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耐熱鋼が熱処理後の焼き入れ亀裂について

2019-11-16

耐熱鋼が熱処理後の一般的な焼入れ亀裂は下記のとおりです。

1.縦方向の亀裂

亀裂は軸方向であり、細くて長いです。 金型に完全に焼きを入れ、つまりコアレス焼入れる時、コアは比体積が大きい焼入れマルテンサイトに変化し、切線方向の引張応力が発生します。金型鋼の炭素含有量が高いほど、切線方向の引張応力が大きくなります。 この鋼の強度限界を超えると、縦方向の亀裂が形成されます。 次の要因により、縦方向の亀裂の発生が悪化しています。

(1)鋼には、S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、Asなどの低融点の有害な不純物が多く含まれています。鋼塊を圧延する時、圧延方向に沿って縦方向に著しく分離され、応力集中発生になることで、縦方向の焼割れになります。 また、原材料圧延後、急冷で生じた縦割れは完全に加工されずに製品に残ることで、焼割れが拡大して縦割れとなります。

(2)金型のサイズが鋼の焼入れ割れの影響を受けやすいサイズ範囲内(炭素工具鋼の焼入れのサイズ閾値は8-15mm、中低合金鋼のサイズ閾値は25-40mm)または選択した焼入れ冷却媒体がこの鋼の焼入れ速度の限界を大幅に超える場合、縦亀裂を形成しやすくなります。

大型工具設計

予防策:

(1)原材料を入庫する時、厳密にチェックして、有害な不純物は標準含有量を超える鋼材を使用しません。

(2)真空製錬、炉外精錬、またはエレクトロスラグ再溶融型鋼の使用をお勧めます。

(3)熱処理プロセスを改善し、真空加熱、雰囲気保護加熱、完全脱酸素塩浴炉の加熱と分析焼入れ、等温焼入れを使用します。

(4)コアレス焼入れをコア焼入れに変更し、つまり不完全に焼きを入れることです。高強靭性ベイナイト組織が得られ、引張応力が大幅に減少できることで、金型の縦割れや焼入れ変形が効果的に回避できます。

2.横方向の亀裂

亀裂は軸方向に垂直です。金型に完全に焼きを入れていません。硬化ゾーンと未硬化ゾーンの過渡区に大きな引張応力ピークがあります。大きな金型は、急冷時に大きな引張応力ピークを形成する傾向があります。結果として生じる軸方向応力は、切線方向の応力より大きい原因で、横方向の亀裂になります。鍛造モジュールにS、P、Sb、Bi、Pb、Sn、Asなどの低融点有害不純物の横方向偏析またはモジュール内に横方向マイクロクラックが存在すると、焼き入れ後、膨張して横方向の亀裂になります。

予防策:

(1)モジュールは適切に鍛造する必要があり、原料の長さと直径の比、つまり鍛造比は2から3の間で選択され、鍛造品間の二重の十字型鍛造品は5つの見出しと5つのドローと複数の火で鍛造され、鋼に炭化物と不純物を細く、小さくにして、鋼基板上に均一に分布しており、鍛造ファイバー構造はキャビティの周りに方向性を持たずに分布しているため、モジュールの横方向の機械的特性が大幅に向上し、応力の発生源が減少してなくなります。

(2)理想的な冷却速度と冷却媒体を選択します:鋼のMs点を超える急冷、鋼の臨界焼入れ冷却速度よりも大きく、鋼の過冷却オーステナイトによって生成される応力は熱応力、表面層は圧縮応力、内層は引張応力、それらは互いに打ち消し合うことで、熱応力亀裂の形成を効果的に防止し、鋼のMs-Mf間の徐冷を行い、焼入れマルテンサイトを形成するときの構造応力を大幅に低減します。鋼の熱応力とそれに対応する応力の合計が正の値(引張応力)の場合、亀裂を形成しやすく、負の場合、亀裂を形成しにくくなります。熱応力を十分に活用し、相変態応力を低減し、応力の合計が負になるように制御します。これにより、横方向焼割れの発生を効果的に回避できます。 CL-1有機焼入れ媒体は理想的な焼入れ剤です。且つ焼入れ金型変形が回避できます。更に、硬化層の分布を合理的に制御することもできます。 CL-1焼入れ剤の濃度比率を調整することにより、冷却速度が異なります。また、必要な硬化層分布を得ることができ、さまざまな金型鋼のニーズに満足できます。

3.アーク亀裂

金型の角、ボス、ナイフライン、鋭い角、直角、切り欠き、穴、雌の金型配線のフラッシュ、その他の突変形状所でよく発生します。これは、焼入れ時にコーナーで発生する応力が、滑らかな表面の平均応力の10倍であるためです。

(1)鋼の炭素(C)含有量と合金元素含有量が多いほど、鋼のMsポイントは低くなります。Msポイントが2°C低くなると、焼割れの発生率は1.2倍に増加し、Msポイントは8°C低くなると、焼割れの発生率は8倍に増加します。

(2)鋼に異なる構造変化と同じ構造変化のタイミングは異なります。異なる構造には比容が悪いから、大きな組織応力が発生して、組織の接合部にアーク亀裂が形成されます。

(3)焼入れ後に直ちに焼戻しされないか、焼戻しが不十分であるか、鋼の残留オーステナイトが完全に転換せずにまだ使用状態で、応力の再分布を促進することになります。あるいは金型が稼働しているときに、残留オーステナイトはマルテンサイトが発生して新しい内部応力が生成されます。総合応力は鋼の強度限界を超えると、アーク亀裂が形成されます。

