5CrMnMo淬火裂纹的研究

5CrMnMo淬火裂纹的研究

任建国 候爱琴 张学萍 (沈阳工业学院，沈阳110015)

摘要：通过对5CrMnMo钢制模具淬火裂纹的研究，讨论了断裂性质和产生裂纹的因素等问题，提出为防止开裂、合理选择淬火介质和淬火方式，从而改善模具热处理组织和性能。 关键词：模具，淬火裂纹，热处理。 0引言

5CrMnMo钢是目前广泛应用的低耐热高韧性热作模具钢。由于热作模具尺寸较大，给热处理工艺和操作带来许多困难，导致锻模在热处理过程中易出现开裂现象。引起热作模具开裂的原因很多，本文通过对一批热处理后出现裂断的SCrMnMo钢制模具的断口分析找出开裂原因，从而改善模具的内在质量。 1 成分、热处理工艺和断裂情况 1.1 化学成分

0.50%～0.60%C；0.60%～0.90%Cr；0.15%～0.30%Mo；1.2%～1.6%Mn；0.25%～0.60%Si；S、P<0.03%。 1.2 热处理工艺

热处理工艺规范见图1。

图1 热处理工艺规范

1.3 模具尺寸 模具尺寸见图2。

图2 模具尺寸

1.4 热锻模制造工艺路线及断裂情况

锻造→退火→加工成型→淬火→回火→修型→抛光。成品在第一次使用中就发生了断裂，碎块主要集中在模具的模体与燕尾结合处，致使锻模报废。 2 组织与性能检测 2.1 金相检验

在断口附近分别取与断口平行和垂直的剖面作金相分析，结果表明，断口处金相组织为粒状贝氏体、铁素体，见图3。

图3 断口处(模具心部)金相组织 图4 裂纹处微观断口 2.2 机械性能

在表面硬度计上测得裂纹处硬度为HRC38～43，?b=1180 MPa，?=5%，?=13%。 3 断口分析 3.1 低倍断口特性

裂纹主要集中在模具的模体与燕尾结合处，将断口放大19倍观察，可以看出，断口为结晶状脆性断口，断口基本平整。 3.2 微观断口形貌

通过扫描电镜观察发现断口表面为解理+少量准解理+少量韧窝的断裂特征，断口上存在大量的二次、三次裂纹，见图4。 4 讨论 4.1 断裂性质

通过对5CrMnMo钢裂纹微观形貌的观察表明。断口为解理+少量准解理+少量韧窝，属于穿晶解理断裂，解理面上河流花样清晰可见，并存在着波纹状滑移线，在断口显徽观察时发现“撕裂岭”。这表明裂纹在扩展过程中有明显的塑性变形。电子显徽镜分析表明，由干粒状贝氏体的特征是：在较粗大的条状铁素体上，分布许多长条状、大小不等，边界明显但不规则的小岛，小岛的含碳量比钢的平均含碳量高3～4倍，不同小岛的含碳量亦有差别，甚至同一小岛的不同部分含碳量也不同。一般认为，粒状贝氏体是塑性差、脆性转变温度高的一种组织，但近些年研究表明通过细化晶粒可改善粒状贝氏体的强韧性。粒状贝氏体对钢的性能具有显著的影晌，有时会改善韧性，但有时却导致脆性，这因岛状奥氏体在冷却过程和冷却后是否发生分解及其分解产物而定。徐祖耀等认为，马氏体-贝氏体混合组织的韧性优干纯贝氏体或铁素体-贝氏体混合组织。通过分析，解理断裂处在铁素体与贝氏体的交界处。当5CrMnMo钢回火时，在缓慢冷却过程中，由于贝氏体片大、长、齐，所以裂纹沿着贝氏体片发生，并沿着贝氏体与铁素体的交界扩展，直到铁素体内中止。因此，降低了晶界的结合力，产生脆性断裂。从冲击韧性值上也证明了这一点。 4.2 产生裂纹的因素

据文献介绍，淬火开裂常发生在冷却后期的低温阶段。对于大型模具，冷却介质对其心部的冷却速度是较缓慢的，而在淬火冷却的后期，由于模具的塑性很低，应力不能为塑性变形所松驰。一般说，理想的淬火终冷温度应以不析出铁素体、不发生贝氏体转变为好，即终冷到Bf和Ms点之间。含碳量超过0.3%～0.6%的大型锻模，在淬火冷却时如掌握不好就会析出铁素体和贝氏体。当5CrMnMo热锻模进行热处理时，为防止变形和开裂，常常淬油至Ms点(≈220℃)即行出油，此时如模具心部冷却速度不足则导致形成贝氏体组织，使模具塑性、韧性降低，引起“贝氏体脆性”，再加之回火不及时等原因，在铁素体与贝氏体的交界处出现裂纹。如将这种状态的模具投入使用，则裂纹很快扩展达到临界尺寸，即裂纹由亚稳扩展状态过渡到失稳扩展状态，造成模具早期脆裂。

根据金相检查鉴定，裂纹处组织为铁素体和粒状贝氏体的混合组织，铁素体晶粒较大，正是这种组织决定了5CrMnMo钢的脆断性质。由于铁素体具有典型的体心立方结构，其晶体完整，则解理面(｛100｝晶面)也完整，使解理断裂易于发生。同时，由于铁素体晶粒较大，在应力作用下，裂纹易沿着贝氏体与铁素体交界扩展，当裂纹扩展进入铁素体晶粒后，由于铁素体塑、韧性好，故裂纹在铁素体晶粒内部中止，从而产生了这种以解理断裂为主，加少量准解理和韧窝的混合断口。 5 结论

a. 5CrMnMo钢制模具的断裂失效，主要是由于淬火的冷却时间过短，使模具心部出现铁素体和粒状贝氏体组织。

b. 热处理过程中，由于回火不及时，使模具在热处理时产生的较大应力未能及时消除，导致产生裂纹，裂纹沿贝氏体片发生，并沿着贝氏体与铁素体的交界扩展。

c. 模具投入使用后，由于裂纹失稳扩展，导致在模具的不同截面的交界处(模体与燕尾结合处等)发生早期脆断。

d. 大中型热锻模在淬火时。必须控制其在淬火剂中的停留时问，以保证获得合适的组织结构，避免出现粒状贝氏体-铁素休棍合组织。在淬火后必须及时回火，以防因应力过大导致出现早期裂纹。

45钢摆臂轴淬火裂纹分析及防止措施

杨 尧(燕山大学 继续教育学院,河北秦皇岛066004)

45钢柴油机摆臂轴(如图1所示)，硬度要求50～55HRC。采用盐浴炉加热(820～840)℃×7min，10%(质量分数%，下同)盐水淬火，(200～220)℃×60min回火。生产中常发现边角处产生裂纹，以至剥落，造成严重的经济损失。为此，深入分析裂纹产生的原因，改进了热处理工艺，解决了淬火裂纹问题。

图1 柴油机摆臂轴

1 摆臂轴淬火裂纹原因分析

钢件淬火前，由于原材料在切削加工中存在切削力和切削热的作用而产生严重的内应力，导致热处理后在边角处产生裂纹以至剥落。

淬火过程中由于零件各部位温差所造成的热胀冷缩不一致而产生热应力，如图2所示；另一方面由于淬火时奥氏体及其转变产物的比容不同，零件各部分组织转变时间不同造成组织应力，图3为圆钢试样淬火时组织应力的变化情况。零件在淬火过程中热应力和组织应力常同时产生并迭加存在，再加上机加工过程中未消除的残余应力，在某一时刻上述叠加应力超出钢的瞬时强度极限，导致该零件产生裂纹而报废。

图2 圆钢试样热应力的变化

(a)加热时沿截面的应力分布 (b)冷却时沿截面的应力分布

2 防止摆臂轴淬火裂纹的措施

淬火前进行550～600C×3h去应力退火，以消除机加工过程中产生的应力。

(1)降低淬火加热温度：钢材的淬火加热温度不是一个固定不变的参数，一般手册中规定的只是规范性的推荐值。实践证明，钢制零件最合适的淬火温度，是以钢的临界点来确定的，以手册中推荐的数值为基础，还应考虑钢中含碳量、微量元素的影响及其零件形状、尺寸、表面粗糙度等因素，选择最合理的加热温度。如45钢摆臂轴选择780～800℃加热时，零件淬裂倾向明显减小。

图3 圆钢试样淬火时组织应力的变化

3)形状因素造成的冷却速度差异。零件淬火时冷却速度的快、慢随零件形状的不同而不同。即使在同一零件上不同的部位，也会因各种因素而造成冷却速度的不同。因此要尽量避免过大的冷却差异，以防止淬火裂纹。 3.热处理技术条件

1)尽量采用局部淬火或表面硬化。局部淬火或表面硬化就可满足使用性能要求者，不要整体淬火。淬火裂纹是同钢的马氏体相变联系在一起的，不淬火的部位不出现淬火裂纹。因此，只要能满足工作要求，应尽量减少淬火硬化的程度和部位，不必追求高硬度和整体淬火。

2)根据零件服役条件需要，合理调整淬火件局部硬度。局部淬火硬度要求较低时，尽量不强求整体硬度一致。

3)注意钢材的质量效应。在确定热处理技术条件时，对于所选定的钢种，不能以该钢种所能达到的最高硬度值作为图样上规定的技术条件。这是因为最高硬度值是用小试样测得的，同时每一个钢号的成分都是在一定范围变化的，因此，硬度值是一个变量。在实际生产中，尺寸较大的工件所能达到的硬度值，同标准或规范上的硬度值相差很大。因为追求最高硬度值需要用激烈冷却介质淬火，这样很容易形成淬火裂纹。以较高的硬度值作为技术条件，即使尺寸较小的零件也会使热处理工艺实施困难。在实际生产中需要根据工件的截面尺寸合理地确定切实可行的技术。

4)避免在第一类回火脆性区回火。一般钢硬度在53～57HRC时，所需的回火温度区(250～350℃)，正是产生第一类回火脆性的温度区。这时，并不能提高钢的冲击韧度。一般不应把这个温度范围作为零件热处理的回火温度范围。

