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高速钢刀具的热处理裂纹形成的十大原因
高速钢刀具的热处理裂纹主要发生在淬火阶段,相对回火产生的裂纹较少,一般在淬火马氏体形成的过程中。这是由于材料的塑性很低导致的,大多数裂纹形成在表面0.01~1.5mm深的范围内。由于合金元素多、合金碳化物多、导热系数小、冷却速度慢,表面裂纹特征往往呈龟裂状,只有深裂纹才和中碳钢的淬火裂纹一样呈纵向方向,仅在刀具截面转弯处,切口处附近才改变裂纹的方向。
裂纹形成的原因如下:
(1)在马氏体开始转变和终了转变范围内因冷速过大而产生。
在该温度内冷速过大,导致内部温差过大,产生的热应力大。从高温奥氏体到马氏体的体积差也很大,产生组织应力也很大,当应力叠加达到高速钢马氏体的断裂强度1000N/mm?时,就会开裂了。高速钢淬火冷到室温,马氏体转变完成75%~80%,以后的残留奥氏体转变在三次回火过程中进行,淬火介质用油。直接淬火或分级等温后淬水都会开裂。主要是冷速太快,淬火后需要清洗的刀具也应空冷到室温后进行,否则清洗时开裂。
(2)淬火加热温度过高,导致淬火开裂
淬火加热温度过高,即过热,使奥氏体晶粒粗大,淬火后得粗大针状马氏体。由于高速钢淬火马氏体亚结构是孪晶、脆性大,抗断裂强度低;极易开裂、过热裂纹的特征是无方向性,这些裂纹与工件外形和纲中纤维组织方向无关,对于偏析严重或大量存在莱氏体的钢,由于熔点低,在正常加热情况下易过热,故应加强现场工艺试验,实行试淬火制度,试淬检查晶粒不粗大、无开裂时再继续进行淬火。
(3)过高的加热速度会导致淬火裂纹
高速钢含W、Mo、V等强碳化合物形成元素多数导热性极差,过快的加热速度,使里外温差加大,热应力差加大,内外组织转变不同步导致不但组织应力加大,同时在内外交界处形成断裂应力、多种应力叠加,加速开裂过程。故高速钢淬火加热应经过低温、中温两次预热,再入高温炉最终加热保温淬火,预防温差引起的内外热应力过大。同样在淬火冷却时,由于高速钢等温转变图的珠光体和贝氏体分开,在580~620℃时有过冷奥氏体区域,故可在此温度分级或多次分级等温以减少冷却时因内外温差引起的热应力过大。即使直接用油淬火,也应该在高温出炉后先在空气中预冷,然后淬火。
增加粗加工后退火的高速钢刀具由于消除了切削应力并增加了塑性,出现开裂的几率较小。加热速度过高的高速钢刀具即使在空气中冷却也会形成裂纹。
(4)回火工艺不当形成裂纹
一般高速钢刀具淬火后不超过30min即回火,由于淬火时间太长,残存在工件内部的热应力需要释放,少量残留的奥氏体在停留过程中会继续转变成马氏体,结果残留热应力和少量马氏体转变的组织应力叠加导致开裂,所以淬火后不需清洗的刀具在冷却到室温后应立即回火。清洗水温应高于80℃以上。不允许用稀酸清洗表面,否则会降低表面压应力,加速以后的磨削开裂。淬火高速钢刀具残留奥氏体可达25%,故不允许放在低温烘箱中经一夜的去应力处理后到第二天再回火。否则会使奥氏体陈化,回火转变困难,硬度偏低。
(5)刀具几何形状复杂也会形成裂纹
同一刀具厚度悬殊太大,在马氏体转变区间的冷却速度相差较大,会产生很大应力,极易形成开裂。刀具凡有尖角、凹凸、孔洞等处,淬火时都会有应力集中导致产生裂纹,截面过渡圆角半径小于0.3mm,在台阶处因应力集中会形成淬火裂纹。一般淬火马氏体抗压强度大,抗拉强度小,几乎无塑性,一般细长杆状刀具,淬火后切向断裂应力大于纵向断裂应力,故常形成纵向裂纹,在临界淬火尺寸范围内更是如此。高速钢刀具在直径Φ25mm左右也易形成纵向裂纹。刀具凹凸部位的边缘和缝隙往往会形成断裂应力的缺口,更容易形成淬火裂纹,常称作边缘开裂和爪形开裂。过热工件更易在此位置形成淬火裂纹。工件内孔壁一般纵向裂纹较多,是因纤维组织过多或因内孔壁与其他部位因冷却速度不同步而引起的。生产中常用堵孔加热淬火或预冷淬火方法来避免。也可先将孔强冷(滴一滴油或吹风),然后一起淬火可以防止这类裂纹出现。
