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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，sb=1180
MPa，d=5%，y=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。
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