二、合理安排工艺路线

当钢件的材料、结构和技术条件一经确定，热处理工艺人员就要进行工艺分析，确定合理的工艺路线，即正确安排预备热处理、冷加工和热加工等工序的位置。这是提高产品质量、提高效益以及减少热处理裂纹倾向的有效途径。

钢件淬火前的原始组织和应力状态对形成淬火裂纹有一定的影响。为改善应力状态，给淬火准备良好的原始组织，应当正确地对钢件进行预备热处理。对于形状复杂精度要求较高的零件，在粗加工与精加工之间，在淬火之前要进行消除应力退火;对于截面尺寸较大的高碳钢制件，应当通过增大淬硬层深度，即提高淬透性的办法来防止裂纹。所以在淬火前，要将工件进行正火处理并配以快速加热工艺，以获得较细的片状珠光体组织;为消除组织中网状碳化物，以获得细片状组织，必须进行正火处理;对于截面尺寸较小的高碳钢制件，预备热处理应当提供球状珠光体为宜，淬火前通常采用球化退火，以改善组织。

三、合理确定加热参数

在热处理生产中，对于加热介质、加热速度、加温、保温时间等加热参数的选择和设计，是保证不引起裂纹的主要因素。 1.加热介质

淬火裂纹与加热炉有很大关系。不同的加热炉在加热工件时发生淬裂倾向是不同的，因此，在选择加热介质时，应同钢件的重要性和价值联系起来，一般在满足性能要求的前提下，应尽量选择低成本的设备。 2.加热温度

加热温度是淬火工艺中重要的参数，对工件的性能有着决定的作用。同时，也是影响淬火裂纹的一个因素。实践证明，钢材的淬火加热温度不是一个固定不变的参数。一般来说，淬火加热温度通常需根据钢的临界点来确定，对于亚共析钢采用AC3+(30～50℃)，对于过共析钢采用AC1+(30～50℃)，这个选择方法称淬火加热温度选择原则。亚温淬火是亚共析钢在略低于AC3(5～10)℃的温度下奥氏体化后淬火，它可提高钢的韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。其淬火加热温度应接近AC3，以免出现过多铁素体而影响钢的强度。同时，由于淬火温度的降低，钢的淬裂倾向大大减小。对于低碳钢及中碳钢可适当提高淬火加热温度，以便淬火后获得较多的板条状马氏体或使全部马氏体呈板条状，使它们的韧性显著提高。对于高碳工具钢易采用低温淬火工艺，这有助于减少变形开裂，还可提高韧度，减少折断和崩刃，延长使用寿命。需要指出的是，选择淬火加热温度时，还应考虑到工件的形状，所选用的淬火介质等因素，一般而言，形状简单的工件，可采用上限加热温度;形状复杂、易淬裂的工件则应采用下限的加热温度。当选用冷速缓慢的介质，特别是选用热介质淬火时，应适当提高淬火加热温度。 3.加热速度

在不产生裂纹且变形程度在允许范围的前提下，尽量提高加热速度，以减少氧化脱碳，降低能耗，提高效益。碳素钢、低合金钢和中合金钢快速加热时均无产生裂纹的危险，快速加热不仅能提高生产效率，而且对防止钢件的淬火变形和裂纹起到良好的效果;对于大型锻、铸件、形状复杂的高锰钢铸件、不锈钢铸件、高速钢与高碳合金钢零件，塑性差，导热性不良，若加热速度过快，可能在钢件表面产生裂纹，这类钢不宜采用快速加热，相反这类钢应放慢加热速度，或采用中间预热措施，也可用微机控制的加热炉，在设定的加热速度的指令下按设定的加热曲线升温，这对于复杂形状高合金钢件的热处理质量提供了良好的保证。 4.保温时间

保温时间是指在热处理时，工件热透或保证组织转变基本完成所需的时间。确定淬火温度下的保温时间，需考虑工件的厚度、工件在炉内的排布方式、是否预热、钢材的化学成分等诸多因素。一般来说，高合金钢、高速钢、高合金模具钢的淬火加热保温时间要适当延长，以保证碳化物的溶解和奥氏体化。其中高合金铬钢需要保温的时间最长。

四、选定合适的淬火方法

由C曲线的形状可知，工件淬火时为获得预期的马氏体组织，并不需要在其整个冷却过程中都快速冷却。而只是在C曲线的“鼻尖”附近(一般650～400℃)需要快速冷却。在其他区间尤其在MS点以下的马氏体转变区应尽可能地缓慢冷却。为了淬硬而又不淬裂，在“鼻尖”处应快冷，在马氏体区应慢冷。过冷奥氏体塑性高急冷到低温区也不会产生裂纹。对于多数工具钢而言，冷至120～150℃时，是最危险的温度区间，此刻应特别注意缓冷。总之，要根据零件的结构特点、技术要求，结合设备状况等多方面因素正确地选择淬火方法，以减少或者不发生淬裂事故。 1.预冷淬火

预冷淬火是淬火时零件先在空气、油、热浴(或渗碳气氛)中，预冷到略高于Ar3的温度后，再迅速置于淬火介质中淬火，又叫降温淬火或延迟淬火。淬火前的预冷，可以减少热应力，使工件变形和裂纹倾向减小，同时预冷淬火还可以增加大工件的淬硬层，提高机械零件的综合性能。 2.多介质淬火法

多介质淬火法，根据选用的淬火介质的不同，以及操作方法的特点可分为双介质淬火、三介质淬火等。双介质淬火是将加热好的工件先淬入冷却能力较强的介质，待工件温度降至C曲线“鼻尖”以下温度时，再淬入冷却能力较弱的介质中继续冷却，以获得马氏体组织。淬火时应根据钢的淬透性，工件形状尺寸，对变形的要求等来选定淬火介质。生产中大量采用的水—油淬火，多用于碳素工具钢及大截面的低合金工具钢的工件，即在高温区用盐水快速冷却抑制过冷奥氏体的分解，在低于400℃温度时，立即转入油中缓慢冷却，以减小淬火内应力，防止淬火裂纹。注意工件在第一种介质中的停留时间，是双介质淬火时至关重要的一个参数，在第一种介质中停留时间过长，就变成单液淬火法，起不到减小变形，防止裂纹的作用。若过早地置入第二种介质中则由于工件的温度尚高，介质的冷却速度又慢，在冷却过程中发生非马氏体型转变。对于高合金钢制件淬火时为减少裂纹，首先将工件在淬火油中冷却到一定温度(近于MS点)时，提出油面，在空气中冷却，这时由于热量尚多，致使钢件上的残油达到闪点温度而起火，由于大多数的油的闪点近于高合金钢的MS点温度，所以此法控制油中的停留时间是可靠的。对于形状复杂而变形要求又较严格的工件，有时双液淬火仍不能控制变形和裂纹，而需要采用冷却能力依次减少的三种淬火介质，称为三液淬火。此方法多应用于碳素钢制造的小型工件。 3.分级淬火

分级淬火是将工件从淬火温度，直接快速冷却到MS点以上某一温度，经适当时间保温，使工件表面与心部的温度均匀后取出空冷，使工件在缓慢冷速下进行马氏体转变的淬火方法。这一方法可以有效地防止淬火裂纹。其主要优点是能够降低淬火零件的变形裂纹倾向。其次，与普通淬火方法相比较，MS点以上的分级淬火，能够保证工件强度、硬度相同的条件下，具有较高的韧性，特别是对低温回火的工件，冲击韧

性的提高尤其显著。高碳高合金钢，一般淬火加热温度较高，而MS点又较低，用普通淬火方法可能产生较严重的变形和裂纹，如只用一次分级淬火难以避免较大的相变应力及热应力。因此，对于截面尺寸较大，形状复杂，易于变形和开裂的高速钢刀具要采用逐次降温的二次或三次分级的分级淬火方法。其温度选择一般为600～650℃，450～550℃和300～350℃等。 4.马氏体等温淬火

零件奥氏体化后淬入低于MS点以下50～100℃的热浴中等温保持，以获得马氏体的淬火方法称为马氏体等温淬火。这种淬火方法的冷却速度较分级淬火时快，故适用淬透性略低的钢种制造的零件，同时也可起到减少变形和防止裂纹的作用。其中以热油作为马氏体等温淬火的介质最方便，简单易行。在130～160℃的热油中淬火，能够在较缓慢的冷却速度中使奥氏体向马氏体转变，因而产生较小的内应力，变形裂纹倾向也较小。 5.特殊淬火法

对于一些特殊工件则应采用特殊的淬火方法，如冲子、扁铲、模具等要用间断淬火法;大、中型锻模及某些大锻件的淬火则可以采用浅冷淬火方法等。

五、淬火介质的选择

淬火介质的选择与淬火方法密切相关。一般选择淬火介质应综合考虑以下因素。 1.零件特性

钢的化学成分，工件截面尺寸，几何形状，表面粗糙度和表面状态，零件淬火时排列状况和密集程度。 2.淬火方式

淬火槽液温度、搅拌速率、流向、溶液的浓度。 3.淬火介质的冷却能力

不同的淬火介质其冷却能力是不同的，对零件产生淬火裂纹的影响也有所不同。在实际生产中，还需考虑对介质的冷却能力发生重大影响的因素，如介质的温度，搅拌程度，添加物等。

六、防止淬火裂纹的其他措施

1.及时回火

有许多淬火工件裂纹，不是在淬火冷却过程中或冷却之后立即发生的，而是当工件从淬火介质中取出后经过一定时间后出现，短则几分钟，长则几小时。一方面是在室温放置过程中继续发生奥氏体向马氏体转变，实际上是淬火过程的继续。另一方面，工件中的淬火内应力，在室温放置过程中会重新分布，在应力集中处也可能引起裂纹。将淬火工件及时回火，不仅可降低淬火内应力，而且可以提高钢的破断抗力。因此及时回火，已成为防止裂纹的有效措施。 2.局部包扎

