空心圆柱模具内孔壁纵向裂纹原因分析

　　某厂的空心圆柱模具调质处理后，发现该模具的内孔壁出现纵向裂纹。该模具材料为40Cr钢，规格为 准110mm×30mm(壁厚)×85mm。该模具的加工工艺为下料→锻造→正火→调质处理→机加工。模具的热处理工艺为 850℃油淬+520℃回火;其技术要求为热处理后硬度38～42HRC。笔者对其内孔壁产生纵向裂纹的原因进行了分析。

　　1 理化检验

　　1.1 化学成分分析

　　从失效模具上取样进行化学成分分析，结果表明该模具的化学成分符合GB/T3077-1999对40Cr钢的技术要求。

　　1.2 裂纹宏观分析

　　失效模具上、下两端面及外壁无明显裂纹，而从模具轴向中部处横向割开，模具的内孔壁出现多条线状纵向裂纹。裂纹长短不一，形状细而长，向两端面扩展，见图1;横向截面内裂纹由表及里，深浅不一，并沿径向延伸，其中一条裂纹已扩展至外圆表面(左下箭头所示)，见图2。

　　1.3 硬度测试

　　分别取失效模具上、下端面及轴向中部横截面试样，按照GB/T230.1-2009进行硬度测试。轴向中部横截面硬度的测试结果见图3。可以看出，不符合其技术要求。

　　1.4 金相检验

　　在图2所示的裂纹部位截取纵截面试样做金相分析，经镶嵌、磨抛后在ZESSIS-AXIOA2M型光学金相显微镜下观察。裂纹开口较宽，裂纹呈弯曲状，尾端曲折且尖细， 并且在裂纹边部有微小裂纹向基体扩展，未观察到聚集的夹杂物。

　　试样经4%硝酸酒精溶液浸蚀后观察，裂纹两侧组织无脱碳现象，见图4;裂纹尾端有沿晶扩展的特征，见图5。模具内孔壁表层(距内孔壁约1.5mm的区域内)和外壁表层(距外壁约15mm的区域内)的组织均为保持马氏体位向的回火索氏体，见图6;而心部(距内孔壁1.5～15mm 的区域内)组织为回火索氏体+少量铁素体，部分铁素体呈针状向晶内生长，见图7。从组织上判断，模具内孔的冷却速度较外壁慢。

　　1.5 晶粒度

　　经饱和苦味酸+洗洁精溶液热蚀，晶粒度测度结果表明：试样的晶粒度均匀，按GB/T6394-2002评定为8级，见图8。

　　2 结果分析

　　由裂纹分析结果可知，裂纹呈弯曲状，尾端曲折、尖细，在裂纹边部有微小裂纹向基体扩展，有沿晶扩展的特征，裂纹附近组织无氧化脱碳现象。由此可以判断，该模具内孔壁的纵向裂纹发生在淬火引起淬火裂纹的主要因素是淬火内应力和断裂抗力。在淬火冷却过程中，模具内外壁均受到热应力和组织应力的作用。

　　热应力是指高温的模具直接浸入冷油中时，由于模具截面各部分的冷却速度不均匀，尤其是模具轴向中部处内孔的冷却速度比外壁慢，从而引起收缩程度不同;当内壁和外壁停止冷却时，其收缩也就停止， 而此时轴向中部处内孔壁以下区域才开始沿径向逐渐推移。当内孔壁以下区域冷却而体积收缩时，受到内孔壁的牵制，最终形成的热应力在内孔壁形成压应力。但由于内孔冷却速度较慢，内孔壁受到的热应力较小[2]。组织应力是指在淬火过程中由于模具截面沿径向温降不同造成沿径向马氏体相变不同时从而产生的应力。由于模具轴向中部处内孔的冷却速度比外壁慢， 当模具外壁和内孔壁相变停止时，内孔壁以下区域的相变才开始沿径向逐渐推移。当内孔壁以下区域发生相变而体积膨胀时，受到已经完成相变的内孔壁阻止该区域的膨胀，因此最终形成的组织应力在内孔壁形成切向拉应力。