高速鋼鍛造和淬火裂紋分析與消除措施

馬東良1  劉佳佳2  馬東輝3  高 遠4

（1.中建安裝工程有限公司，山東 濟南 250014；2.山東建澤混凝土有限公司，山東 濟南 250101；

3.中國建筑五局山東公司，山東 濟南 250101；4.恒大集團山東公司，山東 濟南 250100）

摘  要：現代熱處理新技術新工藝快速發展，高速鋼應用日益廣泛。對高速鋼原材料進行鍛造，變鋼中共晶碳化物脆性相為強化相，可顯著提高高速鋼使用壽命，取得顯著技術經濟效益。

關鍵詞：高速鋼；鍛造裂紋；淬火裂紋；

1 高速鋼冶金缺陷引起鍛造裂紋

高速鋼屬萊氏體鋼，含有大量合金元素，形成大量共晶碳化物和二次碳化物。不良碳化物硬而脆，是脆性相。共晶碳化物呈粗大骨骼狀或樹枝狀分布于基體，破壞了組織連續性。鋼錠雖經開坯壓延和軋制，碳化物有一定程度碎化，但碳化物偏析依然嚴重，沿軋制方向呈帶狀、網狀、大顆粒狀和堆集狀分布。碳化物不均勻度隨原材料直徑和厚度增加而嚴重。共晶碳化物相當穩定，常規熱處理無法消除，導致鍛造時應力集中，成為裂紋源。原材料存在組織疏松、縮孔、氣泡、白點、粗晶、內裂和非金屬夾雜，急劇降低鋼材熱塑性和強韌性，加之，高速鋼導熱性差，僅為碳鋼的三分之一，因熱塑性差，變形抗力大，鍛造第一錘重擊即可碎裂。

措施：嚴格原材料入庫和投產前材質檢驗，合格鋼材方可投產；選用小鋼錠開坯軋制各種規格原材料，選用二次精煉電渣重熔鋼錠，具有純度高，雜質少，晶粒細，碳化物小，無偏析，等向性能優，化學成分和組織均勻等特點，對原材料進行科學合理鍛造，擊碎不均勻共晶碳化物脆性相，使之≤3級，變不均勻共晶碳化物脆性相為強化相，發生質的飛躍；鍛坯應充分預熱，均勻加熱，充分透燒，勤翻動坯料和采用“輕-重-輕”雙十字形變向鐓拔鐓造法，先鐓后拔次序操作等措施，有效避免鍛造碎裂。

2 對角線鍛裂和過熱淬火裂紋

因原材料有中心疏松和碳化物剝落等缺陷聚集擴展形成粗糙對角線裂口；鍛坯加熱溫度過高，出現粗晶組織，降低鋼材強韌性。鍛坯溫度過低，材料熱塑性差，變形抗力大；拔長操作時送進量過大，引起鍛件橫向展寬塑性變形過度等因素，引發鍛件對角線裂紋。高速鋼過熱、過燒組織引發淬火裂紋——因晶粒顯著粗化，出現碳化物粘連、角狀和拖尾狀及沿晶界呈全網狀、半網狀和連續網狀分布；鋼組織內部局部熔化，出現黑色組織或共晶萊氏體，形成過熱組織，顯著降低鋼的強韌性，易應力集中，是引起淬火裂紋的主要因素。因淬火加熱溫度過高，控溫儀表失靈；原材料存在大量角狀碳化物和碳化物不均勻度等級太高，易產生大的應力集中等上述原因，均會導致淬火裂紋。

措施：依據鍛坯對角線區域溫度變化調整錘擊頻率，避免因“熱效應”造成塑性變形區溫度過高；拔長時送進長度與坯料高度之比≤1，可減少橫向展寬和防止同一部位連續重擊、連擊，壓下量應適度，斷面盡量方正和選用合適的鍛壓設備等措施，可有效避免鍛件對角線裂紋。