为了减小形状复杂工件薄壁处加热时过热，或在冷却时过冷，工业生产中常用铁皮或石棉绳等物包扎的办法来减缓薄壁处的加热和冷却速度，这也有利于防止淬火裂纹。

七、其他热处理裂纹的预防

1.回火裂纹的预防

1)回火加热速度不能太快。2)工模具在热处理前一定要将脱碳层切削净，在淬火过程中，要采取措施，预防脱碳层产生。3)回火冷却时采用缓冷。一般零件回火后采用空冷，大零件采用炉冷，特别是高速钢制造的大型工模具，回火冷却最好采用从回火温度浸入MS点稍高的炉中，保温一段时间后再进行空冷。 2.冷处理裂纹的预防

1)淬火工件凉透后再装入低温设备中。2)对形状复杂，薄厚相差悬殊的工件，冷处理前，宜将细薄部分用石棉包扎。3)冷处理后，待零件温度回升至室温后，立即进行回火和时效。4)对形状复杂的零件，淬火和冷却到室温后先在110～130℃保温30～40min的预回火，然后再进行深冷处理。

表面淬火裂纹的有效识别方法

福建三明机床有限责任公司 (365009) 范堂湖

淬火裂纹是一种无法补救的热处理缺陷，若不能及时发现，将会带来更加严重的后果。多年的现场经验告诉我们：酸洗是一种便捷有效的方法，无需专用设备，对工件的表面粗糙度也无特殊要求。 其具体作法如下： (1)用水冲净工件。

(2)将冲净的工件用铁篮子装入浓度约20％～30％的盐酸液中浸泡15～20min。 (3)取出工件后用水冲净其表面的酸液。

(4)将冲净的工件放入防锈液(10％NaN02+0.4%Na2CO3+其余为H2O)中浸泡2min，取出放在工作台上排列好，自然晾干。

(5)过12-24h后观察工件表面，若有锈蚀纹．则锈蚀处即为淬火裂纹所在位置。 以上方法对于中小型企业的热处理现场识别淬火裂纹非常有效.

工件淬火裂纹的原因分析与对策

赵新星 (衡阳纺织机械厂 421007)

摘 要 通过分析工件淬火裂纹产生的原因和在具体实践生产中针对各种不同的裂纹的分析，找到了具体的预防对策。

关键词 淬火裂纹 应力 对策

1 前言

工件在热处理过程中最让人头疼的是产生淬火裂纹。淬火裂纹是指在工件淬火过程中所产生的开裂现象。裂纹基本上分为纵向裂纹、弧型裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和显微裂纹几种(如图1)。淬火裂纹的发生时间并非发生在淬入冷却剂后的那一刻，而是在冷却到200℃以下时，或在淬火完成从冷却剂中取出之后，或者是在淬火后经过几小时乃至几十小时后发生的。

图1 淬火裂纹类型及形成裂纹的内应力

2 原理分析

造成工件开裂的热处理应力主要包括“热应力”和“组织应力”。“热应力”也就是由热胀冷缩所引起的力。工件在加热和冷却过程中，工件的内外温度不同，即内冷外热或外冷内热。因为工件表面比心部总要加热和冷却得快些，随时间增长，冷却到最后，中心收缩时，又受到压应力作用。因此，热应力作用的结果是使工件表面呈压应力状态。热应力随时间的变化如图2所示。“组织应力”即由于组织转变所产生的体积变化不等时性而引起的应力。

钢中各种组织物的比容是不同的。在化学成分相同时，奥氏体的比容小于珠光体的比容，珠光体的比容小于马氏体的比容，因此，在淬火冷却时，奥氏体向马氏体转变时会引起体积膨胀，此时表面膨胀受到未转变的中心部分的限制，表面和中心均受到压应力。当继续冷却时，中心奥氏体向马氏体转变，伴随体积膨胀，使表面受到拉应力作用。因此，组织应力最后使工件表面层处于拉应力状态。组织应力随时间的变化如图3所示。

图2 热应力随时间的变化

图3 组织应力随时间的变化

热应力主要造成变形，而组织应力最容易造成开裂。当淬火形成的残余热应力大于钢的屈服极限时引起工件变形;当残余组织应力大于钢的屈服极限时会导致工件开裂。根据断裂韧性理论，脆性断裂是由微细的宏观裂纹的扩展引起的。由于材料在冶炼或者轧锻过程中往往不可避免地存在着微小的局部裂纹。只有当残余应力不超过有细微裂纹的钢的实际强度时才能保证淬火不开裂。在淬火过程中热应力和组织应力同时存在，作用相反。不容易淬透的大件，主要是热应力;容易淬透的小件，主要是组织应力。为了避免开裂，必须预防工件的拉应力。

3 实例分析

我们针对多年来的断裂锭杆和一些工夹具零件的断口从外表及金相分析，结合一些文献资料，总结了以下的结论。

3.1 将零件剖开，如零件断面处有少量的红色锈迹或发现有新的裂纹，则可判断是在淬火冷却时产生的裂纹，或是由于过冷及冷却不均匀引起的裂纹。

3.2 如果断面是被一层黑色氧化层所遮盖或呈粗的纤维状时，是由锻造时所产生的裂纹，或者是钢材本身缺陷所导致的。

3.3 如果零件的断面晶粒很粗而且有裂纹，则是零件过热所引起的;如果断口面发白亮光，则是由于钢的加热温度过高引起的裂纹。

3.4 外型复杂的零件，如凸出部分或断面较薄部分的裂纹，大多是由于加热不均匀或者是冷却不均匀所致。 3.5 零件“尖角”部分或者是打过印痕处的表面发生龟裂，一般是由于刻痕的凹缝“尖角”所引起的。 3.6 在加磨面上出现的龟裂，并不是在淬火时所产生的，而是在淬火之后，磨削加工不良所致。

4 造成开裂的主要因素

4.1 工件在淬火冷却过程中，钢的内部未冷透时，其内外温差还很大时就中断了冷却。 4.2 工件表面有严重的缺陷，例如冷加工时留下的伤痕。 4.3 淬火后，未立即回火，而长时间摆放在一边。 4.4 淬火操作或淬火方法不符合工艺规范。

4.5 由于第一次淬火不符合要求，重淬前，没有进行退火处理。

5 防止裂纹的措施

5.1 当工件淬火冷却时，在冷透前不中断冷却，特别是在马氏体开始转变到转变终了之间，应使其慢慢冷却(图4)。在钢的转变点Ar′以上应以极快的冷却速度冷却;在转变Ar″开始，应缓慢冷却。

图4 防止淬火产生裂纹的淬火方法

5.2 避免加热时过热和晶粒粗大。采用热浴淬火和等温淬火法。在Ms点以上的温度放在热浴中淬火，待零件的内外达到同一温度后空冷。

5.3 把工件的“尖角”处用耐火粘土、金属丝或石棉线缠绕，零件有孔眼时，应填以耐火粘土或石棉。 5.4 淬火后应立即回火，去除应力。

5.5 当零件需要二次以上淬火时，必须有中间的退火工序。 5.6 控制原材料质量，合理选择预热改善原始组织。 5.7 改变工件设计，截面过渡，圆角合理化。

模具钢淬火十种裂纹分析与措施

模具钢热处理中，淬火是常见工序。然而，因种种原因，有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。分析裂纹产生原因，进而采取相应预防措施，具有显著的技术经济效益。常见淬火裂纹有以下10类型。

1、纵向裂纹

裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体,产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形

成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生： (1)钢中含有较多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹； (2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。

预防措施： (1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产； (2)尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材； (3)改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火； (4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。

2、横向裂纹

裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P．Sb，Bi，Pb，Sn，As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。

预防措施： (1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2—3之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源； (2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，表层为压应力，内层为张应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹形成，在钢的Ms—Mf之间缓冷，大幅度降低形成淬火马氏体时的组织应力。当钢中热应力与相应应力总和为正(张应力)时，则易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相变应力，控制应力总和为负，能有效避免横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正CL-1 淬火剂不同浓度配比，可得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满足不同模具钢需求。

3、弧状裂纹

常发生在模具棱角角、缺口、孔穴、 凹模接线飞边等形状突变处。这是因为，淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另外， (1)钢中含碳(C)量和合金元素含量愈高，钢Ms点愈低，Ms点降低2℃，则淬裂倾向增加1．2倍，Ms点降低8℃，淬裂倾向则增加8倍； (2)钢中不同组织转变和相同组织转变不同时性，由于不同组织比容差，造成巨大组织应力，导致组织交界处形成弧状裂纹； (3)淬火后未及时回火，或回火不充分，钢中残余奥氏体未充分转变，保留在使用状态中，促进应力重新分布，或模具服役时残余奥氏体发生马氏体相变产生新的内应力，当综合应力大于该钢强度极限时便形成弧状裂纹；

(4)具有第二类回火脆性钢，淬火后高温回火缓冷，导致钢中P，s等有害杂质化合物沿晶界析出，大大降低晶界结合力和强韧性，增加脆性，服役时在外力作用下形成弧状裂纹。

预防措施： (1)改进设计，尽量使形状对称，减少形状突变，增加工艺孔与加强筋， 或采用组合装配； (2)圆角代直角及尖角锐边，贯穿孔代盲孔，提高加工精度和表面光洁度，减少应力集中源，对于无法避免直角、尖角锐边、盲孔等处一般硬度要求不高，可用铁丝、石棉绳、耐火泥等进行包扎或填塞，人为造成冷却屏障，使之缓慢冷却淬火，避免应力集中，防止淬火时弧状裂纹形成；(3)淬火钢应及时回火，消除部分淬火内应力，防止淬火应力扩展； (4)较长时间回火，提高模具抗断裂韧性值； (5)充分回火，得到稳定组织性能；(6)多次回火使残余奥氏体转变充分和消除新的应力； (7)合理回火，提高钢件疲劳抗力和综合机械力学性能； (8)对于有第二类回火脆性模具钢高温回火后应快冷(水冷或油冷)，可消除二类回火脆性，防止和避免淬火时弧状裂纹形成。

4、剥离裂纹

模具服役时在应力作用下，淬火硬化层一块块从钢基体中剥离。因模具表层组织和心部组织比容不同，淬火时表层形成轴向、切向淬火应力，径向产生拉应力，并向内部突变，在应力急剧变化范围较窄处产生剥离裂纹，常发生于经表层化学热处理模具冷却过程中，因表层化学改性与钢基体相变不同时性引起内外层淬火马氏体膨胀不同时进行，产生大的相变应力，导致化学处理渗层从基体组织中剥离。如火焰表面淬硬层、高频表面淬硬层、渗碳层、碳氮共渗层、渗氮层、渗硼层、渗金属层等。化学渗层淬火后不宜快速回火，尤其是300~C以下低温回火快速加热，会促使表层形成拉应力，而钢基体心部及过渡层形成压缩应力，当拉应力大于压缩应力时，导致化学渗层被拉裂剥离。

