗氮层、渗跚层、渗金属层等。化学渗层溥火 后不宜快速回火，尤其是300-C以下低温回火 快速加热，会促使表层形成拉应力，而钢基体心 部及过渡层形成压缩应力，当拉应力大于压缩 应力时，导致化学渗层被拉裂剥离。
预防措施:(1)应使模具钢化学渗层浓度与 硬度由表至内平缓降低，增强渗层与基体结合 力，渗后进行扩散处理能使化学渗层与基体过 渡均匀; (2)模具钢化学处理之前进行扩散退火、 球化退火、调质处理，充分细化原始组织，能有 效防止和避免剥离裂纹产生，确保产品质量。
网状裂纹
裂纹深度较浅，一般深约0.01-15mm，呈 辐射状，别名龟裂。原因主要有: (1)原材料有较 深脱碳层，冷切削加工未去除，或成品模具在氧 化气氛炉中加热造成氧化脱碳;(2)模具脱碳表 层金属组织与铜基体马氏体含碳量不同，比容 不同，钢脱碳表层梓火时产生大的拉应力，因 此，表层金属往往沿晶界被拉裂成网状;(3)原材
是租晶粒钢，原始组织粗大，存在大块状铁素 ，常规梓火无法消除，保留在拌火组织中，或 控温不准，仪表失灵，发生组织过热，甚至过烧， 品粒粗化，失去晶界结合力，模具洋火冷却时钢 的磺化物沿奥氏体晶界析出，晶界强度大大降低，韧性差，脆性大，在拉应力作用下沿晶界呈 网状裂开。
预防措施:(1)严格原材料化学成分.金相组 织和探伤检查，不合格原材料和粗晶粒钢不宜 作模具材料; (2)选用细品粒钢飞真空电炉钢，投 产前复查原材料脱碳层深度，冷切削加工余量 必须大于脱碳层深度;(3)制订先进合理热处理 工艺，选用微机控温仪表，控制精度达到±1.5"C ， 定时现场校验仪表;(4)模具产品最终处理选用 真空电炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加 热模具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹 形成。
冷处理裂纹
模具钢多为中、高碳合金钢，摔火后还有部 分过冷奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状 态中成为残余奥氏体，影响使用性能。若置于零 度以下继续冷却，能促使残余奥氏体发生马氏 体转变，因此，冷处理的实质是洋火继续。室温 下碎火应力和零度下悴火应力叠加，当叠回应 力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。
预防措施: (1)洋火后冷处理之前将模具置 于沸7K中煮30-60min，可消除15%-259毛、碎 火内应力并使残余奥氏体稳定化，再进行-60"C 常规冷处理，或进行-120"C深冷处理，温度愈 低，残余奥氏体转变成马氏体量愈多，但不可能 全部转变完，实验表明，约有2%-5%残余奥氏 体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可松 驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧， 能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变 应力;(2)冷处理完毕后取出模具投入热水中升 温，可消除40%-60%冷处理应力，升温至室温 后应及时回火，冷处理应力进一步消除，避免冷 处理裂纹形成，获得稳定组织性能，确保模具产 品存放和使用中不发生畸变。
磨削裂纹
常发生在模具成品洋火、回火后磨削冷加 工过程中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂 直，深约0.05-1.0mmo (1)原材料预处理不当， 未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和 发生严重脱碳; (2)最终悴火加热温度过高，发生 过热，晶粒粗大，生成较多残余奥氏体; (3)在磨 削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为 马氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有 较多残余拉应力，与磨削组织应力叠加，或因磨 削速度、进刀量大及冷却不当，导致金属表层磨削热急剧升温至洋火加热温度，随之磨削液冷 却，造成磨削表层二次洋火，多种应力综合，超 过该材料强度极限，便引起表层金属磨削裂纹。
