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近年來，我國的模具工業(yè)發(fā)展迅速，每年以15%的速度向前挺進。由于人才匱乏，技術落后，模具制造周期長，質(zhì)量差，成本高，模具壽命不盡人意。據(jù)統(tǒng)計分析，在模具失效諸多因素中，材料和熱處理因素約占70%，其中裂紋就占了大頭，所以研究和解決裂紋問題，很有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。以下結合作者個人體會，談談模具生產(chǎn)制造中的裂紋問題。
原材料裂紋
按理講，模具材料出廠都應該進行探傷等手段檢查裂紋，但由于市場不規(guī)范，假冒偽劣猖獗，原材料裂紋屢見不鮮，經(jīng)銷商雖作索賠，但浪費了不少口舌或貽誤了戰(zhàn)機。
模具材料已有國家標準和行業(yè)標準有GB/T 1299—2000《合金工具鋼》、GB/T 9943—20008《高速工具鋼》、JB/T 0057—1992《塑料模具成型部分用鋼及其熱處理技術條件》、YB/T 094—1997《塑料模具用扁鋼》、YB/ T 107—1997《塑料模具熱軋厚鋼板》、YN/T 129—1997《塑料模具鋼模塊技術條件》等。
這里應該特別指出的是原材料表面拉絲痕跡或軋制痕跡深度往往會超過上述標準中的規(guī)定，在熱處理前一定要它們切削加工掉，否則在淬火時有可能成為裂紋源。特別是圓沖頭、沖棒之類的模具，制造廠往往為了節(jié)約原材料，加工余量過小，結果將得不償失。
原材料碳化物不均勻度超標、大塊碳化物、碳化物堆積等在淬火時應更加防范，否則有可能產(chǎn)生裂紋。
鍛造裂紋
不少模具都要經(jīng)過改鍛，實踐證明，鍛造裂紋實例不少，特別是高合金、高速鋼模具鍛造退火后，除檢查金相、硬度外，對表面質(zhì)量應嚴格把關。熱處理專業(yè)廠對外來鍛造模具，應指派有實踐的師傅檢查裂紋,如原本已裂，一旦經(jīng)淬火處理，明明不是熱處理之過，但也很難證明自己是清白的。雖然可以分析是火前過失，但客戶不一定認帳。
鍛造致裂的因素有10多個方面，我們熱處理工作者一定要了解鍛造裂紋產(chǎn)生的原因及其部位，并會檢查，這樣可以省去很多麻煩。
預處理裂紋
為了提高模具的壽命，有些企業(yè)采用正火、球化退火或調(diào)質(zhì)。前者是不會產(chǎn)生裂紋的。調(diào)質(zhì)有可能致裂。模具材料的含碳量大多在0.60%以上，淬火時獲得的組織以片狀馬氏體為主，這種馬氏體片與片之間大致呈50°夾角，而且馬氏體片在瞬時形成時以1500～2000m/s的速度與相鄰的馬氏體片發(fā)生撞擊。這種馬氏體片薄而長，脆性大，極易形成“穿片型”顯微裂紋。
這種裂紋即使在700℃左右長時間高溫回火，也不能使之愈合。對于模具鋼要不要調(diào)質(zhì)處理，國內(nèi)外學者觀點不一。日本田村今男認為，對于模具鋼，尤其是高碳模具鋼，最多只能重淬一次。原因是每淬火一次，便會產(chǎn)生一批量顯微裂紋。按照此理論推斷，先調(diào)質(zhì)后淬火，實質(zhì)上是一種重復淬火的實施過程。所以這種工藝規(guī)范極易在最終淬火時產(chǎn)生宏觀的熱處理裂紋。有人曾對CrWMn鋼作缺口開裂敏感性試驗，證明確有這種傾向。
由此看來，為了減少最終熱處理淬火開裂，預處理應慎施調(diào)質(zhì)工藝。如果模具設計得相當復雜而其毛坯必須施以調(diào)質(zhì)時，也應該改變傳統(tǒng)的高淬高回工藝，而應采取較低的淬火溫度，或者采用等溫淬火或分級淬火，防止發(fā)生裂紋。
在涉及模具重復淬火致裂問題時，還有一個問題不可小視，就是返工模具的再淬火，不管是由于硬度低或變形超差之故造成的返工，都應該把返工原因找準，并制訂防犯措施，不讓錯誤重演。因為重淬，不僅會產(chǎn)生開裂，更重要的是和節(jié)能減排方針背道而弛。
淬火開裂
據(jù)不完全統(tǒng)計，淬火裂紋占熱處理廢品40%～50%，所以研究和解決淬火裂紋對提高模具壽命，增加經(jīng)濟效益有現(xiàn)實意義。
