【推荐阅读】模锻件分模面淬火裂纹分析与预防

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开式模锻造结构钢零件在淬火时沿分模面开裂，是锻件热处理比较常见的缺陷。它往往呈阶段性批量出现，有时竟高达30%，造成极大的经济损失。许多厂家为减少分模面裂纹的产生，从控制冶金缺陷、调整热处理工艺方面作了大量的工作，虽然有一定的效果，但并不十分理想。本文作者在多年从事锻造工艺和金相检验的基础上，对分模面裂纹的产生作了大量的追踪、统计和分析工作，深深体会到:要了解模锻件分模面淬火裂纹，必须了解开式热模锻成型的过程及分模面的组织结构和缺陷分布。从锻造工艺上着手，通过控制锻造过程中金属流动，减少分模面处的组织缺陷，才能从根本上杜绝分模面产生淬火裂纹。对锻造工艺一时不易更改、有可能出现分模面裂纹的锻件，则在热处理时采用相应的对策进行补救。。。。。。

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% a) J$ O* q( ~' |+ Z" D[ 本帖最后由 ynsh518 于 2008-10-25 11:19 编辑 ]

rockston

内容很多,我整理了一下,放在附件中,还是很值得一看的

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　　开式模锻造结构钢零件在淬火时沿分模面开裂，是锻件热处理比较常见的缺陷。它往往呈阶段性批量出现，有时竟高达30%，造成极大的经济损失。许多厂家为减少分模面裂纹的产生，从控制冶金缺陷、调整热处理工艺方面作了大量的工作，虽然有一定的效果，但并不十分理想。本文作者在多年从事锻造工艺和金相检验的基础上，对分模面裂纹的产生作了大量的追踪、统计和分析工作，深深体会到:要了解模锻件分模面淬火裂纹，必须了解开式热模锻成型的过程及分模面的组织结构和缺陷分布。从锻造工艺上着手，通过控制锻造过程中金属流动，减少分模面处的组织缺陷，才能从根本上杜绝分模面产生淬火裂纹。对锻造工艺一时不易更改、有可能出现分模面裂纹的锻件，则在热处理时采用相应的对策进行补救。
　　1 分模面淬火裂纹的特征
& ~: l, ]6 v, [' W$ w8 S　　模锻件的锻造及热处理工序为:下料—制坯—热模锻—热切边—正火、淬火和回火—酸洗或抛丸，通常是在锻造和热切边后探伤未发现裂纹，而在热处理淬火或酸洗后发现沿分模面的贯通性裂纹。图1为连杆分模面裂纹照片，由图1可见，裂纹深度约5mm～8mm，在0150mm～1100mm内呈喇叭形，由粗渐细向深扩展，裂纹较直，多为穿晶开裂，裂纹两侧与基体组织一致，无脱碳现象发生，见图1b。
$ _8 [2 z* |. C# L1 g　　 http://www.china-metallography.com/china-met04/02-quench/images0402/quench008-1.jpg

　　图1　连杆分模面淬火裂纹(a)和微观组织(b，×100)照片

　　2 热模锻飞边及分模面的结构及缺陷形成
　　分模面是开式热模锻成型时多余金属流出形成飞边的中心面，一般的模锻中形成飞边的金属是很多的，占锻件重量的20%～30%。在压力加工形变的初期，按照金属向最大主应力增大方向流动的原理，局部加载，整体受力、变形。在金属充满型腔阶段，由于模壁和桥口的阻力足够大，金属受三向应力，按照金属向阻力最小方向流动的原理，被挤压而充满型腔，少量金属流出桥口，形成飞边，并逐渐减薄，金属与锻模型腔由于在接触面上阻碍相对移动的外摩擦、以及晶界和晶内滑移的内摩擦，导致表面和心部金属流动速率不同。这种表层与心部的相对运动，势必形成汇集于分模面的流动分界面，而这种层状结构的抗撕裂能力通常是很低的。当金属充满型腔后，按照金属向阻力最小方向流动的原理，形变只发生在分模面附近的小区域内，其余部分则处于弹性状态，多余的金属由分模面涌出全部形成飞边，图2所示为模锻连杆的飞边。然后用切边压力机切去多余飞边而完成锻件成型，切去飞边后在分模面上出现大量的纤维露头，从微观上看每一个纤维露头都是一个显微缺陷，是一个应力集中点，很容易连贯成为大裂纹。整个形变过程使原材料中心部位的缺陷和夹杂物朝分模面和飞边汇集而密布于切边处。对于锻造可变形的非金属夹杂物，如硫化物和多数硅酸盐等，在分模面顺金属延伸方向而呈片状形式存在;对于锻造不可变形的非金属夹杂物，如氧化物和氮化物等，则在分模面顺金属延伸方向而呈面状集团形式存在，从而引起金属在分模面处分层。当金属充满型腔后，由于飞边厚度的进一步减薄、冷却和桥口摩擦等原因，多余金属流出桥口的阻力极大，且只能从飞边中心面很狭窄的区域内沿分模面向四周流出，大金属流量和小变形范围，必然导致原材料中的夹杂物和偏析也因应力集中而开裂并扩展。由于以上原因导致分模面成为“弱面”，抗撕裂能力极度弱化。因此淬火时的高应力很容易使分模面产生贯穿性裂纹。
　　 http://www.china-metallography.com/china-met04/02-quench/images0402/quench008-2.jpg
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　　图2　模锻(a)连杆(c)的飞边(b)照片

