工程材料第12章模具热处理缺陷

热处理缺陷的成因分析及解决方案（图)模具的热处理包含了预备热处理、最终热处理及表面强化处理。

模具热处理中,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。

通常热处理缺陷是指模具在最终热处理过程中或在以后的工序中以及使用过程中出现的各种缺陷,如淬裂、变形超差、硬度不足、电加工开裂、磨削裂纹、模具的早期破坏等.分析热处理缺陷产生原因，进而采取相应预防措施,具有显著的技术经济效益.⒈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、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。

解决方案：(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。

⒉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、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.解决方案：（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。

热处理常见缺陷#热处理缺陷在热处理工艺中淬火工序造成的废品率往往较高，这主要是在淬火过程中，同时形成较大的热应力与组织应力，此外，由于材料内在的冶金缺陷、选材不当、错料、设计上的结构工艺性差、冷、热加工过程中形成的缺陷等因素，均容易在淬火、回火工艺中暴露出来，因此对零部件淬火、回火后的缺陷必须进行系统的分折与调査。

淬火缺陷与预防钢件淬火时最常见的缺陷有淬火变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足或不均匀、表面腐蚀、过烧、过热及其他按质量检查标准规定金相组织不合格等。

1.淬火变形与淬火裂纹在实际生产中，应该根据淬火变形与淬火裂纹的形成原因采取有效的预防措施。

(1)尽量做到均匀加热及正确加热工件形状复杂或截面尺寸相差悬殊时，常因加热不均匀而变形。

为此，工件在装炉前，对不需淬硬的孔及截面突变处，应采用石棉绳堵塞或绑扎等办法，以改善其受热条件，对一些薄壁圆环等易变形零件，可设计特定淬火夹具。

这些措施既有利于加热均匀，又有利于冷却均匀。

工件在炉内加热时，应均匀放置，防止单面受热，应放平，避免工件在髙温塑性状态因自重而变形。

对细长零件及袖类零件尽量采用井式炉或盐炉垂直悬挂加热。

限制或降低加热速度，可减少工件截面温差，使加热均匀。

因此对大型锻模、髙速钢及高合金钢工件，以及形状复杂、厚薄不匀、要求变形小的零件，一般都采用预热加热或限制加热速度的措施。

合理选择淬火加热温度，也是减少或防止变形、开裂的关键。

选择下限淬火温度，减少工件与淬火介质的温差，可以降低淬火冷却高温阶段的冷却速度，从而可以减少淬火冷却时的热应力。

另外，也可防止晶粒粗大。

这样可以防止变形开裂。

有时为了调节淬火前后的体积变形量，也可适当提高淬火加热温度。

例如CrWMn、Cr12Mo等高碳合金钢，常利用调整加热温度，改变其马氏体转变点以改变残余奥氏体含量，以调节零件的体积变形。

(2)正确选择冷却方法和冷却介质的基本原则尽可能采用预冷，即在工件淬入淬火介质前，尽可能缓慢地冷却至Ar附近，以减少工件内温差。

模具钢热处理十种组织缺陷分析及对策王荣滨(南弯工具厂江西330004摘要讨论了模具钢十种热处理组织缺陷及消除方法,可产生明显经济效益和社会效益。

关键词模具钢组织缺陷对策Abstract This paper analyzes ten kinds of microstruture defect of heat treatment moldsteel,and it also gives the relative solutions to avoid defects,which can obviously bringabout the economic benefit.K eyw ords mold steel microstructure defect countermeasures钢的物理性能、化学性能和力学性能决定钢的热处理组织,正常组织赋予钢产品优异性能和高寿命;热处理组织缺陷恶化钢的性能,降低模具产品质量和使用寿命,甚至产生废品和发生事故。

