1、鍛造對(duì)金屬組織、性能的影響與鍛件缺陷 鍛件的缺陷包括表面缺陷和內(nèi)部缺陷。有的鍛件缺陷會(huì)影響后續(xù)工序的加工質(zhì)量，有的則嚴(yán)重影響鍛件的性能，降低所制成品件的使用壽命，甚至危及安全。因此，為提高鍛件質(zhì)量，避免鍛件缺陷的產(chǎn)生，應(yīng)采取相應(yīng)的工藝對(duì)策，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)全過(guò)程的質(zhì)量控制。 概要介紹三方面的問(wèn)題：鍛造對(duì)金屬組織、性能的影響與鍛件缺陷；鍛件質(zhì)量檢驗(yàn)的內(nèi)容和方法；鍛件質(zhì)量分析的一般過(guò)程。 （一）鍛造對(duì)金屬組織和性能的影響 鍛造生產(chǎn)中，除了必須保證鍛件所要求的形狀和尺寸外，還必須滿足零件在使用過(guò)程中所提出的性能要求，其中主要包括：強(qiáng)度指針、塑性指針、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌度和抗應(yīng)力腐蝕性能等，對(duì)

2、高溫工作的零件，還有高溫瞬時(shí)拉伸性能、持久性能、抗蠕變性能和熱疲勞性能等。 鍛造用的原材料是鑄錠、軋材、擠材和鍛坯。而軋材、擠材和鍛坯分別是鑄錠經(jīng)軋制、 擠壓及鍛造加工后形成的半成品。鍛造生產(chǎn)中，采用合理的工藝和工藝參數(shù)，可以通過(guò)下列幾方面來(lái)改善原材料的組織和性能： 1）打碎柱狀晶，改善宏觀偏析，把鑄態(tài)組織變?yōu)殄憫B(tài)組織，并在合適的溫度和應(yīng)力條件下，焊合內(nèi)部孔隙，提高材料的致密度； 2）鑄錠經(jīng)過(guò)鍛造形成纖維組織，進(jìn)一步通過(guò)軋制、擠壓、模鍛，使鍛件得到合理的纖維方向分布； 3）控制晶粒的大小和均勻度； 4）改善第二相（例如：萊氏體鋼中的合金碳化物）的分布； 5）使組織得到形變強(qiáng)化或形變相變強(qiáng)化等。

3、 由于上述組織的改善，使鍛件的塑性、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度及持久性能等也隨之得到了提高，然后通過(guò)零件的最后熱處理就能得到零件所要求的硬度、強(qiáng)度和塑性等良好的綜合性能。但是，如果原材料的質(zhì)量不良或所采用的鍛造工藝不合理，則可能產(chǎn)生鍛件缺陷，包括表面缺陷、內(nèi)部缺陷或性能不合格等。（二）原材料對(duì)鍛件質(zhì)量的影響 原材料的良好質(zhì)量是保證鍛件質(zhì)量的先決條件，如原材料存在缺陷，將影響鍛件的成形過(guò)程及鍛件的最終質(zhì)量。 如原材料的化學(xué)元素超出規(guī)定的范圍或雜質(zhì)元素含量過(guò)高，對(duì)鍛件的成形和質(zhì)量都會(huì)帶來(lái)較大的影響，例如：S、B、Cu、Sn等元素易形成低熔點(diǎn)相，使鍛件易出現(xiàn)熱脆。為了獲得本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，鋼中殘余鋁含量需控制在

4、一定范圍內(nèi)，例如Al酸002004（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。含量過(guò)少，起不到控制晶粒長(zhǎng)大的作用，常易使鍛件的本質(zhì)晶粒度不合格；含鋁量過(guò)多，壓力加工時(shí)在形成纖維組織的條件下易形成木紋狀斷口、撕痕狀斷口等。又如，在1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼中，Ti、Si、Al、Mo的含量越多，則鐵素體相越多，鍛造時(shí)愈易形成帶狀裂紋，并使零件帶有磁性。 如原材料內(nèi)存在縮管殘余、皮下起泡、嚴(yán)重碳化物偏析、粗大的非金屬夾雜物（夾渣）等缺陷，鍛造時(shí)易使鍛件產(chǎn)生裂紋。原材料內(nèi)的樹枝狀晶、嚴(yán)重疏松、非金屬夾雜物、白點(diǎn)、氧化膜、偏析帶及異金屬混人等缺陷，易引起鍛件性能下降。原材料的表面裂紋、折疊、結(jié)疤、粗晶環(huán)等易造成鍛件的表面裂紋。

5、（三）鍛造工藝過(guò)程對(duì)鍛件質(zhì)量的影響 鍛造工藝過(guò)程一般由以下工序組成，即下料、加熱、成形、鍛后冷卻、酸洗及鍛后熱處理。鍛造過(guò)程中如果工藝不當(dāng)將可能產(chǎn)生一系列的鍛件缺陷。 加熱工藝包括裝爐溫度、加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、爐氣成分等。如果加熱不當(dāng)，例如加熱溫度過(guò)高和加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)引起脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等缺陷。 對(duì)于斷面尺寸大及導(dǎo)熱性差、塑性低的坯料，若加熱速度太快，保溫時(shí)間太短，往往使溫度分布不均勻，引起熱應(yīng)力，并使坯料發(fā)生開裂。 鍛造成形工藝包括變形方式、變形程度、變形溫度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)、工模具的情兄和潤(rùn)滑條件等，如果成形工藝不當(dāng)，將可能引起粗大晶粒、晶粒不均、各種裂紋、折疊。寒流、渦