材料入庫和投產前檢查材質是否合格，確保原材料無宏觀冶金缺陷；控制共晶碳化物≤3級，呈細、小、均勻分布于鋼基體；模具淬火前用試片校驗高溫鹽浴爐溫度，核實晶粒度等級與淬火加熱溫度關系；采用微機控溫，達到測溫精度±3℃和加強科學生產管理等措施，能有效防止和避免因熱組織產生的淬火裂紋。

3 鍛件縱向表面裂紋和萘狀斷口與淬火裂紋

因原材料表面存在顯微裂紋和鍛造過程被拉長和擴展；矩形截面長、寬比過大，拔長時形成橫向彎曲，導致寬側表面產生細而淺，長短不一呈縱向分布的表面裂紋；鍛件表面溫度過低，熱塑性急劇降低，塑性變形抗力大；鍛后冷速過快和鍛后室溫停留時間過長等因素，均會導致鍛件表面縱向裂紋。萘狀斷口是高速鋼常見組織缺陷，易引發淬火裂紋。其斷口呈魚鱗狀，美似大理石，象萘一樣閃光，斷口極粗糙，晶粒可達!1mm，鋼的脆性大，強韌性低劣，高溫奧氏體化加熱和淬火時應力集中大，導致產生淬火裂紋。當熱、鍛、軋或壓延熱加工時，經1050℃～1100℃高溫奧氏體化熱塑性變形在5%～10%臨界變形和精鍛溫度不當及重復淬火時未經中間退火，或退火不充分等因素，均會導致高速鋼形成脆性大的萘狀斷口，導致淬火時產生裂紋。

措施：鍛前磨去原材料表面斑痕、氧化皮、微裂紋、折迭等缺陷，再經探傷合格后投產；拔長時，截面長、寬比≥3的鍛坯，不得發生橫向彎曲，出現后及時在高溫下校直；鍛后坑冷、灰冷、爐冷，或乘高溫余熱退火，避免產生延時裂紋等措施，能有效消除鍛件表面縱向裂紋。

科學合理制訂精鍛溫度，嚴格控制終鍛溫度在950℃～1000℃之間和鍛后緩冷與及時退火；對組織粗大原材料進行晶粒超細化處理等措施，能有效抑制高速鋼脆性斷口形成，避免產生淬火裂紋。

4 鍛件端面裂紋與模具設計不當淬火裂紋

端面裂紋短而淺，多產生于拔長和倒角鐓粗過程。因原材料中心有組織疏松、孔隙、氣孔、碳化物剝落和嚴重偏析；鐓拔過程重擊、連擊和大變形量引起“熱效應”，使鍛件心部溫度急劇升高，導致組織過熱、過燒、晶粒粗大，急劇降低材料強韌性，增加脆性；鍛坯端面接觸下砧時間過長，表面溫度降至相變溫度以下，熱塑性差，變形抗力大等因素，將導致鍛件端面裂紋形成。

當模具設計不良，厚薄懸殊不均勻，有棱角銳邊、尖角、切槽、凸臺等形狀突變，易產生切口效應；冷切削加工表面粗糙，刀紋較深、碰傷和打印記等處，均會導致淬火時應力集中，從而誘發淬火裂紋；淬火前冷加工時存在較大內應力，尤其是經磨削加工模具有較大內應力未消除和淬火加熱與冷卻時形成多種應力迭加，當應力超過該材料強度極限時，便形成淬火裂紋。

措施：材料入庫和投產前進行化學成分和低倍組織檢查，合格鋼材方可投產；依據鍛坯熱塑性變形溫度，調整打擊力和打擊頻率，避免“熱效應”反應；鍛坯端面與下砧接觸時間不宜過長，防止降溫至鍛造溫度以下；由鐓粗改為拔長時，先從坯料接上砧的端面開始，若發現端面有裂紋應立即磨去后續鍛等措施，能有效避免鍛件端面裂紋。

