解析冷作模具裂纹形成原因
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【摘 要】冷作模具经过热处理、磨削后，在静置时产生脆性开裂。采用金相检验、电镜断口观察、化学成分分析和硬度测试等方法对开裂模具金相检验和分析。模具的开裂主要是由于热处理过程中回火不足，碳化物块度粗大，加上后期不良磨削、铣削加工产生的应力叠加造成的，并提出相应的改进措施。
【关键词】冷作模具;加工应力;裂纹;分析
一、纵向裂纹
裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，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、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭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淬火裂纹，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淬火裂纹扩大形成纵向裂纹;（2）模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内（碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm）或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬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淬火、等温淬火; （4）变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，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淬火畸变。
二、横向裂纹
裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬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.Sb，Bi，Pb，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，淬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，经五镦五拔多火锻造，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无定向分布，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，大于该钢临界淬火冷却速度，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—Mf之间缓冷，大幅度降低形成淬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，则易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相变应力，控制应力总和为负，能有效避免横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正CL-1淬火剂不同浓度配比，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。
三、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，淬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℃，则淬裂倾向增加1.2倍，Ms点降低8℃，淬裂倾向则增加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）淬火后未及时回火，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，淬火后高温回火缓冷，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，使之缓慢冷却淬火，避免应力集中，防止淬火时弧状裂纹形成;（3）淬火钢应及时回火，消除部分淬火内应力，防止淬火应力扩展;（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;（6）多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力; （7）合理回火，提高钢件疲劳抗力和综合机械力学性能;（8）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，防止和避免淬火时弧状裂纹形成。
四、磨削裂纹
常发生在模具成品淬火、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—1.0mm。 （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）最终淬火加热温度过高，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淬火加热温度，随之磨削液冷却，造成磨削表层二次淬火，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，多次双十字形变向镦拔锻造，经四镦四拔，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淬火，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，控制最终淬火残余奥氏体含量不超标; （3）淬火后及时进行回火、消除淬火应力; （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。
五、线切割裂纹
该裂纹出现在经过淬火、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，淬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的高应力二次淬火白亮层。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，淬火加热温度过高，晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性; （3）淬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）严格原材料入库前检查，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淬火.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℃，真空炉、保护气氛炉加热，严防过热和氧化脱碳;（3）采用分级淬火、等温淬火和淬火后及时回火，多次回火，充分消除内应力，为线切割创造条件;（4）制订科学合理线切割工艺。
结语
冷作模具产生裂纹的原因很多，导热性差，回火不充分，碳化物偏析嚴重是导致裂纹形成的重要因素。锻造与热处理都要有正确的加热与冷却规范，尽量减少表层与内部的温差。采取先进合理的处理工艺，提高模具热处理质量，编制正确的磨削工艺，磨削时充分冷却。
参考文献
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