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        如何防治高速鋼刀具的熱處理裂紋

        文章出處:青島豐東熱處理責任編輯:熱處理設備小許查看手機網址
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        人氣:-發表時間:2016-06-18 09:00【

        高速鋼刀具的熱處理裂紋主要發生在淬火階段,相對回火產生的裂紋較少,一般在淬火馬氏體形成的過程中。這是由于材料的塑性很低導致的,大多數裂紋形成在表面0. 01~1.5 mm深的范圍內。由于合金元素多、合金碳化物多、導熱系數小、冷卻速度慢,表面裂紋特征往往呈龜裂狀,只有深裂紋才和中碳鋼的淬火裂紋一樣呈縱向方向,僅在刀具截面轉彎處,切口處附近才改變裂紋的方向。

        裂紋形成的原因如下:

        1)在馬氏體開始轉變和終了轉變范圍內因冷速過大而產生。

        在該溫度內冷速過大,導致內部溫差過大,產生的熱應力大。從高溫奧氏體到馬氏體的體積差也很大,產生組織應力也很大,當應力疊加達到高速鋼馬氏體的斷裂強度1000N/mm²時,就會開裂了。高速鋼淬火冷到室溫,馬氏體轉變完成75%~80%,以后的殘留奧氏體轉變在三次回火過程中進行,淬火介質用油。直接淬火或分級等溫后淬水都會開裂。主要是冷速太快,淬火后需要清洗的刀具也應空冷到室溫后進行,否則清洗時開裂。

        2)淬火加熱溫度過高,導致淬火開裂

        淬火加熱溫度過高,即過熱,使奧氏體晶粒粗大,淬火后得粗大針狀馬氏體。由于高速鋼淬火馬氏體亞結構是孿晶、脆性大,抗斷裂強度低;極易開裂、過熱裂紋的特征是無方向性,這些裂紋與工件外形和綱中纖維組織方向無關,對于偏析嚴重或大量存在萊氏體的鋼,由于熔點低,在正常加熱情況下易過熱,故應加強現場工藝試驗,實行試淬火制度,試淬檢查晶粒不粗大、無開裂時再繼續進行淬火。

        3)過高的加熱速度會導致淬火裂紋

        高速鋼含W、Mo、V等強碳化合物形成元素多數導熱性極差,過快的加熱速度,使里外溫差加大,熱應力差加大,內外組織轉變不同步導致不但組織應力加大,同時在內外交界處形成斷裂應力、多種應力疊加,加速開裂過程。故高速鋼淬火加熱應經過低溫、中溫兩次預熱,再入高溫爐最終加熱保溫淬火,預防溫差引起的內外熱應力過大。同樣在淬火冷卻時,由于高速鋼等溫轉變圖的珠光體和貝氏體分開,在580~620℃時有過冷奧氏體區域,故可在此溫度分級或多次分級等溫以減少冷卻時因內外溫差引起的熱應力過大。即使直接用油淬火,也應該在高溫出爐后先在空氣中預冷,然后淬火。

        增加粗加工后退火的高速鋼刀具由于消除了切削應力并增加了塑性,出現開裂的幾率較小。加熱速度過高的高速鋼刀具即使在空氣中冷卻也會形成裂紋。

        4)回火工藝不當形成裂紋

        一般高速鋼刀具淬火后不超過30min即回火,由于淬火時間太長,殘存在工件內部的熱應力需要釋放,少量殘留的奧氏體在停留過程中會繼續轉變成馬氏體,結果殘留熱應力和少量馬氏體轉變的組織應力疊加導致開裂,所以淬火后不需清洗的刀具在冷卻到室溫后應立即回火。清洗水溫應高于80℃以上。不允許用稀酸清洗表面,否則會降低表面壓應力,加速以后的磨削開裂。淬火高速鋼刀具殘留奧氏體可達25%,故不允許放在低溫烘箱中經一夜的去應力處理后到第二天再回火。否則會使奧氏體陳化,回火轉變困難,硬度偏低。

        5)刀具幾何形狀復雜也會形成裂紋

        同一刀具厚度懸殊太大,在馬氏體轉變區間的冷卻速度相差較大,會產生很大應力,極易形成開裂。刀具凡有尖角、凹凸、孔洞等處,淬火時都會有應力集中導致產生裂紋,截面過渡圓角半徑小于0.3 mm,在臺階處因應力集中會形成淬火裂紋。一般淬火馬氏體抗壓強度大,抗拉強度小,幾乎無塑性,一般細長桿狀刀具,淬火后切向斷裂應力大于縱向斷裂應力,故常形成縱向裂紋,在臨界淬火尺寸范圍內更是如此。高速鋼刀具在直徑Φ25mm左右也易形成縱向裂紋。刀具凹凸部位的邊緣和縫隙往往會形成斷裂應力的缺口,更容易形成淬火裂紋,常稱作邊緣開裂和爪形開裂。過熱工件更易在此位置形成淬火裂紋。工件內孔壁一般縱向裂紋較多,是因纖維組織過多或因內孔壁與其他部位因冷卻速度不同步而引起的。生產中常用堵孔加熱淬火或預冷淬火方法來避免。也可先將孔強冷(滴一滴油或吹風),然后一起淬火可以防止這類裂紋出現。

