高速钢刀具淬火裂纹的原因分析及预防措施

优胜编程龚老师

高速钢刀具淬火裂纹的原因分析及预防措施：



高速钢属莱氏体钢，含有大量合金元素，冶炼后形成大量一次共晶碳化物和二次碳化物 ( 约占成分总量的 18% ～ 22%) ，这对高速钢刀具的淬火质量及使用寿命有很大影响。高速钢淬火温度接近熔点，淬火后组织中仍有 25% ～ 35% 的残余奥氏体，致使高速钢刀具容易产生裂纹和腐蚀。下面分析影响高速钢刀具淬火裂纹和腐蚀的原因，并提出相应预防措施。
　　1 高速钢原材料的冶金缺陷
　　高速钢中所含大量碳化物硬而脆，为脆性相。一次共晶碳化物呈粗大骨骼状 ( 或树枝状 ) 分布于钢基体内。钢锭经开坯压延和轧制后，合金碳化物虽有一定程度的破碎和细化，但碳化物偏析依然存在，并沿轧制方向呈带状、全网状、半网状或堆积状分布。碳化物不均匀度随原材料直径或厚度的增加而增加。共晶碳化物相当稳定，常规热处理很难消除，可导致应力集中而成为淬火裂纹源。钢中硫、磷等杂质偏析或超标也是导致淬裂的重要原因。高速钢的导热性和热塑性差、变形抗力大，热加工时易导致金属表层和内层形成微裂纹，最终在淬火时因裂纹扩展而导致材料报废。大型钢锭在冶炼、轧制或锻造等热加工过程中形成的宏观冶金缺陷如疏松、缩孔、气泡、偏析、白点、树枝状结晶、粗晶、夹杂、内裂、发纹、大颗粒碳化物及非金属夹渣等均易导致淬火时应力集中，当应力大于材料强度极限时便会产生淬火裂纹。
　　预防措施为：
　　①选用小钢锭开坯轧制各种规格的刀具原材料；
　　②选用二次精炼电渣重熔钢锭，它具有纯度高、杂质少、晶粒细、碳化物小、组织均匀、无宏观冶金缺陷等优点；
　　③对不合格原材料进行改锻，击碎材料中的共晶碳化物，使共晶碳化物不均匀度≤ 3 级；
　　④采取高温分级淬火、再高温回火的预处理工艺，通过精确控温等措施，可有效避免高速钢原材料冶金缺陷引起的淬火裂纹。
　　2 高速钢过热、过烧组织
　　高速钢过热、过烧组织的特点为晶粒显著粗化，合金碳化物出现粘连、角状、拖尾状及沿晶界呈全网状、半网状或连续网状分布；钢组织内部局部熔化出现黑色组织或共晶莱氏体，形成过烧组织，显著降低晶间结合力和钢的强韧性。引起高速钢过热、过烧组织的主要原因有：淬火加热温度过高，测温和控温仪表失准；盐浴炉淬火加热时，因盐浴表面烟雾导致辐射高温计测温出现误差；变压配电盘磁力开关失灵；刀具加热时离电极太近或埋入炉底沉积物中；原材料存在大量角状碳化物或碳化物不均匀度等级太高等。高速钢过热、过烧组织极易导致淬火裂纹。
　　预防措施为：
　　①严格控制原材料质量，共晶碳化物级别应≤ 3 ～ 3.5 级；
　　②原材料入库和投产前应作金相检查，确保无宏观冶金缺陷；
　　③刀具淬火加热前用试片校验高温盐浴炉，检查晶粒等级与淬火加热温度的关系是否合理 ( 参见表 1) ；
　　④采用微机控温与测温，测温精度达到± 1.5 ℃。
　　W6Mo5Cr4V2 高速钢碳化物级别与过热淬火加热温度
　　共晶碳化物
　　不均匀度等级
　　出现过热 ( 晶粒度 8 # ) 的
　　 淬火温度 ( ± 5 ℃  )
　　≤ 3
　　1260 ℃
　　3.5
　　1250 ℃
　　4.5
　　1245 ℃
　　7.5
　　1240 ℃
　　8.5
　　1230 ℃
　　3 萘状断口
　　萘状断口是高速钢常见的组织缺陷，断口呈鱼鳞状，类似大理石，具有萘的光泽，断口极粗糙，晶粒粗大 ( 可达 1mm) 。由于材料脆性大，强韧性低，高温奥氏体化淬火时容易形成淬火裂纹。在热锻、轧制、压延等热加工时，经 1050 ～ 1100 ℃高温奥氏体化，热塑性变形在 5% ～ 10% 临界变形、精锻温度不当及重复淬火时未经中间退火 ( 或退火不充分 ) 等因素均易形成萘状断口，导致淬火裂纹。