预防措施： (1)应使模具钢化学渗层浓度与硬度由表至内平缓降低，增强渗层与基体结合力，渗后进行扩散处理能使化学渗层与基体过渡均匀；(2)模具钢化学处理之前进行扩散退火、球化退火、调质处理，充分细化原始组织，能有效防止和避免剥离裂纹产生，确保产品质量。

5、网状裂纹

裂纹深度较浅，一般深约0.01-1.5mm，呈辐射状，别名龟裂。原因主要有： (1)原材料有较深脱碳层，冷切削加工未去除，或成品模具在氧化气氛炉中加热造成氧化脱碳； (2)模具脱碳表层金属组织与钢基体马氏体含碳量不同，比容不同，钢脱碳表层淬火时产生大的拉应力，因此，表层金属往往沿晶界被拉裂成网状； (3)原材料是粗晶粒钢，原始组织粗大，存在大块状铁素体，常规淬火无法消除，保留在淬火组织中，或控温不准，仪表失灵，发生组织过热，甚至过烧，晶粒粗化，失去晶界结合力，模具淬火冷却时钢的碳化物沿奥氏体晶界析出，晶界强度大大降低，韧性差，脆性大，在拉应力作用下沿晶界呈网状裂开。 预防措施： (1)严格原材料化学成分．金相组织和探伤检查，不合格原材料和粗晶粒钢不宜作模具材料； (2)选用细晶粒钢、真空电炉钢，投产前复查原材料脱碳层深度，冷切削加工余量必须大于脱碳层深

度； (3)制订先进合理热处理工艺，选用微机控温仪表，控制精度达到±1.5℃，定时现场校验仪表； (4)模具产品最终处理选用真空电炉、保护气氛炉和经充分脱氧盐浴炉加热模具产品等措施，有效防止和避免网状裂纹形成。

6、冷处理裂纹

模具钢多为中，高碳合金钢，淬火后还有部分过冷奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状态中成为残余奥氏体，影响使用性能。若置于零度以下继续冷却，能促使残余奥氏体发生马氏体转变，因此，冷处理的实质是淬火继续。室温下淬火应力和零度下淬火应力叠加，当叠回应力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。

预防措施： (1)淬火后冷处理之前将模具置于沸水中煮30—60min，可消除15％-25％淬火内应力并使残余奥氏体稳定化，再进行-60℃常规冷处理，或进行-120℃深冷处理，温度愈低，残余奥氏体转变成马氏体量愈多，但不可能全部转变完，实验表明，约有2％-5％残余奥氏体保留下来，按需要保留少量残余奥氏体可松驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力； (2)冷处理完毕后取出模具投入热水中升温，可消除40％-60％冷处理应力，升温至室温后应及时回火，冷处理应力进一步消除，避免冷处理裂纹形成，获得稳定组织性能，确保模具产品存放和使用中不发生畸变。

7、磨削裂纹

常发生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂直，深约0.05—1.0mm。 (1)原材料预处理不当，未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳； (2)最终淬火加热温度过高，发生过热，晶粒粗大，生成较多残余奥氏体； (3)在磨削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为马氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有较多残余拉应力，与磨削组织应力叠加，或因磨削速度、进刀量大及冷却不当，导致金属表层磨削热急剧升温至淬火加热温度，随之磨削液冷却，造成磨削表层二次淬火，多种应力综合，超过该材料强度极限，便引起表层金属磨削裂纹。 预防措施： (1)对原材料进行改锻，多次双十字形变向镦拔锻造，经四镦四拔，使锻造纤维组织围绕型腔或轴线呈波浪形对称分布，并利用最后一火高温余热进行淬火，接着高温回火，能充分消除块状、网状、带状和链状碳化物，使碳化物细化至2-3级； (2)制订先进的热处理工艺，控制最终淬火残余奥氏体含量不超标； (3)淬火后及时进行回火、消除淬火应力； (4)适当降低磨削速度、磨削量，磨削冷却速度，能有效防止和避免磨削裂纹形成。

8、线切割裂纹

该裂纹出现在经过淬火、回火的模块在线切割加工过程中，此过程改变了金属表层、中间层和心部应力场分布状态，淬火残余内应力失去平衡变形，某一区域出现大的拉应力，此拉应力大干该模具材料强度

极限时导致炸裂，裂纹是弧尾状刚劲变质层裂纹。实验表明，线切割过程是局部高温放电和迅速冷却过程，使金属表层形成树枝状铸态组织凝固层，产生600-900MPa拉应力和厚约0．03mm的高应力二次淬火白亮层。裂纹产生原因： (1)原材料存在严重的碳化物偏析； (2)仪表失灵，淬火加热温度过高，晶粒粗大，降低材料强韧性，增加脆性； (3)淬火工件未及时回火和回火不充分，存在过大的残余内应力和线切割过程中形成的新内应力叠加导致线切割裂纹。

预防措施： (1)严格原材料入库前检查，确保原材料组织成分合格，对不合格原材料必须进行改锻，击碎碳化物，使化学成分、金相组织等达到技术条件后方可投产。模块热处理前加工成品需留足一定磨量后淬火．回火、线切割； (2)入炉前校验仪表，选用微机控温，控温精度±1.5℃，真空炉、保护气氛炉加热，严防过热和氧化脱碳；(3)采用分级淬火、等温淬火和淬火后及时回火，多次回火，充分消除内应力，为线切割创造条件； (4)制订科学合理线切割工艺。

9、疲劳断裂

模具服役时在交变应力反复作用下形成的显微疲劳裂纹缓慢扩展，导致突然疲劳断裂。 (1)原材料存在发纹、自点、孔隙、疏松、非金属夹杂、碳化物严重偏析、带状组织、块状游离铁素体冶金组织缺陷，破坏了基体组织连续性，形成不均匀应力集中。钢锭中未排除，导致轧制时形成白点。钢中存在Sb、Bi、 Pb、Sn、As和S、P等有害杂质，钢中的P易引起冷脆，而s易引起热脆，S，P有害杂质超标均易形成疲劳源； (2)化学渗层过厚、浓度过大、渗层过度、硬化层过浅、过渡区硬度低等都可导致材料疲劳强度急剧降低； (3)当模面加工粗糙、精度低、光洁度差，以及刀纹，刻字、划痕、碰伤、腐蚀麻面等也易引起应力集中导致疲劳断裂。

预防措施： (1)严格选材，确保材质，控制Pb、As、Sn等低熔点杂质与S、P非金属杂质含量不超标； (2)投产前进行材质检查，不合格原材料不投产； (3)选用具有纯洁度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细．碳化物小、等向性能好，疲劳强度高等特点的电渣重熔精炼钢，对模具型面表面喷丸强化和表面化学渗层改性强化处理，使金属表层为预压应力，抵消模具服役时产生的拉应力，提高模具型面疲劳强度； (4)提高模具型面加工精度和光洁度； (5)改善化学渗层和硬化层组织性能； (6)采用微机控制化学渗层厚度、浓度和硬化层厚度。

10、应力腐蚀裂纹

该裂纹常发生在使用过程中。金属模具因化学反应或电化学反应过程，引起从表至内组织结构损坏腐蚀作用而产生开裂，这就是应力腐蚀裂纹。模具钢因热处理后组织不同，抗蚀性能也不同。最耐蚀组织为奥氏体(A)，最易腐蚀组织为屈氏体(T)，依次为铁素体(F)一马氏体(M)一珠光体(P)一索氏体(S)。因此，模具钢热处理不宜得到T组织。淬火钢虽经回火，但因回火不充分，淬火内应力或多或少依然存在，模具服役时在外力作用下也会产生新的应力，凡有应力存在于金属模具中就会有应力腐蚀裂纹发生。

预防措施： (1)模具钢淬火后应及时回火，充分回火，多次回火，以消除淬火内应力； (2)模具钢淬火后一般不宜在350-400~C回火，因T组织常在此温度出现，发生有T组织模具应重新处理，模具应进行防锈处理，提高抗蚀性能； (3)热作模具服役前进行低温预热，冷作模具服役一个阶段后进行一次低温回火消除应力，不仅能防止和避免应力腐蚀裂纹发生，还可大幅度提高模具使用寿命，一举两得，有显著技术经济效益。

淬火裂纹和非淬火裂纹的特征及实例分析

淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。

1.淬火裂纹的特征

在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度时，便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的棱角槽口、截面突变处形成。

在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；m#有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。

因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。

因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：co结构钢中可观察到粗针状马氏体；m#工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。

表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀大比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。

2.非淬火裂纹的特征

淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，一般可根据下面的特征来区分。

淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在250℃以下。在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。

如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。

3.实例分析

实例一：

40C钢制成的转子轴，经锻造、淬火后发现裂纹。裂纹两侧有氧化迹象，经金相检验，裂纹两侧存在脱碳层，而且裂纹两侧的铁素体呈较大的柱状晶粒，其晶界与裂纹大致垂直。结论：co裂纹是在锻造时形成的非淬火裂纹。

当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁索体晶粒开始生核。当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体。 实例二：

40C钢制成的半轴套座于淬火后出现开裂。经金相检验，裂纹两侧有全脱碳层，其中的铁素体呈粗大柱状晶粒，并与裂纹垂直。全脱碳层内侧的组织为板条马氏体加少量托氏体，这种组织是正常淬火组织。结论：co在加工过程中未经锻造，因此是原材料带来的非淬火裂纹。 实例三：

高速钢齿轮铣刀淬火后在内孔壁上出现裂纹。经金相检验，发现裂纹附近的碳化物呈不均匀的带状分布。结论：co这是由于组织不均匀所造成的淬火裂纹。

当钢的显微组织中存在碳化物堆集时，这些地方碳和合金元素的含量比较高，造成临界温度降低。因此，即使是在正常的温度下进行淬火加热，对于碳化物堆集处来讲，加热温度已显得过高了。其结果是这些地方出现过热组织，降低了钢的强度，淬火冷却时，便在应力作用下产生开裂。