因种种原因,钢热处理主要有十种组织缺陷,分析原因,采取对策,提高模具使用寿命,有显著技术经济效益。

1奥氏体晶粒粗大钢奥氏体晶粒定为13级,1级最粗,13级最细。

1~3级为粗晶粒,4~6级为中等晶粒,7~9级为细晶粒,10~13级为超细晶粒。

晶粒愈细,钢的强韧性愈佳,淬火易得到隐晶马氏体;晶粒愈粗,钢的强韧性愈差,淬火易得到脆性大的粗马氏体。

实践证明,奥氏体形成后,随着温度升高和长时间保温,奥氏体晶粒急剧长大。

当加热温度一定时,快速加热奥氏体晶粒细小;慢速加热,奥氏体晶粒粗大。

奥氏体晶粒随钢中W、Mo、V元素增加而细化,随钢中C、Mn元素增加而增大。

钢最终淬火前未经预处理,奥氏体晶粒愈粗化,淬火得粗马氏体,强韧性低,脆性大。

仪表跑温,晶粒粗化,降低晶粒之间结合力,恶化力学性能。

对策—合理选择加热温度和保温时间。

加热温度过低,起始晶粒大,相转变缓慢;加热温度过高,起始晶粒细,长大倾向大,得到粗大奥氏体晶粒。

模具热处理缺陷及预防1．模具表面有软点模具热处理后表面有软点，将影响模具的耐磨性、减少模具的使用寿命。

（1）产生原因1）模具在热处理前表面有氧化皮、锈斑及局部脱碳。

2）模具淬火加热后，冷却淬火介质选择不当，淬火介质中杂质过多或老化。

（2）预防措施1）模具热处理前应去除氧化皮、锈斑，在淬火加热时适当保护模具表面，应尽量采用真空电炉、盐浴炉和保护气氛炉中加热。

2）模具淬火加热后冷却时，应选择合适的冷却介质，对长期使用的冷却介质要经常进行过滤，或定期更换。

2．模具热处理前组织不佳模具最终球化组织粗大不均、球化不完善，组织有网状、带状和链状碳化物，这将使模具在淬火后易产生裂纹，造成模具报废。

（1）产生原因1）模具钢材料原始组织存在严重碳化物偏析。

2）锻造工艺不佳，如锻造加热温度过高、变形量小、停锻温度高、锻后冷却速度缓慢等，使锻造组织粗大并有网状、带状及链状碳化物存在，使球化退火时难以消除。

3）球化退火工艺不佳，如退火温度过高或过低，等温退火时间短等，可造成球化退火组织不均或球化不良。

（2）预防措施1）一般应根据模具的工作条件、生产批量及材料本身的强韧化性能，尽量选择品质好的模具钢材料。

2）改进锻造工艺或采用正火预备热处理，来消除原材料中网状和链状碳化物及碳化物的不均匀性。

3）对无法进行锻造的碳化物偏析严重的高碳模具钢可进行固溶细化热处理。

4）对锻造后的模坯制定正确的球化退火工艺规范，可采用调质热处理和快速匀细球化退火工。

5）合理装炉，保证炉内模坯温度的均匀性。

3．模具产生淬火裂纹模具在淬火后产生裂纹是模具热处理过程中的最大缺陷，将使加工好的模具报废，使生产和经济造成很大损失。

（1）产生的原因1）模具材料存在严重的网状碳化物偏析。

2）模具中存在有机械加工或冷塑变形应力。

3）模具热处理操作不当（加热或冷却过快、淬火冷却介质选择不当、冷却温度过低、冷却时间过长等）。

4）模具形状复杂、厚薄不均、带尖角和螺纹孔等，使热应力和组织应力过大。

Cr12钢模具的热处理工艺【摘要】Cr12钢作为冷冲压模具中的一种材料，硬度和耐磨性都较好，但是它的冲击韧性比较低，容易裂开，这就不适合生产应用。

加工生产成本的高低直接与模具的使用寿命密切相关，而模具寿命的长短则受到热处理工艺的影响。

而将Cr12钢经过真空热处理后，它的残余应力会缩小，同时韧性和硬度都提高。

在后续的加工过程中，也会减小其变形量，提高了力学性能。

本文以Cr12钢为例介绍冷冲压模具的淬火、回火等多种热处理工艺及其对材料性能改善、使用寿命延长等所起的作用。

【关键词】Cr12钢；冷冲压模具；淬火1.引言Cr12模具钢是一种常见的合金工具钢，它的生产标准按照国标GB/T 1299-2000进行。

Cr12钢的淬透性好，而且变形量较小，正是由于这些优点，所以在目前的冷作模具生产中Cr12钢被当作广泛使用的材料。

但是也有的工厂在使用Cr12钢的过程中会发生失效现象，比如出现脆断、崩刃等现象，而这时将其进行热处理加工后，发现性能得到极大改善，也减少了这些不良状况的发生。

过去很多冷冲压模具制造成本高，性能较差，而且寿命较短，这些因素都最终影响了最终的产品质量。

这是由于Cr12模具钢中含有较多的残余碳化物，导致有些截面不平整、不均匀，再加上普通的淬火、回火等热处理过程不能很好的保证材料的韧性，所以最终导致了上述的脆断、崩刃等现象。

