高速鋼刀具淬火裂紋的原因分析及預(yù)防措施

1、高速鋼刀具淬火裂紋的原因分析及預(yù)防措施        高速鋼屬萊氏體鋼，含有大量合金元素，冶煉后形成大量一次共晶碳化物和二次碳化物(約占成分總量的18%22%)，這對(duì)高速鋼刀具的淬火質(zhì)量及使用壽命有很大影響。高速鋼淬火溫度接近熔點(diǎn)，淬火后組織中仍有25%35%的殘余奧氏體，致使高速鋼刀具容易產(chǎn)生裂紋和腐蝕。下面分析影響高速鋼刀具淬火裂紋和腐蝕的原因，并提出相應(yīng)預(yù)防措施。 1 高速鋼原材料的冶金缺陷高速鋼中所含大量碳化物硬而脆，為脆性相。一次共晶碳化物呈粗大骨骼狀(或樹枝狀)分布于鋼基體內(nèi)。鋼錠經(jīng)開坯壓延和軋制后，合

2、金碳化物雖有一定程度的破碎和細(xì)化，但碳化物偏析依然存在，并沿軋制方向呈帶狀、全網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀或堆積狀分布。碳化物不均勻度隨原材料直徑或厚度的增加而增加。共晶碳化物相當(dāng)穩(wěn)定，常規(guī)熱處理很難消除，可導(dǎo)致應(yīng)力集中而成為淬火裂紋源。鋼中硫、磷等雜質(zhì)偏析或超標(biāo)也是導(dǎo)致淬裂的重要原因。高速鋼的導(dǎo)熱性和熱塑性差、變形抗力大，熱加工時(shí)易導(dǎo)致金屬表層和內(nèi)層形成微裂紋，最終在淬火時(shí)因裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致材料報(bào)廢。大型鋼錠在冶煉、軋制或鍛造等熱加工過(guò)程中形成的宏觀冶金缺陷如疏松、縮孔、氣泡、偏析、白點(diǎn)、樹枝狀結(jié)晶、粗晶、夾雜、內(nèi)裂、發(fā)紋、大顆粒碳化物及非金屬夾渣等均易導(dǎo)致淬火時(shí)應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力大于材料強(qiáng)度極限時(shí)便會(huì)產(chǎn)生淬火

3、裂紋。 預(yù)防措施為：選用小鋼錠開坯軋制各種規(guī)格的刀具原材料；選用二次精煉電渣重熔鋼錠，它具有純度高、雜質(zhì)少、晶粒細(xì)、碳化物小、組織均勻、無(wú)宏觀冶金缺陷等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)不合格原材料進(jìn)行改鍛，擊碎材料中的共晶碳化物，使共晶碳化物不均勻度3級(jí)；采取高溫分級(jí)淬火、再高溫回火的預(yù)處理工藝，通過(guò)精確控溫等措施，可有效避免高速鋼原材料冶金缺陷引起的淬火裂紋。 2 高速鋼過(guò)熱、過(guò)燒組織高速鋼過(guò)熱、過(guò)燒組織的特點(diǎn)為晶粒顯著粗化，合金碳化物出現(xiàn)粘連、角狀、拖尾狀及沿晶界呈全網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀或連續(xù)網(wǎng)狀分布；鋼組織內(nèi)部局部熔化出現(xiàn)黑色組織或共晶萊氏體，形成過(guò)燒組織，顯著降低晶間結(jié)合力和鋼的強(qiáng)韌性。引起高速鋼過(guò)熱、過(guò)燒組織的主要

4、原因有：淬火加熱溫度過(guò)高，測(cè)溫和控溫儀表失準(zhǔn)；鹽浴爐淬火加熱時(shí)，因鹽浴表面煙霧導(dǎo)致輻射高溫計(jì)測(cè)溫出現(xiàn)誤差；變壓配電盤磁力開關(guān)失靈；刀具加熱時(shí)離電極太近或埋入爐底沉積物中；原材料存在大量角狀碳化物或碳化物不均勻度等級(jí)太高等。高速鋼過(guò)熱、過(guò)燒組織極易導(dǎo)致淬火裂紋。 預(yù)防措施為：嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，共晶碳化物級(jí)別應(yīng)33.5級(jí)；原材料入庫(kù)和投產(chǎn)前應(yīng)作金相檢查，確保無(wú)宏觀冶金缺陷；刀具淬火加熱前用試片校驗(yàn)高溫鹽浴爐，檢查晶粒等級(jí)與淬火加熱溫度的關(guān)系是否合理(參見下表)；采用微機(jī)控溫與測(cè)溫，測(cè)溫精度達(dá)到±1.5。 3 萘狀斷口萘狀斷口是高速鋼常見的組織缺陷，斷口呈魚鱗狀，類似大理石，具有萘的光澤