　　预防措施为：
　　①合理选择精锻温度，严格控制终锻温度 ( ≤ 1000 ℃ ) ，锻后缓冷；
　　②锻坯淬火前应充分退火；
　　③避免在 5% ～ 10% 临界变形；
　　④进行超晶粒细化处理等。采取以上措施可有效抑制高速钢萘状断口的形成，避免产生淬火裂纹。
　　4 机械设计与冷加工不当引起应力集中
　　刀具厚薄不均、因棱角、锐边、尖角、沟槽、孔、凸台等形状突变而产生缺口效应以及冷加工表面粗糙、刀纹较深、存在碰伤及打标记等均可导致高速钢刀具淬火时应力集中，从而诱发淬火裂纹。如刀具淬火前存在较大冷加工内应力 ( 尤其是磨削内应力 ) 未予消除，在淬火加热和冷却时将形成多种应力叠加，当叠加应力超过材料强度极限时，将产生淬火裂纹和畸变。
　　预防措施为：
　　①改进刀具设计，使刀具形状合理、厚薄均匀。厚处可开工艺孔，薄处可增加肋条，变形悬殊处可制成斜坡；
　　②将刀具的棱角、直角、尖角倒圆，孔口处倒角；
　　③冷加工表面光洁度应达到设计要求，防止产生粗大刀纹，用万能笔书写标记；
　　④淬火前通过退火消除冷加工内应力；
　　⑤采用热浴分级淬火、等温淬火等工艺减少组织应力和热应力，避免应力集中。
　　5 淬火内应力与淬火冷却介质
　　高速钢的组织应力、热应力和附加应力均为淬火内应力。对高速钢进行高温奥氏体化淬火时，过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢从收缩状态逆转为膨胀状态，金属内外层相变引起的比容变化不同时产生的内应力为组织应力。大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力为热应力。刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形不一致形成的内应力为附加应力。当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。当淬火冷却介质冷速过大，超过该钢种的临界淬火冷速时，则易形成较大的淬火内应力，导致刀具淬裂。当淬火冷却介质冷速过小，小于该钢种临界淬火冷速时，则得不到所需组织性能。获得淬火马氏体转变的最小冷却速度为临界淬火冷却速度。高速钢淬透性极佳，中小型刀具空冷即可淬硬。但用硝盐进行等温淬火时，如硝盐含水过量，可能造成淬火冷却速度过大，或当刀具淬火未冷至室温即转入水中清洗，可使大量过冷残余奥氏体在水中高冷速下转变为淬火马氏体，从而产生大的淬火内应力，导致刀具淬裂。
　　预防措施为：
　　①选用在钢的 C 曲线拐点处 ( 鼻部 ) 快冷、在鼻部 Ms 点以下缓冷的淬火介质 ( 如氯化钙饱和水溶液、有机淬火剂、聚乙烯醇水溶液、高锰酸钾淬火液等 ) 作为理想淬火冷却介质；
　　②采用热浴 ( 硝盐浴、碱浴等 ) 分级淬火、等温淬火以及淬火前预处理等措施，细化组织，消除冷、热加工应力，可有效预防和避免淬裂和刀具淬火畸变。
　　6 氢脆
　　高速钢刀具酸洗、电镀时侵入钢中的初生态氢 (H) 原子转变为氢分子 (H2) 时将发生膨胀，产生巨大压力，导致在钢的晶界上发生龟裂，称为氢脆。酸洗是金属氧化物与酸的化学反应，它使金属氧化物变为可溶性盐而脱离金属表层。淬火高速钢有强烈的酸洗氢脆龟裂倾向。通常用硫酸或盐酸酸洗刀具时，其化学反应方程式为
　　FeO+H2SO4<====>FeSO4+H2O
　　FeO+HCl<====>FeCl+H2O
　　Fe+H2SO4 —→ FeSO4+H2 ↑
　　Fe+HCl —→ FeCl+H2 ↑
　　预防措施为：
　　①酸洗时，如产生过量初生态氢原子 (H) ，则需严格控制酸液浓度、温度和酸洗时间；