在熱處理過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋，不一定都是熱處理所為，諸如原材料裂紋、鍛造裂紋、焊接裂紋、酸洗裂紋，以及后續(xù)的磨削裂紋、線切割裂紋等。這里所述的裂紋，純屬淬火所致，如果沒有被淬上火，就不會產(chǎn)生裂紋。
1 .淬火裂紋發(fā)生的部位
淬火裂紋大多發(fā)生在工件的尖角、階梯部位、壁厚突變處、孔洞、鍵槽、鍛模的分型面等地方。另外，過深的切削痕、沖壓痕、鉗工劃線過深等應力較集中的位置也容易形成淬火裂紋。
2. 淬火裂紋的類型及特征
模具淬火時，由于多種因素的影響，進行組織轉變時形成的內(nèi)應力是比較復雜的，所以產(chǎn)生的裂紋也是千姿百態(tài)，但可概括為五大類。
（1）縱向裂紋。
這種裂紋最常見，它是從工件的表面向心部發(fā)展，其部分方向沿工件的縱向。這種裂紋一般比較深，而且比較直、長，常發(fā)生于完全淬透的截面尺寸較大的高合金模具和截面尺寸6～20mm碳鋼件。
（2）弧形裂紋。
這種裂紋首先產(chǎn)生于工件的內(nèi)部，即在淬硬層與未淬硬層至高硬度的心部之間受拉力作用的部位，隨后發(fā)展至表面，對未完全淬透截面尺寸較大的高碳鋼零件，常發(fā)生這種弧形裂紋，工件有尖角、邊孔和凹槽，也會發(fā)生掉角的弧形裂紋。高碳鋼板狀工件，如淬火冷卻產(chǎn)生軟點，其周邊產(chǎn)生很大的拉應力，也可能引起弧形裂紋。
（3）網(wǎng)狀裂紋。
這種裂紋位于淬火件的表面，深度較淺，一般1mm左右，裂紋的分布與工件的形狀無關。表面脫碳的高碳鋼工件，淬火后易形成此類裂紋。
（4）剝層裂紋。
這類裂紋常發(fā)生于滲碳淬火件和高頻淬火件。裂紋沿淬硬層的過渡區(qū)域在淬硬層形成，因而它的分布是平行于表面，嚴重時造成表層剝落。
（5）顯微裂紋。
這種裂紋與上述四種裂紋不同，它分布在晶界上或馬氏體針的交界處，它雖不能導致工件形成宏觀裂紋，但會顯著降低鋼的強度和韌性，使模具在使用過程中早期失效。
3. 淬裂原因分析
工件在淬火時必然會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，此應力就是急冷的熱應力與馬氏體相變組織應力兩者和（但不等兩者相加）。熱應力產(chǎn)生于奧氏體化溫度（TA）至馬氏體開始轉變點（MS）的不均勻急冷，而組織應力則有馬氏體轉變MS→Mf產(chǎn)生的。如果綜合應力超過了鋼的抗斷裂強度極限時，則就會發(fā)生淬裂。
在TA→MS間由于急冷不均勻，冷卻慢的部位受到壓縮作用，而產(chǎn)生拉應力，與此相反，在TA→MS之間的冷卻不均勻，冷卻慢的部位受到拉伸作用，而產(chǎn)生壓應力。這種拉伸和壓縮作用，存在與工件缺口或凹槽部位，就有可能引起淬裂。如果沒有缺口、凹槽這些應力較集中的地方，即使有應力也不一定會淬裂。
通過改善工件的形狀和優(yōu)化冷卻工藝，可以減輕工件表面冷卻的不均勻性，而消除零件內(nèi)、表冷卻的不均勻性，對于較小或很小模具，或許能做到，但一般情況下幾乎不可能。為達到此目的，除在MS→Mf間緩冷外，別無他法。為了淬硬，必須在TA→MS間快冷，而在MS→Mf間緩冷，從而達到既可淬硬又無開裂的淬火目的。
即使材質(zhì)完全一樣，但制成的模具形狀各異，淬火效果大不相同。另外，在實驗室進行淬火，淬裂的幾率很小，是由于單件淬火相對均勻，而批量淬火，淬裂現(xiàn)象彼彼皆是，而不用夾具改為單件淬，又不會淬裂。這些現(xiàn)象足以說明，淬裂是由于冷卻不均勻造成的。任何類型的淬裂，都是在拉應力的作用下產(chǎn)生的，因此，完全可以這樣說，淬火件內(nèi)部存在較大的拉應力，是促使裂紋的主要危險。
4. 防止淬裂的主要措施
以往在分析淬裂原因時，往往會羅列一大堆現(xiàn)象，把能產(chǎn)生裂紋的原因都列出來，眉毛胡子一把抓，重點不突出，淬裂的真正原因找不準，甚至搞錯，“冤假錯案”時有發(fā)生。
鑒于淬裂是在淬上火的部位，急冷不均勻形成應力是根本原因的事實，應在TA→MS區(qū)間均勻急冷是先決條件，這一點非常重要，但要做到，談何容易？如果在MS附近的某個時候控制冷卻，使之有快冷轉為慢冷，由收縮轉為伸展，且能均勻冷卻，那就不會引起淬裂，就是人們常用的分級淬火和等溫淬火。