改進設計，形狀盡量對稱，布局應合理，避免應力集中，適于淬火和防止模具畸變；模具壁厚均勻化，厚處設工藝孔，薄處增加筋條，變化懸殊處制成斜坡；棱角、直角、尖角和銳邊制成圓弧形，孔隙出口和入口倒角，變不勻稱為勻稱，變不對稱為對稱；冷切削加工應達到設計要求表面粗糙度，避免粗糙刀紋與打印記，以萬能筆書寫代打印記，模具最終淬火前退火，消除冷加工內應力，采用分級淬火、等溫淬火等工藝措施，有效避免因設計不當產生的淬火裂紋和畸變。

5 鍛件表面與內部橫向裂紋及氫脆裂紋

鍛件冷卻最快的棱角多發生方向與縱軸呈垂直分布表面橫向裂紋。因原材料表面有凹坑、氣孔、結疤、孔隙、折迭引起；錘砧圓角半徑過小，拔長時在側面形成清角錘痕在棱角處重合，則在棱角處形成橫向裂紋。當拔長進給量過小而壓下量過大，易在表面形成折迭裂紋。鍛件內部橫向裂紋靠近縱軸，方向與縱軸呈垂直分布，因拔長送進長度與鍛件厚度之比≤0.4時，在熱塑性變形區內鍛不透，產生較大拉應力，當應力超過該材料強度極限時，便形成內部橫向裂紋，一般此裂紋接近軸心。

高速鋼酸洗、電鍍侵入鋼中初生態氫原子變為氫分子時發生體積膨脹，產生巨大壓力，便在鋼的晶界形成顯微裂紋，便是氫脆裂紋。酸洗是金屬氧化物和酸的化學反應，它使金屬氧化物變成可溶性鹽，脫離金屬表層，淬火高速鋼有強烈的酸洗氫脆龜裂傾向。通常用硫酸(H2SO4)和鹽酸(HCl)酸洗某些模具。

措施：徹底清除原材料表面缺陷；鍛件拔長時，其壓下量和進給量協調均勻，送進長度應大于單面壓下量1.5～2.0倍；錘鉆圓角半徑適度和表面應光滑；鐓后應緩冷和及時退火消除應力等措施，既有效消除鍛件表面和內部橫向裂紋。

酸洗時，當產生過量初生態氫原子[H]時，產生巨大應力，導致模具表面產生大量微裂紋而報廢。必須嚴格控制酸液濃度、溫度和時間，消除過量初生態氫原子，模具酸洗和電鍍4h內進行(190～200)℃×(2～4)h低溫時效，以便釋放氫氣等措施，有效消除氫脆裂紋。

6 鍛件中心裂紋和冷處理裂紋

鍛件中心裂紋在圓截面心部，裂口深而寬，呈平行縱軸分布，常在機械加工車內孔時發現。因原材料心部組織疏松、孔隙、夾雜、偏析和粗大塊狀共晶碳化物等缺陷；滾圓過程產生大的橫向拉應力和擴大了方截面倒棱與拔長時形成的初生裂紋；鍛造溫度過高和始鍛溫度時重擊、連擊及過大鍛造比和變形量，導致發生“熱效應”，促使心部組織過熱、過燒和局部熔化所致。

高速鋼經高溫奧氏體化，保溫后在≥該鋼臨界冷卻速度淬火，得到淬火馬氏體組織，約有30%～40%過冷奧氏體未轉變，成為殘余奧氏體，若施以-60℃～-126℃冷處理，即是淬火繼續，促使殘余奧氏體轉變為淬火馬氏體，鋼件發生體積膨脹，產生很大相變二次淬火組織應力，與第一次淬火應力迭加，當迭加應力大于該鋼強度極限時，便產生二次淬火冷處理裂紋。