　　3　影响分模面淬火裂纹产生的因素
& [! w# M( r4 t5 J" ~　　(1)零件的形状　对圈类和饼类锻件而言，一般是沿原材料纤维方向镦粗预锻后再在模膛中成型的，既有高度方向的变形，也有宽度和周向的变形，它的纤维方向是比较复杂的，分模面纤维露头较少，同时相互牵扯，即便在比较剧烈的冷却介质里淬火，也不容易出现分模面裂纹。在分析有分模面裂纹的连杆时发现，其裂纹长度几乎贯穿整个连杆杆部，然而连杆的头部并未开裂。淬火时头部较杆部热容量大、冷却较慢固然是不裂的原因之一，但更重要的是头部的变形方式的不同。通过大量统计，绝大部分分模面裂纹都出现在锻件的杆部，而且基本上在滚压制坯过程中已经把长度拔出，在模膛中成型时杆部只是横向变形。杆部单一横向形变的结果，必然导致原材料的纵向缺陷(如MnS等和基体结合力很差的化合物)被横向变形拉开，纵向偏析带被横向变形加宽，造成横向强度的急剧下降。这是杆类锻件分模面更容易出现纵向贯穿淬火裂纹的主要原因，这也是为什么有较高横向强度要求的零件不允许有太大锻造比的原因。
　　(2)形变方式　由于模锻锤易于上下充满型腔而金属水平方向流动能力较差，而在热模锻压力机中，金属水平方向易于流动而上下充满型腔能力较差。因此模锻锤较热模锻压力机锻件更容易产生分模面裂纹。预锻制坯和模膛形状决定了金属的流动和变形方式，在考虑金属易充满模膛的同时，一定让零件多方向变形。对杆类锻件而言，主要是模膛成型时增加杆部长度方向的变形量，使纵向变形焊合这些横向缺陷，强化分模面，而且使杆部纵向纤维更细密、均匀一致。为防止分模面弱化，锻件设计时尽可能采用大一些的圆角。同时，可适当增加制坯工步，以免终锻时过多金属激烈流入飞边槽而产生微裂纹。
　　(3)飞边量　在金属充满型腔时，多余的金属全部形成飞边由分模面排出，形变只发生在分模面附近的小区域内，如同镦粗薄板，其余部分则处于弹性状态，心部严重的疏松和夹杂物也排出在切边处。随着飞边厚度的减薄和冷却，多余金属流出桥口的阻力越大，需要施加的压力或锤击的次数随之增加，分模面集中的缺陷也越严重。
) k8 B* n' O7 R1 S9 R  D9 I5 C　　(4)金属的变形速度　变形速度越快，形变阻力越小，流动性越好，加上形变热效应和流动惯性，金属充满型腔及多余金属形成飞边也越容易。因此应尽量采用快速变形。
　　(5)桥口尺寸　在减小飞边量和增加变形速度的前提下适当降低桥口高度，加大桥口的阻力，保证金属易充满型腔，提高终锻温度。
　　(6)终锻温度及切边温度　终锻温度高可以防止第二相析出，提高金属塑性，在随后热切边时可以防止纤维露头连通或扩展。
" T7 l4 r* h: S　　(7)模锻脱模剂　用湿锯末作模锻脱模剂，忌用重油作模锻脱模剂，重油会使分模面微裂纹扩展。
　　(8)原材料冶金缺陷　原材料非金属夹杂物、疏松及偏析越严重，越容易产生分模面裂纹。
　　(9)热处理加热及冷却　根据GB/T13320-1991《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》，一般锻件允许少量铁素体存在，因此在保证内在组织要求的前提下，尽量选用较低的淬火温度及和缓的冷却介质。
; s8 c( M' \+ Q2 m　　4　预防分模面淬火裂纹产生的措施
　　(1)锻造工艺　制坯和成型时尽量使金属从6个方向充满模膛，对杆类锻件而言成型时应增加杆部长度方向的变形量。提高锻造工艺水平，下料制坯尽量精确，减少锻造飞边量。锻件尽可能采用大一些的圆角设计，并适当增加制坯工步。加大击打力度与变形速度。在减小飞边量和增加变形速度的前提下，模具桥口设计适当取下限。提高终锻温度及切边温度。
; D; Z; h! o7 W　　(2)热处理工艺　对锻造工艺不易更改，且有可能出现分模面裂纹的锻件，可采用相应的热处理工艺予以补救。锻造成型后不切边，带飞边淬火，由于没有纤维露头和显露的缺陷，分模面得到加强和保护，避免了裂纹产生。待热处理完毕后铣去飞边。适当提高正火温度和回火温度，将淬火温度降至下限，能使分模面裂纹减少60%。均衡冷却，防止锻件扭曲和翘曲，减小纵向剪切应力。
　　5　结论
　　(1)模锻件淬火时沿分模面出现裂纹，是由于开式热模锻成型的过程和特点及分模面本身固有的组织缺陷决定的。锻造工艺不当，可使这些缺陷更加严重。
2 Y' E$ O! G) j1 w　　(2)模锻件分模面裂纹起因于锻造，产生于热处理淬火过程中，可以通过改进锻造工艺，控制锻造过程中金属流动，减少分模面处的组织缺陷，避免分模面淬火裂纹的产生。
: `: ^! m9 g1 I& q) B　　(3)对锻造工艺不易更改，而有可能出现分模面裂纹的锻件，可在热处理时采用相应的对策予以补救。