　　②刀具酸洗和电镀后及时用净水冲洗和中和残酸，并在 4 小时内进行 190 ～ 200 ℃× 2 ～ 4h 的低温时效，使氢气释放，可有效消除氢脆龟裂。
　　7 冷处理裂纹
　　高速钢刀具经高温奥氏体化，保温后在大于或等于该钢种的临界冷却速度下淬火得到淬火马氏体组织，但尚有部分过冷奥氏体未转变，成为残余奥氏体 (AR)( 约占 25% ～ 35%) 。若再进行 -60 ℃～ -160 ℃的液氮冷处理，则可使残余奥氏体转变为马氏体 (M) 。由于残余奥氏体比容小，马氏体比容大，钢件发生膨胀，将产生较大的二次淬火相变组织应力，并与一次淬火应力叠加，当叠加应力大于该钢种的破断抗力，则会产生冷处理二次淬裂。
　　预防措施为：
　　①冷处理前将淬火刀具用 100 ℃沸水煮 30 ～ 40 分钟，或低温回火 1 小时。试验表明，此方法可消除 20% ～ 30% 的淬火内应力。由于残余奥氏体稍趋稳定，经冷处理后仍可保留 2% ～ 5% 。残余奥氏体既脆又韧，可吸收马氏体的急剧膨胀能量，松驰及缓和相变应力；
　　②冷处理后将刀具放入室温水 ( 或热水 ) 中升温，可消除 50% ～ 60% 的冷处理二次淬火应力；
　　③采用多次高温回火等措施，促使残余奥氏体转变为马氏体，可有效预防冷处理裂纹。
　　8 磨削裂纹
　　高速钢磨削裂纹常发生在磨削加工过程中，裂纹细而浅 ( 深度不到 1mm) ，呈辐射网状分布于表面，大多与磨削方向垂直，类似淬火网状裂纹，但形成原因不同。当磨削速度较高、进给量较大、冷却不良时，可使钢件表层金属温度急剧升高至淬火加热温度，随后冷却即形成金属表层二次淬火，产生二次淬火应力；当材料存在严重的碳化物偏析未予消除，或淬火刀具中存在较多残余奥氏体未被转变，在磨削加工时则易发生应力诱发相变，促使残余奥氏体转变为马氏体，使组织应力增大，并与磨削加工二次淬火应力相叠加，形成二次淬火表层磨削裂纹。
　　预防措施为：
　　①降低磨削速度和进给量，选用缓和磨削冷却液；
　　②严格原材料入库和投产前检查，控制材料共晶碳化物级别 ( ≤ 3 级 ) ，超过 3 级者应进行改锻；
　　③避免过高奥氏体化淬火加热温度，采用计算机控温，采用热浴分级淬火、等温淬火、多次高温回火等措施降低组织应力、热应力和残余奥氏体数量等，可有效避免磨削裂纹。
　　9 电火花线切割加工显微裂纹
　　火花放电加工时，被熔化的金属有一部分残留在放电点的电蚀坑周围。由于电火花加工在油或水中进行，因此脉冲放电结束后熔化金属迅速冷却凝固，因收缩而产生较大拉应力，使原应力场重新分布，形成厚度 0.02 ～ 0.10mm 的熔化变质层。该变质层为树枝状结晶铸态组织，冷却后形成二次高温淬火硬化层，生成大量极稳定的残余奥氏体。变质层收缩产生的拉应力与变质层二次高温淬火应力相叠加，在变质层上形成显微裂纹，且随着电火花加工电气参数的加大而加深扩大。
　　预防措施为：
　　①在电火花线切割加工前应充分消除刀具内应力；
　　②严格控制线切割电气参数；
　　③留足磨削及抛光的加工余量，通过后续加工去除变质层；
　　④通过 150 ～ 200 ℃× 2 ～ 4h 油浴消除应力回火，防止电火花加工时产生显微裂纹。
　　10 回火不当引起二次淬火裂纹
　　高速钢刀具具有高温回火二次硬化特性。第一次马氏体淬火后保留了较多残余奥氏体，高温回火时，在回火冷却过程中残余奥氏体相变为马氏体，若在水中或油中快速冷却，形成二次淬火马氏体时将产生较大淬火内应力；如回火时采用火焰或高频快速加热，表层金属将发生收缩，而内部依然为马氏体组织，因比容大而处于膨胀状态，从而使表层产生较大拉应力，与一次、二次淬火应力叠加，导致因回火不当引起二次硬化淬火裂纹。刀具表面脱碳会加速裂纹的形成。