措施：嚴格原材料入庫和投產前表面與內部質量檢查，合格后方可投產；預先鉚鍛，使鍛坯呈兩頭粗、中間細腰鼓狀再鐓粗、滾圓；拔長和倒棱時防止方截面產生中心裂紋等措施，有效避免鍛件中心裂紋。冷處理前將淬火模具在100℃沸水煮30～60min，或低溫時效1h。試驗表明，此法可消除20%～30%淬火內應力，但此時殘余奧氏體稍趨穩定化，經冷處理后仍可保留2%～5%殘余奧氏體，殘余奧氏體又軟又韌，能吸收淬火馬氏體急劇膨脹能量，松馳應力，緩和相變應力；冷處理后將高速鋼模具投入室溫水或熱水中升溫，可消除50%～60%冷處理應力；或采用多次高溫回火，促使殘余奧氏體轉變為回火馬氏體等措施，有效防止和避免冷處理裂紋產生。

7 圓鍛件表面縱向和橫向裂紋與磨削裂紋

表面縱向裂紋在圓鍛件側表面上，裂紋較寬，深淺不一，略平行于縱軸，常在鐓粗時產生。表面橫向裂紋在圓鍛件側表面上，裂紋較寬而深且較長，呈橫向分布，常在鍛件退火后發現。因原材料表面有折迭、斑疤、疏松和縱向、橫向磨痕；鍛造加熱溫度過低，保溫時間不足和側表面脹鼓熱塑性變形過大；鍛件拔長時側表面形成較深錘痕、折迭和鐓粗時形成縱向、橫向匯流折迭，因鉚鍛過度所致；鍛件鍛后冷卻過急和退火不及時等諸因素，均會導致圓鍛件側表面縱向和橫向裂紋。

高速鋼磨削裂紋常發生在磨削冷加工過程中，裂紋細而淺，多數與磨削方向垂直，類似淬火網狀裂紋，但形成原因各不相同。當磨速度高，進刀量大，冷卻不良，促使磨削表層金屬溫度急劇升至淬火加熱溫度，在隨之磨削液冷卻造成金屬表層二次淬火，生成二次淬火應力；當原材料存在嚴重碳化物偏析和淬火高速鋼有較多殘余奧氏體未轉變，促使其轉變為淬火馬氏體，體積膨脹，應力增大，回火時消除不充分，與磨削加工二次淬火應力迭加，導致磨削二次淬火表層裂紋形成。

措施：鍛前徹底清除原材料表面裂紋和其它所有宏觀缺陷；高速鋼鍛造原材料長度與直徑比≤2.5為宜；鐓粗前先進行鉚鍛，以減少鐓粗時的變形，鉚鍛可避免拔長時形成明顯錘痕和折迭；鍛坯加熱宜低溫入爐，充分預熱，均勻加熱，勤翻動坯料，防止表熟里生、里熟表生、陰陽面和兩頭白而中間黑等“夾生”加熱缺陷；鍛后緩冷并及時退火等措施，有效避免圓鍛件側表面縱向和橫向裂紋。

降低磨削速度和磨削量，選用較緩和磨削冷卻液，嚴格原材料入庫和投產前材質檢驗；控制共晶碳化物級別≤3級，超過3級者應改鍛，達到級別要求；正確制訂熱處理工藝，避免過高的奧氏體淬火加熱溫度，采用分級淬火、等溫淬火和較緩和理想淬火冷卻介質；進行多次高溫回火，降低組織應力、熱應力和殘余奧氏體量等工藝措施，消除磨削裂紋產生。

8 模具內孔碳化物剝落與二次淬火裂紋

碳化物剝落破壞了金屬組織連續性和形狀尺寸，其性質與裂紋相似。該缺陷發現于車內孔或成品模具淬火后，多發生于外形尺寸較大圓餅鍛件；因原材料有嚴重帶狀、網狀、塊狀和堆集狀碳化物，在鐓粗過程中被壓縮、聚集、折迭與基體結合力極差，脆性大，在車內孔和淬火時脫落，失去尺寸精度報廢。