高速钢的碳化物不均匀性是这种钢的重要质量指标之一。为减少或预防这类缺陷发生，冶金厂和使用厂都在不断采取措施，如使用厂用改锻工艺来均匀组织。当碳化物不均匀性的改善程度受到限制时，可在保证硬度的前提下采用较低淬火加热温度来避免过热组织产生。 实例四：

W18C4V钢制模子，于高温盐浴中加热后油冷，发现开裂。从裂纹特征上看是冷却过快所致。因工件截面较大，冷却时内外温差也大，当表面转变为马氏体时，内部仍处于奥氏体状态，以后的冷却过程中才逐步转变为马氏体，致使表层受内部体积胀大的作用承受很大的拉应力而开裂。因此，可以判断为淬火裂纹。

加热设备与裂纹的关系

淬火裂纹与加热炉有一定的关系，最不易引起淬火裂纹的是真空炉，以下按产生淬火裂纹难易程序次序排列为：

真空炉、电加热空气炉、盐浴炉和燃烧炉。

重油炉及液化石油气炉等最容易引起淬火裂纹。真空炉是辐射加热，所以没有氧化、脱碳，至于局部过热不易发生，处理后表面也不粗糙，因此是不易发生淬火裂纹的加热炉。电加热空气炉的温度分布比较均匀，且不易出现氧化，脱碳等表面缺陷，所以淬火裂纹发生得少，以重油和液化石油气为燃料的燃烧炉，是用火焰直接加热的，所以直接接触火焰的地方往往发生过热，特别是最近为节约能源使用空气过剩火焰（氧化焰），更易因氧化，脱碳引起桔皮状缺陷，因此是淬火裂纹发生率高的炉子。

热处理应力的影响

热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力，对工件的形状，尺寸和性能都有极为重要的影响。当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的强度极限时就会使工件开裂，这是它有害的一面，应当减少和消除。

但在一定条件下控制应力使之合理分布，就可以提高零件的机械性能和使用寿命，变害为利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律，使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。 一、钢的热处理应力

工件在加热和冷却过程中，由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致，形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于表层开始温度低于心部，收缩也大于心部而使心部受拉，当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。

这种现象受到冷却速度，材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大，最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随工件体积的膨胀，工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度，形状，材料的化学成分等因素有关。

实践证明，任何工件在热处理过程中，只要有相变，热应力和组织应力都会发生。只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的，在整个冷却过程中，热应力与组织

应力综合作用的结果，就是工件中实际存在的应力。

这两种应力综合作用的结果是十分复杂的，受着许多因素的影响，如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型，即热应力和组织应力，作用方向相反时二者抵消，作用方向相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加，两个应力应有一个占主导因素，热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉，表面受压。组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。 二、热处理应力对淬火裂纹的影响

存在于淬火件不同部位上能引起应力集中的因素(包括冶金缺陷在内)，对淬火裂纹的产生都有促进作用，但只有在拉应力场内(尤其是在最大拉应力下)才会表现出来，若在压应力场内并无促裂作用。 淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素，也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。为了达到淬火的目的，通常必须加速零件在高温段内的冷却速度，并使之超过钢的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。

就残余应力而论，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而且，在能淬透的情况下，截面尺寸越大的工件，虽然实际冷却速度更缓，开裂的危险性却反而愈大。这一切都是由于这类钢的热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢，热应力减小，组织应力随尺寸的增大而增加，最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面的作用特点造成的。并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭。对这类钢件而言，在正常条件下淬火的高淬透性钢件中只能形成纵裂。

避免淬裂的可有原则是设法尽量减小截面内外马氏体转变的不等时性。仅仅实行马氏体转变区内的缓冷却不足以预防纵裂的形成。一般情况下只能产生在非淬透性件中的弧裂，虽以整体快速冷却为必要的形成条件，可是它的真正形成原因，却不在快速冷却(包括马氏体转变区内)本身，而是淬火件局部位置(由几何结构决定)，在高温临界温度区内的冷却速度显著减缓，因而没有淬硬所致。产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈，是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心，而在淬火件末淬硬的截面中心处，首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的。

为了避免这类裂纹产生，往往使用水--油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却，目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织；而从内应力的角度来看，这时快冷有害无益。其次，冷却后期缓冷的目的，主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值，而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度，从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。

零件热处理裂纹的分析与对策（1）

哈尔滨第一工具厂（黑龙江 150020） 祝国华 战祥丽

零件在热处理过程中产生的裂纹是最严重的热处理缺陷之一。这种缺陷通常是无法补救的，零件只能报废，因而它引起了热处理工作者的特别重视。 1．零件热处理裂纹产生的原因

零件在热处理过程中会产生很大的内应力(组织应力和热应力)，当这些应力超过钢的屈服强度时，会引起零件的变形；当应力更大，超过钢的抗拉强度时，则会造成零件的开裂。

作用在零件上的应力有两种：压应力和拉应力。淬火时形成的拉应力是引起淬火裂纹的主要原因。但是当钢的塑性较高时，即使有较大的拉应力也不会引起零件的开裂，比如没有发生组织转变的去应力退火，获得较多残留奥氏体的等温淬火等。只有在应力较大，又具备了高硬度、脆性大的组织时，才容易造成零件的开裂。故淬火裂纹的形成必须同时存在两个条件：一是具有脆性组织；二是拉应力超过了此时钢的抗拉强度(当然其他情况也能促使零件裂纹发生，比如原材料缺陷、设计及机械加工不当造成的缺陷等)。 2．关于裂纹的类型

裂纹的分类方法各种各样。按裂纹的方向分，有纵向裂纹、横向裂纹、弧形裂纹和网状裂纹(又称龟裂)等；按裂纹发生的位置分，有表层裂纹(或称表面裂纹)和内部裂纹；按裂纹发生在不同的工序分，有锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、回火裂纹、冷处理裂纹、酸洗裂纹及磨削裂纹等。零件在热处理过程中以淬火裂纹为最多。 3．裂纹的分辨方法

如何区分究竟是淬火裂纹、回火裂纹、锻造裂纹还是磨削裂纹等是很重要的，这样便于准确查找裂纹发生在哪一工序，有利于分析裂纹产生的原因。

第一，注意淬火裂纹和磨削裂纹形态的不同。对于淬火时未发现而在磨削后才发现的裂纹，要区别是淬火裂纹还是磨削裂纹。在裂纹未附着污染物时比较容易，此时注意裂纹的形态，特别是裂纹发展的方向，磨削裂纹是垂直于磨削方向的，呈平行线形态(如图1所示)，或呈龟甲状裂纹(如图2所示)。磨削裂纹的深度根浅，而淬火裂纹一般都比较深 比较大，与磨削方同无关，多呈直线刀割状开裂。

图l 平行线状磨削裂纹 图2 龟甲状磨削裂纹 第二，注意裂纹发生的部位。尖锐的凹凸转角处、孔的边缘处、刻印处、打钢印处及机械加工造成的表面缺陷等部位，在这些部位发生的裂纹多属淬火裂纹。

第三，通过观察零件的裂断面来区分是淬火裂纹还是淬火前的锻造裂纹或其他情况造成的裂纹。若裂纹断面呈白色或暗白色或浅红色(水淬时造成的水锈)，均可断定为淬火裂纹，若裂纹断面呈深褐色，甚至有氧皮出现，那就不是淬火裂纹，系淬火前就存在的裂纹，是零件经过锻造或压延时形成的裂纹，这些裂纹都会因淬火而被扩大。因淬火裂纹基本上是在MS点以下时形成的，其断面是不会被氧化的。 第四，在显微组织中，淬火裂纹是沿晶界断裂，若不是沿晶界断裂，而是沿晶内断裂，则属于疲劳裂纹。

第五，如果裂纹周围有脱碳层存在，那就不是淬火裂纹，而是淬火前就存在的裂纹，因为淬火裂纹是淬火冷却时产生的，绝不会发生脱碳现象。 4．检查裂纹的方法

检查零件有无裂纹，最简单、最常用的方法是将零件喷砂后用肉眼直接观察，或使用放大镜观察零件的表面即可。当用眼睛或放大镜看不到裂纹时，还可用浸油探伤法检查。即将零件浸入到煤油、汽油等油中，稍后取出零件用棉纱擦拭干净，再涂以石灰粉或其他白粉，如有裂纹，则在白色部分有油渗出。有经验的检查人员还可以用敲击的方法检查出是否有裂纹，即用小锤等轻轻敲击零件，如果发出清晰的金属声音，尾音比较长，即可掣。为没有裂纹；反之，若发出重浊的声名，就出现了裂纹。还可以采用磁力探伤法及荧光探伤法检查零件是否有裂纹。 5．淬火过热与淬火裂纹

零件被加热到高出工艺规定的某一淬火加热温度并在一定的加热时间里，便会造成工件的淬火过热。过热温度会因钢种的不同而不同。工件一旦过热，则奥氏体晶粒粗化，生成的马氏体针也粗大。容易产生马氏体微裂纹。这种马氏体的微裂纹是淬火裂纹的激发源，并发展成为淬火裂纹。过热使钢的性能变坏，强度与塑性大大降低。

生产现场中淬火过热引起的淬火裂纹在工具钢中最为常见，特别是高速工具钢因淬火过热造成工件裂纹的事例最多，这是由于高速钢的淬火加热温度接近其熔点，因此稍有不慎即可引起过热，甚至过烧。某厂在热处理一批W18Cr4V钢制模数为m=12、外径为Φ170mm的盘形齿轮铣刀时，工艺规定的淬火加热温度为1270℃，但由于控温仪表失灵，表指温度比实际炉温低35℃，幸亏操作者发现炉温的变化，立即采取终止生产进行重新测温的措施，避免了大批过热产品的发生，但仍有少量齿轮铣刀出现了过热引起的裂纹，如图3所示。金相检查发现淬火晶粒粗大，裂纹均发生于网状碳化物处，由此可见裂纹系加热温度过高所致。因过热形成的共晶碳化物沿晶界呈网状分布，在晶界上形成一层硬壳使钢产生了很大的脆性，阻碍了钢的塑性变形，在淬火冷却时产生的极大应力作用下引起淬火裂纹。

