实例1 Cr12MoV钢制冲模块（见图4-42），尺寸为60.5mm×65.5mm×196mm，要求硬度为60～64HRC。

（1）原热处理工艺及模具开裂情况 在ZCT-65型真空淬火炉中按图4-43工艺处理后，硬度为63～64HRC。在线切割时发生严重开裂现象，如图4-42所示。

图4-42 模块线切割后的开裂情况

图4-43 模块的原热处理工艺

（2）裂纹分析 开裂的特点是裂纹贯穿整个模块的纵向且与线切割路线相交，其主要原因为回火不充分，应力消除不彻底，以致在线切割过程中引起模块的开裂。

（3）对策 为了能够彻底消除淬火时产生的相变应力和热应力，把回火温度提高到高于二次硬化区的温度（见图4-44）。经此处理，硬度保持在60～61HRC，可消除模块的开裂现象。

图4-44 改进后的热处理工艺曲线

实例2 Cr12钢与Cr12MoV钢制模具断裂原因分析及对策。

1.Cr12钢模具断裂分析

大型模具，外形尺寸为700mm×300mm×50mm，材料为Cr12钢，要求硬度为54～58HRC。

（1）热处理工艺 模具在具有保护气氛的井式电炉中加热，加热温度为980℃，保温时间为60min，出炉后淬油，在180～200℃出油后空冷，淬火后立即放入400℃回火炉中保温4h，回火后硬度检测为55HRC，符合技术要求。

（2）模具失效原因分析 该模具经磨削后投入使用时发现多处裂纹，通过对模具材料的化学成分和金相分析，结果如下：

1）化学成分（质量分数）：C1.69%，Cr10.11%，S0.023%。其中C和Cr含量不符合国家标准。

2）金相组织为针状马氏体，级别为6级并伴有大量网状分布的碳化物。经现场调查，模具锻造后未进行球化退火。

断裂原因分析如下：由于Cr12钢模具在锻造后未进行球化退火，致使模具钢内部粗大的晶粒未得到细化，锻造过程中产生的网状碳化物也未能很好地消除，因此模具在淬火、回火后产生针状马氏体并伴有网状碳化物，这是模具断裂的主要原因。

2.Cr12MoV钢模具的断裂分析

模具由Cr12MoV钢直接下料加工而成，其外形尺寸为ϕ180mm×250mm，硬度要求为56～60HRC。

（1）热处理工艺及质量检验 其热处理工艺如图4-45所示。淬火加热在盐浴炉中进行，淬火后立即进行回火。淬火、回火后的硬度为58HRC，符合技术要求。

图4-45 Cr12MoV钢模具热处理工艺曲线

（2）失效原因分析 模具在热处理后产生断裂。通对断裂模具的材料进行化学成分和金相分析，结果如下：

1）化学成分（质量分数）：C1.60%，Cr10.82%，Mn0.439%，V0.226%，S0.008%。其成分基本符合国家标准。

2）原材料金相组织中存在着明显的碳化物偏析（呈带状分布）。

因此，Cr12MoV钢原材料中的碳化物严重偏析是造成模具热处理后断裂的主要原因。

3.防止Cr12钢与Cr12MoV钢制模具断裂的措施

1）Cr12钢、Cr12MoV钢均属于莱氏体钢，铸态下有共晶组织存在，需要进行充分热加工，才能将网状共晶碳化物打碎。这两种钢由于碳化物数量较多，虽经钢厂的热加工，但往往仍存在着一定的碳化物偏析，以致使钢的力学性能呈各向异性且易引起热处理后的变形及断裂。因此，在使用这两种钢制作较复杂的模具时，应对原钢材进行反复的镦粗、拔长，以消除钢中碳化物的不均匀性，这也有利于减少模具机械加工后的热处理变形与断裂倾向。

2）锻造后的Cr12钢、Cr12MoV钢必须进行球化退火，为最终热处理作好组织准备。Cr12钢的球化退火温度为840℃，保温一段时间后炉冷至730℃，再保温一段时间后随炉冷至550℃出炉空冷。Cr12MoV钢的球化退火温度为860℃，保温一段时间后炉冷至730℃，再保温一段时间后炉冷至500℃出炉空冷。球化退火后的金相组织为基体上均匀分布合金碳化物的索氏体。(www.daowen.com)

3）为节能和提高产品质量，可采用锻造余热淬火及高温回火来代替锻造后的球化退火工艺。其工艺规范如下：Cr12钢、Cr12MoV钢在停锻后稍作停留，使奥氏体得到回复并开始再结晶，然后立即淬火，淬火后立即将毛坯在750℃左右高温回火2h。完成此过程后即可进行机械加工。由于其内部金相组织均优于球化退火后的组织，因此无需再进行球化退火。