高速鋼高溫淬火后具有高溫回火二次硬化特性，第一次高溫奧氏體化淬火保留約有30%～40%殘余奧氏體，接著高溫回火，在回火冷卻過程中發生殘余奧氏體轉變為二次淬火馬氏體，有較大組織應力；若用火焰或高頻快速加熱回火，導致表層金屬發生收縮，而內層依然是比容較大馬氏體組織，處于膨脹狀態，促使表層產生較大拉應力，與一次、二次淬火應力迭加，因回火不當產生二次淬火裂紋。鋼件表面脫碳將加速裂紋形成。

措施：對高速鋼原材料進行鍛造，采用四鐓四拔雙十字形變向鐓拔鍛造，有力擊碎共晶碳化物，使之≤3級，呈細、小、勻分布于鋼基體，變不均勻碳化物脆性相為強化相，發生質的飛躍。選用電渣重熔鋼、真空冶煉鋼代替一般熔煉。采用上述等措施，能有效消除高速鋼碳化物剝落。

留足冷加工余量，去除原材料脫碳層，在保護氣氛爐、真空電爐或經充分脫氧鹽浴爐加熱模具，防止氧化脫碳；高速鋼模具淬火冷至該鋼Ms點附近取出，轉入緩和冷卻介質或硝鹽浴等理想冷卻介質淬火；高速鋼模具淬火后高溫回火應≤100℃低溫入爐，緩慢升溫至≤300℃后可隨爐升溫至所需回火溫度，保溫后出爐空冷至室溫，避免回火后水冷或油冷，防止產生大的應力發生裂紋和畸變。總之，淬火后及時回火，防止淬火應力萌生與擴展；充分回火，獲得穩定組織性能；多次高溫回火，促使殘余奧氏體充分轉變為回火馬氏體和充分消除二次淬火應力；較長時間回火，提高抗斷裂韌性和綜合機械力學性能等措施，能有效消除二次淬火裂紋產生。

9 鍛件沖孔和電火花加工裂紋

該裂紋位于鍛件沖孔后的孔周邊棱角上，呈放射狀徑向分布。因沖孔時鍛件表面溫度低，熱塑性差，變形抗力大；凸模和錘鉆未預熱和凸模錐度大等因素，導致鍛件沖孔周邊裂紋產生。

火花放電時，被熔化金屬放電處有少部分殘留在電蝕坑周邊。電火花加工在油或水中進行，脈沖放電結束后迅速冷卻凝固和收縮產生極大拉應力，由于原應力場重新分布，形成厚約0.02～0.10mm熔化變質層呈樹枝狀結晶鑄態組織，在隨后冷卻變質層形成二次高溫淬火硬化層，有大量極穩定的殘余奧氏體。變質層收縮產生的拉應力與變質層第二次高溫淬火應力迭加，變質層便產生微裂紋，且隨線切割電火花加工電氣參數加大，顯微裂紋加深增大。

措施：選用端部帶有倒棱凸肩的凸模，沖孔的同時對孔周邊的棱角進行倒棱，防止尖角處局部降溫和改善該處熱塑性金屬應力分布；沖孔鍛件溫度不得低于鍛造溫度和沖孔前預熱錘砧及工具；沖孔鍛件應緩冷，并及時退火等措施，能有效消除沖孔周邊裂紋。線切割電火花加工前應充分消除模具內應力；嚴格控制電氣參數，留足磨削拋光余量或磨去變質層；線切割完工后進行(150～200)℃×(2～4)h消除應力回火等措施，有效消除線切割電火花加工顯微裂紋產生。

10 結語

經綜合治理，選用電渣重熔精煉鋼制造模具，優化鍛造和熱處理工藝，能夠消除高速鋼鍛造和淬火裂紋和早、中期失效，大幅度提高速鋼使用壽命，優質高產，技術經濟效益顯著。