图3 m=12、外径为Φ170mm的W18Cr4V钢盘形齿轮铣刀上的裂纹

防止零件因淬火过热而产生裂纹的主要措施是：①工艺员要制定正确合理的加热温度和加热方法。如对一些大规格碳化物偏析较严重的高速钢刀具，应采取高速钢下限的淬火加热温度，为保证加热充分，可适当延长加热时间，对一些带尖角的零件应离炉内加热体远一些，在盐浴炉中工件距电极盼距离不得小于50mm，以免引起尖角过热。②对测温仪表和控温仪表要定期检查校对和维修，保证仪表始终在运转正常的条件下使用。仪表员要保证测温、定温、调温时准确无误。③淬火工要随时观察炉温的情况，发现炉温有异常变化时，及时找工艺员或仪表员等有关人员解决，必要时立即停产，重新测温，待炉温恢复正常后再进行生产。④设备要保证工艺要求。

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6. 加热速度过快、加热不均匀与淬火裂纹

零件加热速度过快和加热不均匀会使应力增加，尤其是合金元素较多、导热性较差和尺寸较大的高合金钢工件，在淬火加热前若不进行充分的预热，则在淬火时会因加热速度过快和加热不均而很可能导致产生裂纹。生产中高速钢工件多采用550～600℃和850～900℃的两段预热，以减缓高速钢工件的加热速度，并使其得到充分均匀地加热，从而减少加热时的应力，同时也可缩短高速钢工件的高温加热时间。因炉渣的温度一般都比较高，工件一旦接触到炉渣使工件局部温度升高，淬火工在工作前要对盐浴炉进行认真清氧捞渣，将炉底的残渣必须捞净。电阻炉的电阻丝布置要均匀合理，以保证炉内温度均匀一致，避免引起工件加热不均匀。 7. 淬火冷却速度与淬火裂纹

零件产生淬火裂纹的原因是多方面的，但就发生的时间来说，多是在淬火冷却过程中发生的。更具体的讲，裂纹是发生在零件冷至钢的马氏体转变点Ms至Mf点之间的冷速过大，此期间热应力与组织应力会达到最大值，很容易造成零件淬火裂纹发生。

裂纹能否产生取决于淬火时热应力与组织应力的和是正（拉应力）还是负（组织应力）。若两者之和为正则可能发生裂纹，若为负则不会发生裂纹。零件从奥氏体化温度以大于临界冷却速度的急冷，导致产生热应力，使外层受压，内层受拉，这对防止淬火裂纹将起着有效的作用。从这个意义上讲，在奥氏体区域快速冷却对防止淬火裂纹发生是有利的。与此相反，在马氏体区域内的冷却与相变应力有关，在此区域内冷却速度越大，则相变应力越大，表面层的拉应力越大，因而容易导致淬火裂纹的发生。 在实际生产中，对不同的钢材和具体的零件采用双液淬火、分级淬火和等温淬火等，其目的就是为了在马氏体转变区域内缓冷，尽量使零件内外层同时发生组织转变，力求使组织应力达到最小值，以避免裂纹的发生。表1是某工具厂生产的高速钢制弧形键槽铣刀（钢的化学成分相同），由于采用的冷却方式不同则产生裂纹的数量和百分率也不同。

8. 清洗过早引起的淬火裂纹

尺寸较大的工件，淬火冷却后表面看上去冷的差不多了，但其心部温度仍比较高，仍在进行着马氏体的转变。此时若将工件放入冷水中（特别在冬季的冷水中）清洗，等于在马氏体转变区域内加速冷却，产生的内应力将会增加，使工件发生开裂，这种裂纹仍为淬火裂纹。因此，工件必须完全冷透后再清洗。 9. 萘状断口与淬火裂纹

萘状断口是高速钢的一种常见缺陷。正常的高速钢断口是细陶瓷状，淬火过热的断口较粗糙，萘状断口则是一种具有特殊闪光、与萘的闪光相似的粗糙断口。产生萘状断口的钢，其显微组织的特点是奥氏体晶粒很大且不均匀，个别粗大晶粒尺寸可达0.1～1mm。

产生萘状断口的钢，其淬火、回火后的硬度和红硬性与正常断口的钢基本上是相当的，但机械强度明显降低，特别是韧性更低。有关资料介绍，通过试验表明：W9Cr4V2在1220℃三次淬火、560℃三次回火（产生严重的萘状断口）同1220℃一次淬火、560℃三次回火（正常断口）相比较，前者较后者弯曲强度降低25%，拉伸强度降低30%～35%，扭转强度降低40%，冲击韧度降低65%。

用高速钢制造的刀具一旦产生萘状断口，在淬火冷却时容易形成淬火裂纹，校直时易压断，使用中易崩刃和折断。

关于萘状断口的形成，通常发生在下面两种情况：一是钢在锻、轧等热塑性变形加工时的终了温度过高（1050～1000℃）时；二是重复淬火时没有经过中间退火或退火不充分造成。

防止萘状断口产生的措施应注意以下几点：①严格控制终锻温度，使其不高于1000℃。②锻件毛坯必须经充分退火。③返修的高速钢工件在重新淬火前必须进行充分退火， 退火后的硬度≤HRC28。 10. 脱碳与淬火裂纹

脱碳分完全脱碳（铁素体脱碳）和不完全脱碳，即保留一部分残余碳量的脱碳。生产现场中遇到的多是不完全脱碳。零件不管是在热处理前或淬火加热过程中，如果产生脱碳，则由于脱碳的表层与未脱碳的内部化学成分不同，因而在淬火时发生相变的时间就不相同，马氏体的膨胀量也不相同，这样就使零件内应力增大而容易产生裂纹。例如，当高速钢的含碳量为0.8%时，其Ms点为150℃；如果因表面脱碳使脱碳层的含碳降低为0.4%时，其Ms点为330℃。

在淬火冷却时，由于相变首先从脱碳层开始，当脱碳层的马氏体转变已经完成或正在大量转变时，其心部还没有开始转变，这时表层处于压应力状态。当工件温度降至150℃以下时，非脱碳的内部开始马氏体的转变，但此时脱碳的表层已经完成了马氏体的转变，表层比较硬，故难以产生塑性变形，此时表层处于强大的拉应力状态，很容易使零件发生开裂。某厂生产的W9Mo3Cr4V钢制内孔车刀热处理后产生了裂纹，将车刀横断面进行宏观腐蚀后检查，发现车刀四周均有严重脱碳层，其深度约为1.5mm左右。造成脱碳的原因是车刀在锻造后退火时产生的脱碳层未加工掉而在淬火时发生了裂纹。之所以断定系锻造退火时发生

的脱碳，是因为在同一盐炉中淬火加热的其他高速钢工件未发现脱碳现象。再说在盐浴炉中淬火加热中很少发现如此严重的脱碳事故。

另一工厂生产的柴油机气门弹簧在使用中发生疲劳裂纹，弹簧材料为50CrVAl钢丝，860℃淬火油冷，460℃回火，硬度为43～49HRC。对断裂的弹簧钢丝进行金相检查，发现有表面脱碳，而这种脱碳在原材料钢丝中并未发现，这说明弹簧脱碳是在热处理淬火加热时产生的。可见弹簧疲劳裂纹与表面脱碳有关，因为表面脱碳后使表层强度降低，容易发生疲劳裂纹甚至发展到疲劳断裂。

防止零件淬火加热时的脱碳有以下几方面的措施：①对进厂的各种原盐要进行严格检验，不符合技术标准要求的原盐不使用。②零件在盐浴炉中加热时，要认真脱氧捞渣，不要只脱氧不捞渣，因为炉底的渣子含有很多氧化物。③零件在电阻炉中加热要通保护气体或采用其他保护介质加以保护，以防脱碳。④工件表面如果已生锈或有氧化皮，淬火加热前要清除干净。⑤若毛坯件有脱碳层存在，热处理前要彻底加工去除掉。⑥在有条件的情况下采用真空炉进行淬火加热。

完全脱碳是专为一些特殊需要的零件而设计的。由于脱碳层软而韧，即便由于内层马氏体的膨胀使外层受到拉应力也不会出现裂纹，这样一来，内层的马氏体被包上了一层软的脱碳层，成为内层坚硬、外层又软又韧的状态，从而得到了耐冲击性非常好的零件。防弹钢板等零件就是通过这种先表层完全脱碳后再进行淬火的热处理方法得到的。

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11. 重复淬火与淬火裂纹

重复淬火容易产生淬火裂纹，这是因为重复淬火会使钢的晶粒粗化，同时重复淬火增加了淬火加热时的脱碳机会，脱碳到一定量时也容易发生淬火裂纹。马氏体的膨胀量随含碳量的增加而增大，因此，脱碳层的马氏体膨胀量比基体要小，这种马氏体膨胀量的差异也是引起淬火裂纹的原因之一，故重复淬火的工件更要注意防止脱碳。造成零件重复淬火的原因有如下情况：①淬火温度低，或虽然加热温度正常，但加热时间不足，造成淬火加热不够充分，致使淬火后硬度不足，只好重新淬火。②回火温度高且回火时间长，将淬火硬度合格的零件回火后硬度降低了。③淬火回火后的工件弯曲变形超差（特别是那些大型长棒形工件如拉刀等），且又无法使其达到合格，只好退火重新淬火后再校直。④产品混料。比如高速钢W18Cr4V钢与W9Mo3Cr4V钢混在一起，或产品跟单上标注的钢材与实际产品钢材不符。比如产品为W18Cr4V 钢，而产品跟单上写的是W9Mo3Cr4V钢，若按W9Mo3Cr4V钢淬火加热，淬火后W18Cr4V 钢的硬度必然低。

避免重复淬火的办法是针对上述不同原因采取相应措施，如严格按工艺文件规定的淬火加热温度和加热时间生产；保证控温仪表和加热设备始终处于正常运转；加强生产管理，不要造成混料、错料事件发生；零件重新淬火前必须进行退火处理，零件重复淬火只能进行一次；认真校直，避免出现返修品。 12. 渗碳与淬火裂纹