(4)焼戻し脆性鋼の第2のタイプです。焼入れ後、高温焼戻しはゆっくりと冷却され、PやSなどの有害な不純物化合物が結晶粒界に沿って鋼中から析出し、粒界の結合強度と靭性が大幅に低下し、使用時に脆性が増加します。外力の作用により、円弧状のクラックが形成されます。

予防策:

(1)設計を改善します。形状を対称にし、形状の変化を減らし、プロセスホールとリブを増やし、または組み立て構造を使用します。

(2)圓角に直角、シャープコーナーを置き換え、貫通穴はブラインド穴を置き換えることにより、加工精度と表面仕上げを改善し、応力集中源を減らします。一般に直角、シャープコーナー、ブラインド穴を置き換えられない場合、硬度が厳しく要求ないです。鉄製ワイヤー、アスベストロープ、耐火泥などで包装、詰めることにより、人工的に冷却バリアを作成して、ゆっくりと冷却して急冷させます。これらによって、応力集中の原因で急冷時の円弧状の亀裂の形成を防ぐことができます。

(3)焼入れされた鋼は、焼き入れの一部内応力を排除し、焼入れ応力の拡大を防ぐために、直ちに焼戻しを実施する必要があります。

(4)金型の断裂靭性値を改善するために、より長い時間焼き戻しを行います。

(5)安定的な組織パフォーマンスを得るために完全に焼き戻しを実施します。

(6)残留オーステナイトを完全に転化して、新しい応力を排除するために数回焼き戻しを行います。

(7)鋼部品の耐疲労性と総合機械力学性能を改善するために、合理的に焼戻しを行います。

(8)第2類焼戻し脆性をもつ鋼の場合、鋼は高温で焼戻し後に急速に冷却(水冷または油冷)すると、2類焼戻し脆性をなくし、焼入れ時に弧状の亀裂形状の発生が防止できます。

4.剥離亀裂

金型の稼働中、硬化層は応力下で鋼母材から剥がされます。金型の表面構造とコア構造の比容が異なるため、焼入れ時、表面層に軸方向および切線方向の焼入れ応力を形成し、縦方向に引張応力を形成して内部に急激な変化を生じます。応力が急激な変化範囲中の狭いところに剥離亀裂が発生し、筋表面に化学熱処理後金型の冷却プロセス中に良く発生しています。その原因は、表面の化学リフォーミングと鋼基体相変の時性違いにより、内部と外部の焼入れマルテンサイト膨張が同時に実行できなく、大きな相変応力が発生して、化学浸層は基体から剥離に導きます。火炎表面硬化層、高周波表面硬化層、浸炭層、炭窒化浸層、窒化層、ホウ化層、金属浸層などがあります。化学溶浸層は焼き入れ後、すぐ焼戻しには適していません。特に300℃未満の低温で焼き戻し、急速に加熱すると、表面層に引張応力が発生し、鋼基体のコアと過渡層に圧縮応力が形成されやすくなります。また、引張応力は圧縮圧力より大きい場合、化学浸層を引き離します。

予防策:

(1)型鋼の化学溶浸層の濃度と硬度を表面から内部に向かって徐々に減らし、溶浸層と基材の間の結合力を高める目的です。溶浸後、拡散処理実施により、化学溶浸層と基材の間の過渡を均一にすることができます。

(2)型鋼は化学処理前に拡散焼鈍、球状化焼鈍、調質処理を実施することにより、本来の組織を完全に微細化して、剥離割れを効果的に防止・回避して、製品品質を確保します。

5.網状亀裂

割れ紋の深さは比較的浅く、一般的に約0.01〜1.5mmで、輻射状であり、亀裂とも呼ばれます。主要原因は次のとおりです。

(1)原材料に深い脱炭層があり、冷却後加工しても除去されない、または完成した型が酸化雰囲気炉で加熱されて酸化脱炭を引き起こします;

(2)金型の脱炭表層の金属組織は鋼基体マルテンサイトの金属組織が異なり、カーボン含有量と比容が違います。鋼の脱炭表層が焼き入れ時に大きな引張応力が発生するため、表層金属が粒界に沿って網状に引っ張られる状況が多いです ;

(3)原料は粗粒鋼で、元の組織は粗く、大きな鉄ブロックがあり、通常の焼入れでは除去できないから、焼入れ構造に残ります。温度制御が不正確であり、機器が故障する原因で、組織が過熱するか、場合によっては燃焼し過ぎ、結晶粒が粗くなり、結晶粒界の結合力が失う状況もあります。金型が焼き入れ後、冷却する時、オーステナイト結晶粒界に沿って鋼の炭化物が析出します。結晶粒界の強度が大幅に低下し、靭性が悪く、脆性が大きくなります。引張張力、応力で結晶粒界に沿って網状のようにひび割れます。

予防策:

(1)原材料の化学組成、金属組織、および欠陥検出を厳密にチェックします。不合格な原材料および粗粒鋼は、金型材料として使用しないでください。

(2)細粒鋼と真空電気炉鋼を選択し、生産前に原材料の脱炭層の深さを再確認します。冷切削加工の取り代は、脱炭層の深さより大きくなければなりません。

(3)合理的な熱処理プロセスを策定し、マイクロコンピューター温度制御機器を選択します。制御精度は±1.5℃に達し、定期的に現場で機器をチェックします。

(4)金型製品の処理には、真空電気炉、保護雰囲気炉、完全脱酸式塩浴炉による金型製品の加熱などの手段を採用して、網状亀裂の形成を効果的に防止および回避できます。


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