5、，斷口極粗糙，晶粒粗大(可達(dá)Ø1mm)。由于材料脆性大，強(qiáng)韌性低，高溫奧氏體化淬火時(shí)容易形成淬火裂紋。在熱鍛、軋制、壓延等熱加工時(shí)，經(jīng)10501100高溫奧氏體化，熱塑性變形在5%10%臨界變形、精鍛溫度不當(dāng)及重復(fù)淬火時(shí)未經(jīng)中間退火(或退火不充分)等因素均易形成萘狀斷口，導(dǎo)致淬火裂紋。 預(yù)防措施為：合理選擇精鍛溫度，嚴(yán)格控制終鍛溫度(1000)，鍛后緩冷；鍛坯淬火前應(yīng)充分退火；避免在5%10%臨界變形；進(jìn)行超晶粒細(xì)化處理等。采取以上措施可有效抑制高速鋼萘狀斷口的形成，避免產(chǎn)生淬火裂紋。 4 機(jī)械設(shè)計(jì)與冷加工不當(dāng)引起應(yīng)力集中刀具厚薄不均、因棱角、銳邊、尖角、溝槽、孔、凸臺(tái)等形狀突變而產(chǎn)

6、生缺口效應(yīng)以及冷加工表面粗糙、刀紋較深、存在碰傷及打標(biāo)記等均可導(dǎo)致高速鋼刀具淬火時(shí)應(yīng)力集中，從而誘發(fā)淬火裂紋。如刀具淬火前存在較大冷加工內(nèi)應(yīng)力(尤其是磨削內(nèi)應(yīng)力)未予消除，在淬火加熱和冷卻時(shí)將形成多種應(yīng)力疊加，當(dāng)疊加應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限時(shí)，將產(chǎn)生淬火裂紋和畸變。 預(yù)防措施為：改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)，使刀具形狀合理、厚薄均勻。厚處可開工藝孔，薄處可增加肋條，變形懸殊處可制成斜坡；將刀具的棱角、直角、尖角倒圓，孔口處倒角；冷加工表面光潔度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，防止產(chǎn)生粗大刀紋，用萬(wàn)能筆書寫標(biāo)記；淬火前通過(guò)退火消除冷加工內(nèi)應(yīng)力；采用熱浴分級(jí)淬火、等溫淬火等工藝減少組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。 5 淬火內(nèi)應(yīng)力與淬

7、火冷卻介質(zhì)高速鋼的組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和附加應(yīng)力均為淬火內(nèi)應(yīng)力。對(duì)高速鋼進(jìn)行高溫奧氏體化淬火時(shí)，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，由于前者比容小，后者比容大，鋼從收縮狀態(tài)逆轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)，金屬內(nèi)外層相變引起的比容變化不同時(shí)性產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力為組織應(yīng)力。大型刀具的表面和中心以及厚薄不同處因加熱和冷卻速度不一致形成溫度差，導(dǎo)致體積膨脹與收縮不同而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力為熱應(yīng)力。刀具表面和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻以及工具內(nèi)部彈性變形不一致形成的內(nèi)應(yīng)力為附加應(yīng)力。當(dāng)以上三種應(yīng)力之和大于材料的破斷抗力時(shí)，則形成淬火裂紋。當(dāng)淬火冷卻介質(zhì)冷速過(guò)大，超過(guò)該鋼種的臨界淬火冷速時(shí)，則易形成較大的淬火內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致刀具淬裂。當(dāng)淬火冷卻介質(zhì)冷速過(guò)小，

8、小于該鋼種臨界淬火冷速時(shí)，則得不到所需組織性能。獲得淬火馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度為臨界淬火冷卻速度。高速鋼淬透性極佳，中小型刀具空冷即可淬硬。但用硝鹽進(jìn)行等溫淬火時(shí)，如硝鹽含水過(guò)量，可能造成淬火冷卻速度過(guò)大，或當(dāng)?shù)毒叽慊鹞蠢渲潦覝丶崔D(zhuǎn)入水中清洗，可使大量過(guò)冷殘余奧氏體在水中高冷速下轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，從而產(chǎn)生大的淬火內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致刀具淬裂。 預(yù)防措施為：選用在鋼的C曲線拐點(diǎn)處(鼻部)快冷、在鼻部Ms點(diǎn)以下緩冷的淬火介質(zhì)(如氯化鈣飽和水溶液、C-1有機(jī)淬火劑、聚乙烯醇水溶液、高錳酸鉀淬火液等)作為理想淬火冷卻介質(zhì)；采用熱浴(硝鹽浴、堿浴等)分級(jí)淬火、等溫淬火以及淬火前預(yù)處理等措施，細(xì)化組織，消除冷、