进行渗碳的零件，通常采用WC=0.1～0.25%的低碳钢。渗碳深度一般为0.5～2mm（根据零件的性能要求而确定），渗碳层的WC以0.9～1.1%为佳。零件渗碳后淬火，由于表面层含碳量高，其表面层能获得比内部大的马氏体膨胀量，使表面受压应力，从而防止了淬火裂纹的发生。但是当渗碳过度时反而容易引起淬火开裂，这是因为渗碳过度，渗碳层就会成为硬而脆的碳化物层，容易产生淬火裂纹。

过度渗碳还会出现网状渗碳体而导致晶界裂纹。再有渗碳若浓度不均匀时，则淬火时会发生不同的组织转变而引起裂纹。若渗碳后的冷却速度过快，在应力作用下也能引起裂纹，这种情况多发生在合金元素含量较多的渗碳钢件中。 13. 淬火加热炉与淬火裂纹

淬火裂纹与加热炉的关系也是很重要的，若淬火加热炉满足不了零件淬火加热的要求，会影响产品的质量。比如工件外形很大，而炉膛较小，在加热时工件外边沿距炉子加热体太近而造成工件外层边沿的过热，特别是那些带有尖角的零件，会因热效应更容易造成工件过热而发生淬火裂纹。根据生产实践，工件在盐浴炉中进行淬火加热时，工件的外边沿距电极的距离不得小于50mm，以防引起工件表面过热和不慎使工件接触到电极引起串电烧伤工件。如果加热炉的功率不够或电极长期使用变细变短等原因造成炉子升温缓慢，影响工件的加热质量，为保证工件加热充分，相应加热时间要延长，易引起工件的脱碳。加热炉的发热体（电极、电阻丝等）布置不合理或使用中部分损坏造成了炉温不均。再有淬火裂纹与加热炉的类型也有很大关系。最不容易发生淬火裂纹的是真空加热炉，因为真空炉是辐射加热，具有加热缓慢、炉温均匀、无氧化脱碳等优点，是一种不容易引起淬火裂纹的加热炉。

燃料炉多是以重油或液化石油气作为燃料的火焰加热炉，零件与这种火焰直接接触的部分常常发生过热，此外，使用这种燃料时从燃料中产生的氢气会渗入到钢件表面而产生脆性，助长了淬火裂纹的形成，这就是燃料炉淬火裂纹发生率高的原因，现在这种燃料加热炉使用的越来越少了。盐炉与电炉虽然不如真空炉，但比燃料炉要好得多，也比较经济适用，所以到目前为止，盐浴炉和电炉仍被广泛使用。不过我们应重视先进的真空热处理技术，在有条件的情况下，要采用和推广真空热处理。 14. 钢材质量与淬火裂纹

钢材中的非金属夹杂物、疏松、缩孔和气孔等缺陷使钢材致密性较差，非金属夹杂物强烈地破坏了钢的连续性，若非金属夹杂物成大块状存在其危害更大，是产生淬火裂纹的起源。另外，缩孔、气孔是应力集中的一些缺口，热处理时容易由此开裂。

钢中存在严重的碳化物偏析时，对钢材质量的影响非常大。这种情况多见于过共析高合金钢中，因该类钢成分的特点是组织中存在较多的二次碳化物和共晶碳化物，这些碳化物未经过压力加工（如锻造等）前呈明显的带状偏析，使钢产生很大的脆性，淬火时产生的内应力如不能为材料的塑性变形所低消和缓解时，便会引起淬火零件的开裂，裂纹多见于碳化物偏析最严重的地方。在高速钢中碳化物堆集处，颗粒较小的碳化物数量较少，奥氏体晶粒容易长大，故在正常温度下也会容易造成局部过热。碳化物级别过高，会使淬火奥氏体合金度不一致，从而造成工件在冷却时马氏体转变不一致性和不同时性，使内应力增加从而会引起淬火裂纹。

某厂在热处理一批W18Cr4V钢制齿轮滚刀时（规格为M10），1280℃油淬后发现有两件齿轮滚刀内孔壁产生了很深的纵向裂纹，沿裂纹剖开，其断面经腐蚀后，金相检查可见明显的碳化物宽带，碳化物不均匀度为9级，因此判定裂纹由此原因造成的。钢中若存在数量较多的大块角状碳化物时，淬火时粗大的角状碳化物对阻碍晶粒长大的作用小，使晶粒容易长大，从而容易引起钢的过热，强度降低，而产生淬火裂纹。

碳素工具钢和合金工具钢如因退火不佳而形成片状珠光体和网状碳化物等，容易使零件产生裂纹。这是因为网状碳化物使钢的强度和钢性大为降低。相同成分的钢，片状珠光体与珠状球光体相比较，前者较后者在较低的淬火温度下结束相变，因而在较低温度下其晶粒即开始长大，从而可引起钢的过热，强度降低。

防止因钢材质量不佳造成淬火裂纹，应做好如下几方面的工作： （1）对进厂的钢材一定要严格检验，不合格的钢材坚决拒之门外。 （2）“漏网之鱼”何时都有，不合格的钢材不能投入生产。

（3）对碳素工具钢和合金工具厂要进行良好的退火，防止网状碳化物的产生。

（4）对一些碳化物偏析比较严重的大规格、高合金工具钢工件，淬火前要对坯件进行镦拔锻造加工，使碳化物不均匀度得到良好的改善。

（5）对一些特大规格的高速钢刀具虽然进行了锻造，但碳化物偏析仍较严重，以及由于各种原因不能进行锻造加工来改善碳化物不均匀度的长棒形大直径刀具（如直径≥90mm的大规格高速钢拉刀等产品，其直径越大，碳化物偏析越明显），所以应在保证各项性能质量要求的前提下，应尽量采用比较安全合理的热处理工艺。

可按下面的工艺进行生产：

淬火：第一次预热550～600℃；第二次预热850～900℃； 高温加热（W18Cr4V为1270～1275℃，W9Mo3Cr4V为1225～1230℃，W6Mo5Cr4V2为1220～1225℃）。第一次分级冷却580～620℃；第二次分级

冷却400～450℃；等温冷却250～280℃。第一次预热时间不少于60min，第二次预热时间为高温加热时间的2 倍，两次分级冷却时间与高温加热时间相同，等温时间为60～120min。

回火：在第一次回火中，刀具等温冷却后空冷至50～60℃，然后放入250～300℃的盐浴炉中预热30min，再移入回火炉中缓慢升温至560℃保温60min，随后出炉在空气中缓冷至室温。冬季天冷要放入铁筒或空闲炉中缓冷至室温，及时进行第二次回火。因大量残余奥氏体基本上在第一次回火冷却过程中完成回火马氏体的转变，会产生很大内应力，为尽快消除这些内应力，应及时进行第二次回火。第二、三、四次回火前同样要进行250～300℃预热30min，以减少回火加热过快造成的应力，这是避免发生回火裂纹非常有效的措施。

15. 锻造与淬火裂纹

工件在锻造时会因各种原因如冶金缺陷，像非金属夹杂、缩孔及气泡等在锻造时均能引起裂纹。另外锻造时工件入炉时温度过高、升温太快、加热温度过高、锻造时变形太大以及变形不均、终锻温度过低及锻造后冷速过快等原因都能引起锻造裂纹，这些裂纹有的深藏在内部，有的暴露在表层。

有些锻造裂纹热处理前未被发现，但在热处理时扩展了，使工件在淬火工序发生了开裂。某厂曾有三件由254mm（10in）钢锭锻成的9Cr2钢轧辊，粗加工后辊身直径200mm；第一件在淬火时裂为两段，当即停止了另两件的淬火并进行分析。通过对两件未淬火的轧辊做超声波探伤，均发现内部缺陷严重，并集中分布在相当于钢锭冒口的一端。进行横向切片检查发现裂纹已扩展到接近轧辊的表面，并在心部发现有铸锭在凝固收缩时产生的孔洞。这样的钢件发生淬火开裂就不足为怪了。

零件热处理裂纹的分析与对策（4）

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16. 零件的形状与淬火裂纹

热处理零件的形状与淬火裂纹有密切关系，而零件的形状与设计有关。那些形状复杂、截面变化大、厚薄相关悬殊、带有尖角沟槽的零件，淬火冷却时会产生极为复杂的内应力，非常容易引起淬火裂纹。 对热处理来说，较好的形状应该是：截面变化比较均匀；不产生应力集中的区域，也就是无缺口效应。形状不好的零件，无论技术多么娴熟也很难完全防止淬火裂纹的发生。以下形状的零件淬火裂纹发生的概率非常大。

图4 和图5 为横截面急剧变化的淬火裂纹，图6 为尖角和孔穴处的淬火裂纹，图7 和图8为键槽的淬火裂纹，图9 为斧头薄刃处的淬火裂纹。以上零件之所以容易产生裂纹是因为发生裂纹的部位均属于应力集中区域，即尖角处和截面急剧变化的交界处。这些区域在淬火时，常由于应力过大而引起淬火开裂。

有资料介绍，尖角处的应力约为平滑面部位的10倍左右，有人称尖角是导致淬火裂纹的致命因素。因此，尖角的转角处最好做成半径R=3～5mm的圆角，若做不到，那怕有1mm半径的圆角或倒一下角也是好的。有人做过试验，当半径为5mm时，尖角的影响减半，半径为15mm时则被全部消除。

防止或减少此类零件淬火裂纹的措施：

（1）改善零件的不良形状，如在其壁厚处开工艺口；在其壁薄处加加强筋；将厚薄悬殊部位做成一定斜度；在满足零件性能要求的前提下，将壁厚部分和壁薄部分做成组合件。 （2）直径比较大的零件最好做成空心的。 （3）尖角改成圆角，那怕有1mm的圆角或倒角也好。

（4）孔的入口处和出口处往往容易发生淬火裂纹，在出入口处倒一下角，最好用粘土或石棉泥将孔堵上，使其不产生缺口效应。

（5）对结构复杂、截面厚薄相差较大的工件，可选用淬透性大的钢材，以便在冷却时能选用分级淬火等缓慢的冷却方式，这样既能满足硬度要求又能防止产生淬火裂纹。

（6）在淬火操作上注意不要冷透，最好冷到50～60℃左右（用手可以触摸的程度），不经清洗在盐浴炉中立即回火，使淬火应力得到及时消除，对防止淬火裂纹起到很好的作用。 17. 冲刻标记与机械加工不当造成零件表面缺陷引起的淬火裂纹