        6)強碳化物偏析會導致淬火開裂

        碳化物若沿晶界分布或呈堆集狀都會降低強度和塑性。嚴重的碳化物偏析,即萊氏體網未充分破碎會使鋼具有很低的塑性和強度,淬火時極易開裂。對Φ40mm以上刀具造成開裂更加明顯。高速鋼刀具材料中規定應將碳化物偏析程度控制在3~4級,大尺寸刀具材料的偏析級也應盡量低。一般刀具的原材料都應反復鍛造,鍛造比在8~12,然后再經球化退火可減少偏析。一般偏析較重或顆粒較大的刀具盡量采用下限的淬火加熱溫度或等溫淬火方法,并在冷卻到室溫后立即回火。

        7)刀具表層化學成分變化會造成開裂

        刀具在熱處理時,表面的增碳、減碳會造成表面化學成分不均勻。淬火時,因相變時間不一致,會導致形成的馬氏體亞結構和尺寸存在差異,表層會產生過大的斷裂應力,易形成裂紋。例如,w(C)=0.8%的高速鋼的Ms點為150℃,若脫碳會使表面碳的質量分數為w(C) =0.4%,則馬氏體的Ms點會達330℃。淬火冷卻時,表層會先淬成馬氏體,里層因Ms點低,此時表層已形成的馬氏體對里層不起壓縮作用,當溫度降到150℃以下時,內層組織也轉變成馬氏體時,表層已完全冷卻,內層的高碳孿晶馬氏體體積會漲大,對表面形成強大的斷裂應力,斷裂應力大于馬氏體抗斷強度時即會發生開裂。

        若表面出現全脫碳層,淬火后會得到大部分鐵素體組織,由于鐵素體塑性好,表層又不會開裂,但缺點是硬度較低。

        8)刀具焊縫處會導致淬火開裂

        成形銑刀等在柄部為節省高合金鋼,常用中碳鋼或中碳合金鋼焊接。由于焊接溫度高,焊縫一側的高速鋼在高溫加熱后經空冷即會轉變成馬氏體。另一側的中碳鋼在高溫冷卻時相當于正火,會得到托氏體組織。由于兩種組織的比體積不一樣,比體積之差產生組織應力過大會出現開裂。要避免刀具焊縫處在焊后冷卻中不開裂,則應在焊后未冷卻下來前立即放入700~ 800℃爐中保溫。接著加熱擴散退火,退火冷卻后焊縫兩邊都得到珠光體一索氏體組織,此時比體積差小,不易開裂。由于兩種材質的電極電位不同,焊后刀具在酸洗時,酸液濃度不應過高,酸洗時間盡量短,以降低酸洗開裂的概率。

        高速鋼刀具在淬火加熱時,焊縫應高出鹽浴面10~ 20mm,分級或淬火時,焊縫處不淬入浴液中,以減少開裂。中小型刀具也可以在中溫預熱時將焊縫入浴,但高溫時不能放入浴爐中。高溫加熱時,因焊縫在液面上接受浴面高溫輻射熱和傳導熱,加速了焊縫兩邊金屬溫度的擴散,然后一同入分級浴或淬火,焊縫不但不出現開裂,還會使強度提高15%~20%。

        9)冷處理操作不當造成開裂

        高速鋼刀具的冷處理是淬火過程的繼續,實質上,冷處理會使熱應力差進一步加大,再加上低溫馬氏體塑性差,更易產生冷處理裂紋。小型刀具的開裂一般發生在表層,大型刀具則會在深層處開裂,裂紋的宏觀形態同淬火裂紋相似。一般表層脫碳刀具在冷處理時形成線形裂紋較多,內外因含碳量不同在高速鋼淬火后,殘留奧氏體量會不同。冷處理使內外殘留奧氏體轉變量不同,在表層出現多向抗力,所以會先在表面形成裂紋。一般可通過緩冷來減少組織應力,以便減少冷處理裂紋。

        10)防止重復淬火開裂

        高速鋼刀具重復淬火必須經過退火,否則重新加熱淬火時會出現萘狀斷口開裂。鋼坯鍛造后若空冷未經過退火,同樣會在最終淬火時開裂。因為鍛后空冷也會得到馬氏體組織。

        此文關鍵字:熱處理 熱處理裂紋

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