预防措施:(1)对原材料进行改锻，多次双十 字形变向辙拔锻造，经四辙四拔，使锻造纤维组 织围绕型腔或轴线呈波浪形对称分布，并利用 最后一火高温余热进行摔火，接着高温回火，能 充分消除块状、网状、带状和链状碳化物，使碳 化物细化至2-3级;(2)制订先进的热处理工 艺，控制最终摔火残余奥氏体含量不超标;(3) 悴火后及时进行回火、消除摔火应力; (4)适当 降低磨削速度、磨削量，磨削冷却速度，能有效 防止和避免磨削裂纹形成。
线切割裂纹
该裂纹出现在经过摔火、回火的模块在线 切割加工过程中，此过程改变了金属表层、中间 层和心部应力场分布状态，、洋火残余内应力失 去平衡变形，某一区域出现大的拉应力，此拉应 力大干该模具材料强度极限时导致炸裂，裂纹 是弧尾状刚劲变质层裂纹。实验表明，线切割过 程是局部高温放电和迅速冷却过程，使金属表 层形成树枝状铸态组织凝固层，产生600¬900MPa拉应力和厚约0.03mm的高应力二次摔 火白亮层。裂纹产生原因:(1)原材料存在严重的 碳化物偏析; (2)仪表失灵，摔火加热温度过高， 晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性; (3)悴火 工件未及时回火和回火不充分，存在过大的残 余内应力和线切割过程中形成的新内应力叠加 导致线切割裂纹。
预防措施: (1)严格原材料人库前检查， 确保原材料组织成分合格，对不合格原材料必 须进行改锻，击碎碳化物，使化学成分\金相 组织等达到技术条件后方可投产。模块热处理 前加工成品需留足一定磨量后摔火.回火、线切 割; (2)入炉前校验仪表，选用微机控温，控 温精度±1.5"C ，真空炉、保护气氛炉加热，严 防过热和氧化脱碳; (3)采用分级洋火、等温 摔火和梓火后及时回火，多次回火，充分消除 内应力，为线切割创造条件; (4)制订科学合 理线切割工艺。
疲劳断裂
模具服役时在交变应力反复作用下形成的 显微疲劳裂纹缓慢扩展，导致突然疲劳断裂。(1) 原材料存在发纹、自点、孔隙、疏松、非金属夹 杂、碳化物严重偏析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织缺陷，破坏了基体组织连续性，形成 不均匀应力集中。钢镜中112未排除，导致轧制 时形成白点。钢中存在Bi、岛、Sn、As和S、P等 有害杂质，钢中的P易引起冷脆，而s易引起热 脆，S，P有害杂质超标均易形成疲劳源; (2)化学 渗层过厚、浓度过大、渗层过度、硬化层过浅、过 渡区硬度低等都可导致材料疲劳强度急剧降 低;(3)当模面加工粗糙、精度低、光洁度差，以及 刀纹，刻字、划痕、碰伤、腐蚀麻面等也易引起应 力集中导致疲劳断裂。
预防措施:(1)严格选材，确保材质，控制Ph、 As、Sn等低熔点杂质与S，P非金属杂质含量不 超标;(2)投产前进行材质检查，不合格原材料不 投产; (3)选用具有纯洁度高、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 高等特点的电渣重熔精炼钢，对模具型面表面 喷丸强化和表面化学渗层改性强化处理，使金 属表层为预压应力，抵消模具服役时产生的拉 应力，提高模具型面疲劳强度; (4)提高模具型面 加工精度和光洁度;(5)改善化学渗层和硬化层 组织性能;采用微机控制化学渗层厚度、浓度和 硬化层厚度。
应力腐蚀裂纹
该裂纹常发生在使用过程中。金属模具因 化学反应或电化学反应过程，引起从表至内组 织结构损坏腐蚀作用而产生开裂，这就是应力 腐蚀裂纹。模具钢因热处理后组织不同，抗蚀 性能也不同。最耐蚀组织为奥氏体(A) ，最易 腐蚀组织为屈氏体(吗，依次为铁素体(盯一 马氏体(M)一珠光体(P)一索氏体(S)。因 此，模具钢热处理不宜得到T组织。、洋火钢虽 经回火，因回火不充分，摔火内应力或多或少 依然存在，模具服役时在外力作用下也会产生 新的应力，凡有应力存在金属模具中就会有应 力腐蚀裂纹发生。
预防措施:(1)模具钢洋火后应及时回火，充 分回火，多次回火，以消除掉火内应力; (2)模具 钢梓火后一般不宜在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。