4）固溶双细化处理。该工艺完全利用热处理方法，使碳化物细化及棱角圆整化，同时使奥氏体晶粒超细化。其工艺（Cr12钢系）如图4-46所示。

图4-46 Cr12钢系模具的固溶处理工艺

实例33Cr2W8V钢经工频炉冶炼、电渣重熔、锻造成形、球化退火及机械加工成形后模具尺寸为120mm×120mm×200mm。

（1）裂纹产生原因分析 模具经淬火、回火后发现表面有纵向裂纹，裂纹源大致在模具型腔倾角处，并向两端扩展。金相检查后发现，模具表面有严重脱碳层，总深度达0.14mm，模具的金相组织为长针状回火马氏体+回火托氏体，晶粒呈六角形，模具严重过热。在模具型腔处取样，在低倍显微镜下观察，金相组织除有粗针回火马氏体+回火托氏体外，还观察到有树枝状分布且不易浸蚀的白区，该区是马氏体组织，估计是高碳高合金偏析区。电渣重熔的钢锭容易产生树枝状偏析，在钢锭中心有大量亚稳定共晶碳化物呈树枝状分布。钢锭一般直接锻造成形，变形量不大。晶界有大量共晶碳化物偏聚，未能破碎均匀化，尤以钢锭中心为甚。模具毛坯成形时，钢锭的横向剖面锻造成型腔所在面，有呈树枝状分布的亚稳共晶碳化物暴露在型腔表面。超高温加热奥氏体化时，碳化物溶解，但很难均匀化，形成树枝状分布的高碳高合金区，该区淬火组织不易被回火，制样时难于被浸蚀，故在金相组织中留下树枝状分布的白斑区（即白区）。综上所述，模具淬火开裂的原因如下：①淬火严重过热，热处理应力很大；②碳化物呈树枝状分布，淬火组织极不均匀，形成附加的组织应力，尤以模具型腔表面为甚；③模具表面严重脱碳，促使表面形成拉应力；④模具型腔加工后有倾角，形成应力集中，首先形成裂纹源，然后向两端扩展。

（2）对策 严格执行热处理工艺规范，防止过热，检查控温仪表系统；控制原材料质量，对存在不良碳化物的模具材料进行合理锻造，并进行球化退火处理，以改善组织结构；模具加热时应采取保护措施，以防氧化与脱碳；合理设计与加工模具，过渡应圆滑，圆角半径不得过小。

实例4 T10A钢模具在线切割时发生开裂。对此，进行分析并提出改进措施。

（1）开裂原因 经分析，开裂是由于淬火回火残余应力与线切割二次淬火应力叠加造成的。

（2）对策

1）淬火并低温回火的模具可用高频振动（如WZ-86A振动时效仪）消除残余应力，一般可降低20～50MPa。振动时效还可以提高材料的变形抗力，改善尺寸精度的稳定性。

2）也可以采用（800±10）℃加热淬火，-130℃×60min冷处理后，立即返回50～60℃热水中，经30～60min升温，再进行200℃×90～120min回火。冷处理除解决线切割开裂外，还使模具硬度提高1～2HRC。

实例5 在模具磨削过程中常出现磨削缺陷，尤其是在对渗碳、硫氮共渗等表面硬化模具和高碳高合金钢模具进行加工时，更容易产生磨削裂纹，甚至产生加工变形（薄壁件），致使模具报废。磨削裂纹的产生不仅与磨削加工工艺及操作有关，而且还与热处理工艺、操作及材质有密切联系。

（1）磨削时产生的应力影响

1）磨削应力。磨削过程中，砂轮的砂粒刃口与模具进行摩擦切削，刃口前面的模具金属受挤压与撕裂，刃口后面的模具金属与砂轮剧烈摩擦，使晶粒受拉和滑移，引起金属的弹性和塑性变形。当切削停止后，金属表面在弹性变形力的作用下力求恢复原位，故出现平行于磨削轨迹的拉伸应力。磨削的进给量越大，刃口切削能量越差，则残余切削应力越大。

2）切削热应力。磨削过程中，金属塑性变形和砂轮与模具剧烈摩擦会产生大量的热，再加上磨削所消耗的功几乎80%变成热，上述热量可使金属模具表面温度升高到800℃以上，并向模具内部扩散。模具表面受热特点是瞬时（约0.01s）快速升温，形成很陡的温度梯度，随即又以800～1000℃/s的速度冷却。受热后表层金属体积膨胀，但受到内层冷金属的制约，引起塑性变形；当急剧冷却时，产生残余拉应力，即磨削热应力。温升越高，金属导热性能越差，温度梯度越陡，则热应力越大。