9、熱加工應(yīng)力，可有效預(yù)防和避免淬裂和刀具淬火畸變。 6 氫脆高速鋼刀具酸洗、電鍍時(shí)侵入鋼中的初生態(tài)氫(H)原子轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞肿?H2)時(shí)將發(fā)生膨脹，產(chǎn)生巨大壓力，導(dǎo)致在鋼的晶界上發(fā)生龜裂，稱為氫脆。酸洗是金屬氧化物與酸的化學(xué)反應(yīng)，它使金屬氧化物變?yōu)榭扇苄喳}而脫離金屬表層。淬火高速鋼有強(qiáng)烈的酸洗氫脆龜裂傾向。通常用硫酸或鹽酸酸洗刀具時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為 FeO+H2SO4<=>FeSO4+H2OFeO+HCl<=>FeCl+H2OFe+H2SO4FeSO4+H2Fe+HClFeCl+H2預(yù)防措施為：酸洗時(shí)，如產(chǎn)生過(guò)量初生態(tài)氫原子(H)，則需嚴(yán)格控制酸液濃度、溫度和酸洗時(shí)間；刀

10、具酸洗和電鍍后及時(shí)用凈水沖洗和中和殘酸，并在4小時(shí)內(nèi)進(jìn)行190200×24h的低溫時(shí)效，使氫氣釋放，可有效消除氫脆龜裂。 7 冷處理裂紋高速鋼刀具經(jīng)高溫奧氏體化，保溫后在大于或等于該鋼種的臨界冷卻速度下淬火得到淬火馬氏體組織，但尚有部分過(guò)冷奧氏體未轉(zhuǎn)變，成為殘余奧氏體(AR)(約占25%35%)。若再進(jìn)行-60-160的液氮冷處理，則可使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(M)。由于殘余奧氏體比容小，馬氏體比容大，鋼件發(fā)生膨脹，將產(chǎn)生較大的二次淬火相變組織應(yīng)力，并與一次淬火應(yīng)力疊加，當(dāng)疊加應(yīng)力大于該鋼種的破斷抗力，則會(huì)產(chǎn)生冷處理二次淬裂。 預(yù)防措施為：冷處理前將淬火刀具用100沸水煮3040分鐘

11、，或低溫回火1小時(shí)。試驗(yàn)表明，此方法可消除20%30%的淬火內(nèi)應(yīng)力。由于殘余奧氏體稍趨穩(wěn)定，經(jīng)冷處理后仍可保留2%5%。殘余奧氏體既脆又韌，可吸收馬氏體的急劇膨脹能量，松馳及緩和相變應(yīng)力；冷處理后將刀具放入室溫水(或熱水)中升溫，可消除50%60%的冷處理二次淬火應(yīng)力；采用多次高溫回火等措施，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，可有效預(yù)防冷處理裂紋。 8 磨削裂紋高速鋼磨削裂紋常發(fā)生在磨削加工過(guò)程中，裂紋細(xì)而淺(深度不到1mm)，呈輻射網(wǎng)狀分布于表面，大多與磨削方向垂直，類似淬火網(wǎng)狀裂紋，但形成原因不同。當(dāng)磨削速度較高、進(jìn)給量較大、冷卻不良時(shí)，可使鋼件表層金屬溫度急劇升高至淬火加熱溫度，隨后冷卻即形成

12、金屬表層二次淬火，產(chǎn)生二次淬火應(yīng)力；當(dāng)材料存在嚴(yán)重的碳化物偏析未予消除，或淬火刀具中存在較多殘余奧氏體未被轉(zhuǎn)變，在磨削加工時(shí)則易發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)相變，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使組織應(yīng)力增大，并與磨削加工二次淬火應(yīng)力相疊加，形成二次淬火表層磨削裂紋。 預(yù)防措施為：降低磨削速度和進(jìn)給量，選用緩和磨削冷卻液；嚴(yán)格原材料入庫(kù)和投產(chǎn)前檢查，控制材料共晶碳化物級(jí)別(3級(jí))，超過(guò)3級(jí)者應(yīng)進(jìn)行改鍛；避免過(guò)高奧氏體化淬火加熱溫度，采用計(jì)算機(jī)控溫，采用熱浴分級(jí)淬火、等溫淬火、多次高溫回火等措施降低組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和殘余奧氏體數(shù)量等，可有效避免磨削裂紋。 9 電火花線切割加工顯微裂紋火花放電加工時(shí)，被熔化的金屬有一