在有的文献中采用过去盐浴炉加热或箱式炉加热进行热处理效果欠佳，如果使用真空热处理保持无氧化、无脱碳等氛围，可以极大地改善力学性能、冲击强度和抗弯韧性。

本文从淬火、回火等热处理的角度出发，研究其对Cr12模具钢韧性和寿命的改善。

2.Cr12冷冲压模具钢的介绍2.1 冷冲压模具的分类过去，很多模具在生产过程中使用电火花加工工艺，或者在成型过程中使用的打磨、切削等工艺，有时不能保证材料的表面硬度、耐磨性等。

所以要选用淬透性高的模具钢材料，才能提高表面硬度和耐磨性，从而延长材料的使用寿命。

第一章材料的力学行为和性能思考题1.解释下列力学性能指标。

(1) HB (2) HRC (3) HV2.解释下列名词。

（1）蠕变（2）低应力脆断（3）疲劳（4）断裂韧度3.下列工件应采用何种硬度试验方法来测定其硬度？（1）锉刀（2）黄铜轴套（3）供应状态的各种碳钢钢材（4）硬质合金刀片（5）耐磨工件的表面硬化层4.下列硬度表示方法是否正确，为什么？(1)HBW250~300 (2)5~10HRC (3)HRC70~75 (4)HV800~850 (5)800~850H5.比较铸铁与低碳钢拉伸应力-应变曲线的不同，并分析其原因。

6.一根两端固定的低碳钢丝，承受拉应力为20Mpa，当温度从30摄氏度突然下降到10摄氏度时，钢丝内新产生的应力为多少？7.现有原始直径为10mm圆形长、短试样各一根，经拉伸试验测得的伸长率均为25%，求两试样拉断后的标距长度。

两试样中哪一根塑性好？为什么？8.甲乙丙丁四种材料的硬度分别为45HRC、90HRB、800HV、240HBW,试比较这四种材料硬度的高低。

第二章材料的结构思考题1.为何单晶体具有各向异性？而多晶体在一般情况下却显示各向同性？2.解释下列基本概念；晶体与非晶体；晶体的各向异性；同素异晶转变；位错；晶界；固溶体；金属化合物。

3.试述高分子链的结合力、分子链结构、聚集态结构对高聚物的性能的影响。

4.何为高分子材料的老化？如何防止？5.试计算面心立方晶格的致密度。

6.说明结晶对高聚物性能的影响。

第三章1.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？2.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒的大小？3.如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：（1）.金属模浇注与砂模浇注；（2）.高温浇注宇与低温浇注；（3）.铸成薄件与铸成厚件；（4）.浇注时采用振动和不振动。

4.二元匀晶相图、共晶相图与合金的力学性能和工艺性能之间存在什么关系？5.画出Fe-Fe3C相图，指出图中各点及线的意义，并标出个相区的相组成物和组织组成物。

1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。

答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。

线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。

如位错。

面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。

如晶界和亚晶界。

亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。

亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。

刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。

滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。

如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。

单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。

多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。

过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。

自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。

非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。

变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。

变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。

固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度，硬度升高的现象叫做固溶强化原因：晶格畸变过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？答：①冷却速度越大，则过冷度也越大。

②随着冷却速度的增大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时原子的扩散能力减弱。

《模具材料与热处理》课程标准课程名称：模具材料与热处理课程代码：0813017总学时数：48（理论课学时数：40 实践课学时数：8）学分数：适用专业：模具设计与制造一、课程的性质1、专业必修课；2、理论课+实践课。