3）组织应力。在磨削过程中产生的磨削热使模具表面温度升高，组织也伴随着发生转变。当表面温度低于模具材料的Ac₁温度时，模具表面组织被高温回火而发生体积收缩，使表层产生附加拉应力。当磨削温度高于Ac₁时，模具表面出现二次淬火层和高温回火层。当二次淬火层中残留奥氏体的体积分数大于50%时，表面都为残余拉应力；当残留奥氏体的体积分数小于50%时，拉应力移向次表层的高温回火层。

（2）模具材质的影响 钢中组织不同，热导率不同。奥氏体和碳化物的热导率最低，而马氏体的热导率又随着含碳量及合金元素含量的增加而降低。残留奥氏体和碳化物最多、马氏体中含碳量最高的模具钢首推Cr12钢系，其对磨削热的热导率最差，磨削时温升高，磨削应力也高，最容易产生磨削裂纹。因此，磨削积热除了与磨削工艺有关外，还随着材质的不同而变化。

钢中网状碳化物、带状碳化物、共晶碳化物和杂质等不仅本身断裂强度和导热系数低，而且形成切口效应，磨削应力大时最容易导致磨削裂纹的出现。

（3）热处理工艺的影响 提高模具淬火加热温度会增加马氏体中碳及合金元素的含量，提高残留奥氏体的份额，增加马氏体针的长度和微裂纹的数量，并大幅度增加内应力和材料脆性，导致磨削时出现裂纹。实验证明，随着淬火加热温度的升高，磨削裂纹出现的概率也相应增加。同时，若存在过热的粗大马氏体，则即使轻微磨削也极易出现磨削裂纹。

回火温度太低，保温时间太短，回火次数太少，残余热应力高，则出现磨削裂纹的概率增加。

试验证实，经淬火并冷处理的Cr12MoV钢模具，回火后在以正常磨削加工工艺磨削时，通常不会出现磨削裂纹，这是因为冷处理后基本上消除了残留奥氏体，且经充分回火以后残余应力较小的原因。

（4）磨削裂纹的检查与判断 磨削裂纹较粗时，可用放大镜检查出来。而细小裂纹目视检测困难，可用磁粉检测仪或荧光检测仪检查。金相检查也可以检测磨削裂纹，而且可检查裂纹深度。检查时必须垂直于磨削面切取试样，经抛光浸蚀后观察裂纹处附近金相组织情况，以及裂纹的深度及走向。

磨削裂纹形成的原因一般是因磨削加工工艺不当。磨削裂纹一般都呈有规律的分布，细小、深度浅（一般小于0.5mm，终止于高温回火层与中心组织交界处附近）、密集，并且与砂轮磨削方向有一定的关系。在磨削裂纹区一般都存在磨削烧伤情况。在磨削加工工艺正常情况下，因前期的热处理工艺不当，也会产生磨削裂纹，这是由于淬火内应力太大，导致磨削时出现裂纹。此时的裂纹比较粗长，开口较宽而深，裂纹分布和走向与砂轮磨痕走向无关。经无损检测，裂纹周围无烧伤痕迹，显微组织中也观察不到回火烧伤和二次淬火烧伤层。

模具原材料内部组织不均匀，如碳化物呈网状分布时，也容易在磨削过程中沿脆性碳化物出现磨削裂纹。

（5）对策

1）严格检查模具钢材质，如检查网状二次碳化物、共晶碳化物堆积、碳化物带状偏析、非金属夹杂物、疏松、化学成分、内部微裂纹等。

2）制订合理的热处理工艺，并按操作规程执行，防止过热。可采用低温硝盐或中温盐浴分级冷却；及时充分回火（最好回火3次），以消除或缓解热处理应力；冷处理可减少残留奥氏体数量，减少磨削裂纹出现的概率。

3）正确制订磨削工艺，防止过量磨削（磨削吃刀量过大和工件移动速度过快是造成过量磨削的主要原因）。最好粗磨时吃刀量小于或等于0.03mm，精磨时吃刀量小于或等于0.02mm。最好选用中软SA单晶刚玉砂轮磨削莱氏体钢。磨钝的砂轮要及时用金刚石进行修整，以保持刃口锋利。另外，由于磨削切削液对模具可起到冷却、冲洗切屑、防止砂轮孔穴堵塞等作用，因此要选择冷却性能好、有表面活性剂和富有润滑效果的切削液。