6、流、鑄態(tài)組織殘留等。 鍛后冷卻過(guò)程中，如果工藝不當(dāng)可能引起冷卻裂紋、白點(diǎn)、網(wǎng)狀碳化物等。 （四）鍛件組織對(duì)最終熱處理后的組織和性能的影響 奧氏體和鐵素體耐熱不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金等在加熱和冷卻過(guò)程中，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料，以及一些銅合金和鈦合金等，在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的組織缺陷用熱處理的辦法不能改善。 在加熱和冷卻過(guò)程中有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料，如結(jié)構(gòu)鋼和馬氏體不銹鋼等，由于鍛造工藝不當(dāng)引起的某些組織缺陷或原材料遺留的某些缺陷，對(duì)熱處理后的鍛件質(zhì)量有很大影響。現(xiàn)舉例說(shuō)明如下： 1）有些鍛件的組織缺陷，在鍛后熱處理時(shí)可以得到改善，鍛件最終熱處理后仍可獲得滿意的組織和性能。例如，在一般過(guò)熱的結(jié)

7、構(gòu)鋼鍛件中的粗晶和魏氏組織，過(guò)共析鋼和軸承鋼由于冷卻不當(dāng)引起的輕微的網(wǎng)狀碳化物等。 2）有些鍛件的組織缺陷，用正常的熱處理較難消除，需用高溫正火、反復(fù)正火、低溫分解、高溫?cái)U(kuò)散退火等措施才能得到改善。例如，低倍粗晶、9Cr18不銹鋼的孿晶碳化物等。 3）有些鍛件的組織缺陷，用一般熱處理工藝不能消除，結(jié)果使最終熱處理后的鍛件性能下降，甚至不合格。例如，嚴(yán)重的石狀斷口和棱面斷口、過(guò)燒、不銹鋼中的鐵素體帶、萊氏體高合金工具鋼中的碳化物網(wǎng)和帶等。 4）有些鍛件的組織缺陷，在最終熱處理時(shí)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，甚至引起開裂。例如，合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件中的粗晶組織，如果鍛后熱處理時(shí)未得到改善，在碳、氮共滲和淬火后常引起馬

8、氏體針粗大和性能不合格；高速鋼中的粗大帶狀碳化物，淬火時(shí)常引起開裂。 鍛造過(guò)程中常見的缺陷及其產(chǎn)生原因在鍛造過(guò)中常見的缺陷中將具體介紹。應(yīng)當(dāng)指出，各種成形方法中的常見缺陷和各類材料鍛件的主要缺陷都是有其規(guī)律的。 不同成形方法，由于其受力情況不同，應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)不一樣，因而可能產(chǎn)生的主要缺陷也是不一樣的。例如，坯料鐓粗時(shí)的主要缺陷是側(cè)表面產(chǎn)生縱向或45方向的裂紋，錠料鐓粗后上、下端常殘留鑄態(tài)組織等；矩形截面坯料拔長(zhǎng)時(shí)的主要缺陷是表面的橫向裂紋和角裂，內(nèi)部的對(duì)角線裂紋和橫向裂紋；開式模鍛時(shí)的主要缺陷則是充不滿、折疊和錯(cuò)移等。各主要成形工序中常見的缺陷將在各主要成形工序中常見的缺陷與對(duì)策中詳細(xì)介紹。

9、不同種類的材料，由于其成分、組織不同，在加熱、鍛造和冷卻過(guò)程中，其組織變化和力學(xué)行為也不同，因而鍛造工藝不當(dāng)時(shí)，可能產(chǎn)生的缺陷也有其特殊性。例如，萊氏體高合金工具鋼鍛件的缺陷主要是碳化物顆粒粗大、分布不均勻和裂紋，高溫合金鍛件的缺陷主要是粗晶和裂紋；奧氏體不銹鋼鍛件的缺陷主要是晶間貧鉻，抗晶間腐蝕能力下降，鐵素體帶狀組織和裂紋等；鋁合金鍛件的缺陷主要是粗晶、折疊、渦流、穿流等鍛造工藝缺陷 (1)鍛造工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷通常有以下幾種 1.大晶粒 大晶粒通常是由于始鍛溫度過(guò)高和變形程度不足、或終鍛溫度過(guò)高、或變形程度落人臨界變形區(qū)引起的。鋁合金變形程度過(guò)大，形成織構(gòu)；高溫合金變形溫度過(guò)低，形成混合