(6)强碳化物偏析会导致淬火开裂
碳化物若沿晶界分布或呈堆集状都会降低强度和塑性。严重的碳化物偏析,即莱氏体网未充分破碎会使钢具有很低的塑性和强度,淬火时极易开裂。对?40mm以上刀具造成开裂更加明显。高速钢刀具材料中规定应将碳化物偏析程度控制在3~4级,大尺寸刀具材料的偏析级也应尽量低。一般刀具的原材料都应反复锻造,锻造比在8~12,然后再经球化退火可减少偏析。一般偏析较重或颗粒较大的刀具尽量采用下限的淬火加热温度或等温淬火方法,并在冷却到室温后立即回火。
(7)刀具表层化学成分变化会造成开裂
刀具在热处理时,表面的增碳、减碳会造成表面化学成分不均匀。淬火时,因相变时间不一致,会导致形成的马氏体亚结构和尺寸存在差异,表层会产生过大的断裂应力,易形成裂纹。例如,w(C)=0.8%的高速钢的Ms点为150℃,若脱碳会使表面碳的质量分数为w(C)=0.4%,则马氏体的Ms点会达330℃。淬火冷却时,表层会先淬成马氏体,里层因Ms点低,此时表层已形成的马氏体对里层不起压缩作用,当温度降到150℃以下时,内层组织也转变成马氏体时,表层已完全冷却,内层的高碳孪晶马氏体体积会涨大,对表面形成强大的断裂应力,断裂应力大于马氏体抗断强度时即会发生开裂。
若表面出现全脱碳层,淬火后会得到大部分铁素体组织,由于铁素体塑性好,表层又不会开裂,但缺点是硬度较低。
(8)刀具焊缝处会导致淬火开裂
成形铣刀等在柄部为节省高合金钢,常用中碳钢或中碳合金钢焊接。由于焊接温度高,焊缝一侧的高速钢在高温加热后经空冷即会转变成马氏体。另一侧的中碳钢在高温冷却时相当于正火,会得到托氏体组织。由于两种组织的比体积不一样,比体积之差产生组织应力过大会出现开裂。要避免刀具焊缝处在焊后冷却中不开裂,则应在焊后未冷却下来前立即放入700~800℃炉中保温。接着加热扩散退火,退火冷却后焊缝两边都得到珠光体一索氏体组织,此时比体积差小,不易开裂。由于两种材质的电极电位不同,焊后刀具在酸洗时,酸液浓度不应过高,酸洗时间尽量短,以降低酸洗开裂的概率。
高速钢刀具在淬火加热时,焊缝应高出盐浴面10~20mm,分级或淬火时,焊缝处不淬入浴液中,以减少开裂。中小型刀具也可以在中温预热时将焊缝入浴,但高温时不能放入浴炉中。高温加热时,因焊缝在液面上接受浴面高温辐射热和传导热,加速了焊缝两边金属温度的扩散,然后一同入分级浴或淬火,焊缝不但不出现开裂,还会使强度提高15%~20%。
(9)冷处理操作不当造成开裂
高速钢刀具的冷处理是淬火过程的继续,实质上,冷处理会使热应力差进一步加大,再加上低温马氏体塑性差,更易产生冷处理裂纹。小型刀具的开裂一般发生在表层,大型刀具则会在深层处开裂,裂纹的宏观形态同淬火裂纹相似。一般表层脱碳刀具在冷处理时形成线形裂纹较多,内外因含碳量不同在高速钢淬火后,残留奥氏体量会不同。冷处理使内外残留奥氏体转变量不同,在表层出现多向抗力,所以会先在表面形成裂纹。一般可通过缓冷来减少组织应力,以便减少冷处理裂纹。
(10)防止重复淬火开裂
高速钢刀具重复淬火必须经过退火,否则重新加热淬火时会出现萘状断口开裂。钢坯锻造后若空冷未经过退火,同样会在最终淬火时开裂。因为锻后空冷也会得到马氏体组织。
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