二、课程定位本课程是模具设计与制造专业的一门专业核心基础课，它是《机械基础》、《模具制造工艺学》、《塑料成型工艺与模具设计》等专业课程学习的基础，同时，这么课程又能培养学生正确加工产品，合理使用和维护模具设备，进一步学习机械类相近专业的职业能力，为学生的可持续发展奠定了良好的基础，高职学生在学习这门课时，一方面为学其他专业课打基础，另一方面必须符合职业的工作需要，强调学以致用，这对学生的职业能力培养和职业素养养成起了主要的支撑和明显促进作用。

三、课程设计思路整个课程根据教学内容将所有的知识点融入具体的课题中去教学。

四、课程基本目标1、知识目标：（1）理解金属材料的分类和力学性能指标；（2）掌握铁碳合金的基本知识和相图分析；（3）掌握常用热处理的基本概念、目的和应用；（4）掌握金属材料的牌号、性能和用途；（5）掌握常用模具材料的成分、性能、热处理特点和选用；（6）能根据需要正确选材与制定热处理工艺。

2、职业技能目标：（1）学会使用相关仪器设备对材料进行测定，并能处理相关数据；（2）能够分析铁碳合金相图以及相应的结晶过程；（3）能够识别金属材料的牌号，了解材料性能；（4）具有对典型机械零件进行合理选材、合理选择毛坯种类以及安排热处理工序的能力。

3、职业素质养成目标：使学生具备从事模具热处理相关工作所必备的素质、知识与技能。

培养学生理论联系实际，严谨踏实、实事求是的科学态度和科学作风，具备较强的动手能力、分析解决问题能力及创新能力，树立全面质量管理意识，以及团队合作精神，为后续的专业职业能力培养打下扎实基础。

培养学生良好的职业道德和吃苦耐劳的精神。

4、职业技能证书考核要求：通过本课程的学习学生可以热处理工的职业资格等级考试。

模具热处理常见缺陷及其解决方案一、球化组织不良组织中出现网状、带状和链状碳化物。

这多半同锻造工艺不佳或球化退火不良有关。

措施为：改进锻造工艺；采用正确的正火工艺以消除不合格碳化物二、过热、过烧或淬火后晶粒粗大球化退火不良；淬火温度高或保温时间长；工件与电极或加热体距离过近；以及截面变化大厚薄悬殊造成局部过热或过烧。

措施为：采用正确的退火工艺：严格控制淬火工艺参数；定期校验和校对热电偶、仪表；工件与电极和加三、硬度低或不均匀热体有足够的距离等。

原始组织中碳化物偏析严重或球化不良；模具表面有残留的脱碳层或淬火后有脱碳；工件的截面大，淬透性差；淬火温度高，残余奥氏体增加；或淬火温度低，加热时间短，相变不充分；冷却速度快，工件取出冷却介质的温度过高，造成冷却不均匀；回火不充分，或回火温度高，存在非马氏体组织等。

措施：保证获得良好预备热处理组织；严格脱氧或加以保护，确保表面不脱碳和无氧化皮；采用淬透性良好的冷却介质；制订合理的热处理淬火工艺参数；选用合理的冷却介质或控制操作方法；充分回火处理和按要求防止非马氏体组织的出现。

四、脱碳盐浴未脱氧或脱氧不彻底；工、夹具向盐浴中带入铁锈等；在箱式炉内加热不良或未进行保护。

措施为：对于盐浴应定期脱氧和化验，严格控制炉内氧化钡等氧化物的含量；尽可能控净工件和夹具上黏附的盐浴，对夹具进行抛丸或喷砂处理；采用保护措施。

五、裂纹钢中有严重的网状、带状、链条碳化物，或存在显微裂纹；存在大的机械加工应力或塑性变形大；热处理操作不当（含加热速度快、冷却速度过急、冷却时提出介质的温度过低等）；淬火时过热或过烧；工件形状复杂，厚薄不均，热应力或组织应力过大；两次淬火中间未进行退火处理；回火不及时或回火不足；热处理后磨削加工不当；电火花加工层存在大的拉应力和大量的显微裂纹。

措施为：改进锻造工艺或进行正确的球化退火正火处理；机加工后进行去应力退火处理；严格执行正确的热处理工艺和作方法；防止局部的过热或过烧；采取保护措施或预冷措施；淬火后及时和充分回火；按要求确定正确的加工磨削量；热处理前加工掉硬化层。