MS點以下切忌急冷，應予緩冷。緩冷接近于均勻冷卻，能減少拉應力，使裂紋難于形成。水淬被公認為淬裂的元兇，實在是冤枉，假如能作到均勻冷卻，即使水淬也不會開裂，如噴射淬火等。
在生產(chǎn)現(xiàn)場，我們經(jīng)?？吹?，人們對預料會淬裂的部位，采用堵耐火泥或塞石棉等緩冷辦法，對減少和防止淬裂有一定的作用，然而，這只是消極的辦法，最根本的措施應在淬火介質(zhì)上做文章，如控制淬火油的溫度就收到成效。
淬火裂紋是在冷卻過程中產(chǎn)生和發(fā)展起來的，所以正確地選擇淬火介質(zhì)，了解各種模具的冷卻特性，使之在比較理想的介質(zhì)中冷卻，是解決淬火裂紋的根本途徑。
磨削裂紋
磨削裂紋的形狀與磨削方向、模具的幾何形狀、金相組織有密切的關系。平行的裂紋與磨削的方向成90°，網(wǎng)狀裂紋一般沿晶界或網(wǎng)狀碳化物處分布，放射性裂紋多見于模具的凹坑夾角處。
有人曾做過磨削的顏色—磨削后的硬度—磨削開裂的模擬試驗。對于碳素工具鋼來說，當工件表面因磨削熱而氧化成深藍色氧化膜時，其表面硬度比未磨削者低2HRC左右。并且當磨削表面由藍色轉變成平行相間的焦褐色條紋時，工件淺表面便有與這些條紋方向一致的互相平行的微裂紋出現(xiàn),這些焦褐色的條紋或裂紋都跟磨削方向相垂直。對于高合金模具來說，情況就復雜一些。當模具內(nèi)有嚴重的碳化物偏析帶、或沿晶界析出有嚴重的碳化物、或有較多的殘留奧氏體時，都能使工件在正常的磨削條件下出現(xiàn)磨削裂紋。
磨削裂紋一般都是人為造成的，概括起來有如下幾個方面：
（1）吃刀量大。現(xiàn)在都是計件工資，為了在單位時間內(nèi)多干一點活，素質(zhì)不高的操作者有時會加大切刀量，造成瞬時溫度高升，內(nèi)部組織發(fā)生變化并產(chǎn)生熱應力。
（2）走刀速度過慢 實踐證明，在同樣進給情況下，走刀速度慢熱量不易散出，容易造成磨退火甚至磨裂。
（3）砂輪鈍化。砂輪使用一段時間必須打磨，如果不及時修磨必然會鈍化，此時只能在模具表面產(chǎn)生磨擦，其動能大部分轉變成熱能，使模具被磨退火甚至磨裂。
（4）冷卻方法。有些干磨不加冷卻液，也有濕磨的。如果運用不當，如被磨表面溫度很高時，突然用冷卻液或停止冷卻，因急速熱脹冷縮產(chǎn)生的應力可能致裂。
（5）回火不良。回火不合格的模具組織中有較多的殘留奧氏體，在磨削過程中殘留奧氏體有向馬氏體轉變的傾向，體積膨脹導熱性差。容易造成磨裂。
除上述5種原因外，還有一些非正常因素，只要認真對待，完全可以避免或減少磨裂現(xiàn)象。
電加工裂紋
點火花加工最適合于非回轉體的復雜型腔模具，但是，不當?shù)狞c火花加工也會使模具產(chǎn)生開裂。線切割大量用于模具加工，產(chǎn)生開裂現(xiàn)象較多，主要原因有三方面：
（1）被切割表面產(chǎn)生二次淬火層，其厚度約0.01～0.05mm；
（2）模具內(nèi)部的顯微裂紋是誘發(fā)模具線切割開裂的因素；
（3）線切割造成的人為創(chuàng)傷，更容易導致應力集中，終至開裂。
為了減少和避免電加工產(chǎn)生的開裂，設計人員、熱處理、電加工人員要相互配合，熱處理盡量采用分級淬火等溫淬火，回火一定要充分，有條件的單位建議采用冰冷處理，將殘留奧氏體降低最低限。
其他裂紋
除了上述6種因素外，模具在生產(chǎn)制造過程中，還有一些因素會致裂。如高硬度模具酸洗時，操作不當，裂紋現(xiàn)象也是不少的。筆者認為，56HRC以上的模具不可以酸洗，應用水煮、水噴砂等方法去除表面贓物。60HRC以上的小模具，且有溝、槽、孔的模具，不宜用1470N（150kgf）負荷檢查硬度，應用HRA或表面洛氏硬度計檢測，因為打HRC致裂的先例不少，應引起重視。
盡管在生產(chǎn)制造過程有這么多因素使模具致裂，但只有我們認真對待，并把好容易致裂每道關卡，就完全使模具不開裂、高壽命。世上無難事，只怕有心人。
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