用尖锐的字头在零件表面冲刻标记或机械加工不当造成零件表面有较深的刀纹时，在这些部位造成应力集中容易引发零件的淬火裂纹。图10 为由冲刻标记造成的淬火裂纹。

图10 从刻印标记处产生的淬火裂纹

防止由此产生淬火裂纹的办法是：不要在零件表面冲刻各种标记，实在需要有标记时，可用万能笔书写等办法解决；机械加工时不能使工件表面加工的过于粗糙，更不要造成深的刀纹。 18. 冷处理与冷处理裂纹

一般来说，冷处理原则上应在工件淬火后内外完全冷至室温后立即进行，因此说冷处理实际就是淬火过程的继续。其目的是将组织中残余奥氏体更多、更完全地转变为马氏体，以提高工件的硬度、强度、耐磨性和尺寸的稳定性。对高速钢来说还可以减少回火次数。

冷处理有采用固态二氧化碳、酒精等冰冷剂（-78℃至-80℃）的普通冷处理和采用液氮（-196℃）的超冷处理等两种。生产中主要采用普通冷处理。

零件冷处理时发生裂纹是经常遇到的问题，这是由于淬火冷却时产生的淬火应力因冷处理而增大了，再有冷处理使大量残余奥氏体转变成马氏体而产生的相变应力，这两方面的应力叠加在一起往往就会产生与淬火裂纹相同的裂纹，这就是冷处理裂纹。

如何防止冷处理裂纹的发生呢？零件淬火冷透后就应立即进行冷处理，但在实际生产中很难这样做，因淬火后立即冷处理产生裂纹的概率很大。英国G·S·考普认为：为了得到较好的效果，冷处理应采用连续冷却，但是这时形成裂纹的危险性又会显著增加，即便对形状简单的工具也是如此。日本大和久认为：为了防止冷处理裂纹，应在冷处理前于100～130℃略微回一下火，也就是说，在使残余奥氏体稍许稳定化、同时降低淬火应力之后，再进行冷处理，这样做可以说基本上可完全防止冷处理裂纹。

某工具厂热处理一批Cr12MoV钢制滚丝轮时，1130℃高温加热，油冷，淬火后硬度48～52HRC，完全冷却后于-78℃%冷处理。冷处理后发现沿键槽处开裂，几乎全军覆没。分析其原因，由于采用1130℃的高温加热，淬火冷却后残余奥氏体量可达85%左右，冷处理时将有大量残余奥氏体马氏体化，必然产生相当大的相变应力，发生开裂是难免的。后改为淬火油冷至室温，然后在500～520℃回火1h，再冷至室温进行冷处理，使一部分残余奥氏体在第一次回火冷却时发生了转变，这样一来相应就减少了冷处理时产生的应力，没有再发生裂纹。冷处理后再于500～520℃回火两次，每次1h，

回火后硬度60～62HRC。

如何进行冷处理及如何防止冷处理裂纹发生，各厂有不同的方法和措施。但有一条必须注意，冷处理前零件一定要冷透。另外，在对高速钢等高合金钢零件冷处理时不要连续降温，要分段降温，即在-20～-30℃停留20min左右，再继续降温到-70～-80℃。零件冷处理后不要立即从冷处理炉中取出，应等其温度回升到-30℃左右时取出，待零件完全恢复到室温后要及时回火，消除应力。 19. 焊接裂纹

这里所述焊接裂纹，是指对焊接刀具在焊缝处发生的裂纹。为节约昂贵的高速钢材，高速钢刀具的刃部使用高速钢制作，柄部使用45钢或40Cr钢等价格便宜的钢制作。为此，生产中用对焊的方法使两种钢材焊接在一起，这样在两种钢材之间有一条焊缝。若焊接质量不佳，在焊缝处存在气孔、氧化物夹杂或局部脱焊（没焊合）等，则在热处理后都会出现裂纹，或在校直时焊缝开裂，断裂面多呈深褐色，有的还会有氧化皮等。

防止裂纹发生的措施：

（1）要严格按焊接工艺进行操作。

（2）要注意焊接前焊接坯料的对焊面一定要清理干净，不能生锈，更不能有氧化皮或其他脏物存在。 20. 敲击裂纹

这种裂纹主要发生在淬火后的杆状刀具在敲击校直时形成的裂纹。杆状刀具淬火后发生弯曲变形是经常发生的，只能用校直的办法来解决，当采用敲击校直时，若敲击用力过大或反复敲击，被敲击部分会引起冷作硬化，被敲击处的组织受到破坏而产生较大应力，甚至出现肉眼难以发现的微细裂纹，酸洗时或在长期存放与使用中便会产生裂纹，这就是敲击引起的敲击裂纹。

这种裂纹主要发生在淬火后的杆状刀具（如细长拉刀、长钻头等）敲击校直过程中。敲击校直的方法如图&&所示。将弯曲的工件放在钢铁制平台上，用锤子锤击工件弯曲的凹面，锤头要有一定的硬度，或用淬火回火后的剁刀置于弯曲工件的凹面，用锤子锤击剁刀的刀背。

图11 敲击校直示意图 1.剁刀 2.锤子 3.弯曲的工件 4.平台

为防止造成敲击裂纹，剁刀的刀刃不能太尖，要磨成一圆弧，敲击时不能用力过大，敲击点应均匀分布在凹面的一定范围内，不能集中在一个部位敲击，更不能多次反复敲击一点。敲击时要注意安全，戴好手套和防护面罩。

敲击过的工件最好不要酸洗，非要酸洗时酸洗时间要短，以防引起裂纹。敲击校直的方法一般适用在其他校直方法达不到目的时才使用，或弯曲量不大的工件采用敲击校直。建议尽量不采用或少采用这种校直方法。

零件热处理裂纹的分析与对策（5）

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21. 热点校直(对称火焰校直)时产生的裂纹

热点校直是用氧乙炔火焰热点(加热)弯曲工件的凸面，是利用热涨冷缩的作用使弯曲的工件得以校直。热点要均匀分布在工件的凸面上，不要集中在一个部位上加热。热点的数量和分布情况，要根据弯曲工件的具体情况而定，如工件的弯曲量、弯曲部位和弯曲范围等。热点校直适用于细长的、直径或有效厚度不大的薄片工件的校直，如细长的轴类、芯杆、键槽拉刀、机用锯条以及锯片铣刀等。热点时若加热过快或重复热点一个部位，容易在热点处产生裂纹。

某厂在冬季用氧乙炔火焰校直Φ36mm、长580mm心杆(T8)时，冷却后发现热点处有裂纹发生。后采取在火焰校直前，将芯杆放在160～180℃预热炉中预热30min后再热点校直，裂纹不再发生。因冬季室温低．采取预热就相当于减小了加热速度．从而减小了热应力。 22. 酸洗裂纹

由于工件在酸洗时，会产生氢原子扩散到钢中，产生相当大的内应力，使钢的强度和塑性降低，脆性增大(被称为氢脆现象)。经过敲击过的工件，热点校直过的工件，焊接不良的刀具及回火不充分的对焊刀具，残余应力较大，在酸洗时极易产生酸洗裂纹。对焊刀具的酸洗裂纹其位置大都靠近焊缝处塑性较低的高速钢部分。热处理正常的对焊刀具在酸洗时，如果酸洗液浓度过高或酸洗时问过长，也会产生酸洗裂纹。

表2是某厂生产规格为25×5的弧型键槽铣刀，刃部材料为W18Cr4V钢，柄部为45钢，经1285℃分级淬火，560℃三次回火，每次lh，随后在不同浓度的酸洗液中酸洗2h，出现裂纹的情况。 表3所列为在相同浓度的酸洗液中经不同时间酸洗，出现裂纹的情况。

23. 因热处理不当引起的磨削裂纹

热处理后的工件在磨削过程中．因砂轮选择不合理磨削规范不合理或磨削的不规范，容易造成零件的磨削裂纹。同样，若热处理不当也能造成工件的磨削裂纹，如热处理后残余应力较大或残余奥氏体量较多，这种情况多为回火不充分造成。当工件回火不充分时，淬火应力得不到充分消除，这些应力与工件磨削时产生的应力叠加在一起就容易造成磨削裂纹。此外，工件若存在较多的残余奥氏体(如高合金钢)，则它们会因磨削而马氏体化，继续对之进行磨削，也容易产生磨削裂纹。工件渗碳时，若渗碳层中碳浓度太高，网状碳化物严重，零件在磨削加工中非常容易出现裂纹。 24. 回火裂纹

回火裂纹是指淬火的钢件进行回火时，因加热速度过快或冷却速度过急或是因组织变化而形成的裂纹。 (1) 快速回火加热引起的回火裂纹：若将淬火钢件快速加热，表层与内部会产生较大的温度梯度，而产生较大的内应力。不仅如此，由于淬火后的钢为马氏体组织，因而处于膨胀状态，若将淬火的钢快速加热，则在表面会引起收缩，而其内部仍处于膨胀状态，故表层受拉应力而使工件发生开裂。 (2) 回火加热后急冷引起的回火裂纹：这种情况多发生在回火产生二次硬化的高合金钢中，如高速钢或高铬模具钢(如Crl2、Crl2Mo、Crl2MoV钢)等，当从回火温度(500～560℃)急剧冷却时，残余奥氏体发生淬火，生成二次马氏体的应力很大，会形成与淬火裂纹相同的裂纹。其道理与淬火裂纹的形成是一样的。另外，这类钢中合金元素较多，导热性较差，若从回火温度急冷至室温，将产生很大的热应力，尤其是对那些大规格、形状复杂的高速钢工件，容易促使裂纹的发生。

防止回火裂纹的发生应注意回火加热与冷却时要缓慢进行。对出现二次硬化的高合金钢更应注意回火加热与冷却速度，对一般高速钢工件回火后在空气中缓冷即可。在寒冷的冬季对有效厚度比较大的高速钢

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