13、部分殘留在放電點(diǎn)的電蝕坑周圍。由于電火花加工在油或水中進(jìn)行，因此脈沖放電結(jié)束后熔化金屬迅速冷卻凝固，因收縮而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，使原應(yīng)力場(chǎng)重新分布，形成厚度0.020.10mm的熔化變質(zhì)層。該變質(zhì)層為樹枝狀結(jié)晶鑄態(tài)組織，冷卻后形成二次高溫淬火硬化層，生成大量極穩(wěn)定的殘余奧氏體。變質(zhì)層收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力與變質(zhì)層二次高溫淬火應(yīng)力相疊加，在變質(zhì)層上形成顯微裂紋，且隨著電火花加工電氣參數(shù)的加大而加深擴(kuò)大。 預(yù)防措施為：在電火花線切割加工前應(yīng)充分消除刀具內(nèi)應(yīng)力；嚴(yán)格控制線切割電氣參數(shù)；留足磨削及拋光的加工余量，通過(guò)后續(xù)加工去除變質(zhì)層；通過(guò)150200×24h油浴消除應(yīng)力回火，防止電火花加工時(shí)產(chǎn)生顯微

14、裂紋。 10 回火不當(dāng)引起二次淬火裂紋高速鋼刀具具有高溫回火二次硬化特性。第一次馬氏體淬火后保留了較多殘余奧氏體，高溫回火時(shí)，在回火冷卻過(guò)程中殘余奧氏體相變?yōu)轳R氏體，若在水中或油中快速冷卻，形成二次淬火馬氏體時(shí)將產(chǎn)生較大淬火內(nèi)應(yīng)力；如回火時(shí)采用火焰或高頻快速加熱，表層金屬將發(fā)生收縮，而內(nèi)部依然為馬氏體組織，因比容大而處于膨脹狀態(tài)，從而使表層產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，與一次、二次淬火應(yīng)力疊加，導(dǎo)致因回火不當(dāng)引起二次硬化淬火裂紋。刀具表面脫碳會(huì)加速裂紋的形成。 預(yù)防措施為：在保護(hù)氣氛爐、真空電爐和經(jīng)充分脫氧的鹽浴爐中加熱刀具，可防止氧化脫碳；淬火刀具冷卻至該鋼種Ms點(diǎn)附近時(shí)取出轉(zhuǎn)入緩和冷卻介質(zhì)中，宜在硝鹽熱

15、浴、堿熱浴中分級(jí)淬火、等溫淬火和在理想冷卻介質(zhì)中淬火；低溫(100)入爐回火，緩慢升溫至300后可隨爐升溫至所需回火溫度，高溫回火保溫后出爐空冷至室溫，在回火緩冷過(guò)程中實(shí)現(xiàn)殘余奧氏體(AR)馬氏體(M)相變，避免水冷、油冷，防止產(chǎn)生較大二次淬火應(yīng)力。總之，淬火后及時(shí)回火，防止淬火應(yīng)力萌生與擴(kuò)大；充分回火，獲得穩(wěn)定組織；多次高溫回火，促使殘余奧氏體(AR)馬氏體(M)充分轉(zhuǎn)變，并消除二次淬火應(yīng)力；較長(zhǎng)時(shí)間和合回火，提高抗斷裂韌性和綜合力學(xué)性能等措施均能有效防止回火不當(dāng)引起的二次淬火裂紋。 11 刀具腐蝕目前，我國(guó)高速鋼刀具熱處理工藝的淬火加熱一般在鹽浴爐中進(jìn)行，回火加熱一般在硝鹽浴爐中進(jìn)行。此外必須進(jìn)行酸洗。 1. 刀具淬火局部加熱時(shí)，靠近鹽浴面以上部位與高溫鹽浴揮發(fā)氯氣等有害氣體接觸，不僅易發(fā)生氧化脫碳，而且還會(huì)導(dǎo)致液面與空氣交界處形成一定寬度的帶狀麻點(diǎn)腐蝕。預(yù)防措施為：采用高溫加熱包鹽法，即刀具整體入鹽后，再將局部不淬火加熱部位露出液面，使之包上一層粘附鹽殼，與空氣中的有害氣體隔絕，避免腐蝕。 2. 大型整體刀片在高溫鹽浴爐中淬火加熱時(shí)，因溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，易與鹽浴中氧化鐵(FeO)等有害物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生腐蝕。預(yù)防措施為