10、變形組織時(shí)也可能引起粗大晶粒 晶粒粗大將使鍛件的塑性和韌性降低，疲勞性能明顯下降， 2.晶粒不均勻 晶粒不均勻是指鍛件某些部位的晶粒特別粗大，某些部位卻較小。產(chǎn)生晶粒不均勻的主要原因是坯料各處的變形不均勻使晶粒破碎程度不一，或局部區(qū)域的變形程度落人臨界變形區(qū)，或高溫合金局部加工硬化，或淬火加熱時(shí)局部晶粒粗大。耐熱鋼及高溫合金對(duì)晶粒不均勻特別敏感。晶粒不均勻?qū)⑹瑰懠某志眯阅?、疲勞性能明顯下降。 3.冷硬現(xiàn)象 變形時(shí)由于溫度偏低或變形速度太快，以及鍛后冷卻過(guò)快，均可能使再結(jié)晶引起的軟化跟不上變形引起的強(qiáng)化（硬化），從而使熱鍛后鍛件內(nèi)部仍部分保留冷變形組織。這種組織的存在提高了鍛件的強(qiáng)度和硬度，但

11、降低了塑性和韌性。嚴(yán)重的冷硬現(xiàn)象可能引起鍛裂。 4.裂紋 裂紋通常是鍛造時(shí)存在較大的拉應(yīng)力、切應(yīng)力或附加拉應(yīng)力引起的。裂紋發(fā)生的部位通常是在坯料應(yīng)力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和內(nèi)部有微裂紋、或坯料內(nèi)存在組織缺陷，或熱加工溫度不當(dāng)使材料塑性降低，或變形速度過(guò)快、變形程度過(guò)大，超過(guò)材料允許的塑性指針等，則在撤粗、拔長(zhǎng)、沖孔、擴(kuò)孔、彎曲和擠壓等工序中都可能產(chǎn)生裂紋。 5.龜裂 龜裂是在鍛件表面呈現(xiàn)較淺的龜狀裂紋。在鍛件成形中受拉應(yīng)力的表面（例如，未充滿的凸出部分或受彎曲的部分）最容易產(chǎn)生這種缺陷。引起龜裂的內(nèi)因可能是多方面的：原材料合cu、sn等易熔元素過(guò)多。高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)，鋼料表面有銅析

12、出、表面晶粒粗大、脫碳、或經(jīng)過(guò)多次加熱的表面。燃料含硫量過(guò)高，有硫滲人鋼料表面， 6.飛邊裂紋 飛邊裂紋是模鍛及切邊時(shí)在分模面處產(chǎn)生的裂紋。飛邊裂紋產(chǎn)生的原因可能是：在模鍛操作中由于重?fù)羰菇饘購(gòu)?qiáng)烈流動(dòng)產(chǎn)生穿筋現(xiàn)象。鎂合金模鍛件切邊溫度過(guò)低；銅合金模鍛件切邊溫度過(guò)高。 7.分模面裂紋 分模面裂紋是指沿鍛件分模面產(chǎn)生的裂紋。原材料非金屬夾雜多，模鍛時(shí)向分模面流動(dòng)與集中或縮管殘余在模鍛時(shí)擠人飛邊后常形成分模面裂紋。 8.折疊 折疊是金屬變形過(guò)程中已氧化過(guò)的表層金屬匯合到一起而形成的。它可以是由兩股（或多股）金屬對(duì)流匯合而形成；也可以是由一股金屬的急速大量流動(dòng)將鄰近部分的表層金屬帶著流動(dòng)，兩者匯合而形

13、成的；也可以是由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成；還可以是部分金屬局部變形，被壓人另一部分金屬內(nèi)而形成。折疊與原材料和坯料的形狀、模具的設(shè)計(jì)、成形工序的安排、潤(rùn)滑情況及鍛造的實(shí)際操作等有關(guān) 折疊不僅減少了零件的承載面積，而且工作時(shí)由于此處的應(yīng)力集中往往成為疲勞源 9.穿流 穿流是流線分布不當(dāng)?shù)囊环N形式。在穿流區(qū)，原先成一定角度分布的流線匯合在一起形成穿流，并可能使穿流區(qū)內(nèi)、外的晶粒大小相差較為懸殊。穿流產(chǎn)生的原因與折疊相似，是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而形成的，但穿流部分的金屬仍是一整體 穿流使鍛件的力學(xué)性能降低，尤其當(dāng)穿流帶兩側(cè)晶粒相差較懸殊時(shí)，性能降低較明顯。 10.鍛件流線分布

14、不順 鍛件流線分布不順是指在鍛件低倍上發(fā)生流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現(xiàn)象鍛造工藝缺陷 (2) 如果模具設(shè)計(jì)不當(dāng)或鍛造方法選擇不合理，預(yù)制毛坯流線紊亂；工人操作不當(dāng)及模具磨損而使金屬產(chǎn)生不均勻流動(dòng)，都可以使鍛件流線分布不順。流線不順會(huì)使各種力學(xué)性能降低，因此對(duì)于重要鍛件，都有流線分布的要求。 11.鑄造組織殘留 鑄造組織殘留主要出現(xiàn)在用鑄錠作坯料的鍛件中。鑄態(tài)組織主要?dú)埩粼阱懠睦щy變形區(qū)。鍛造比不夠和鍛造方法不當(dāng)是鑄造組織殘留產(chǎn)生的主要原因 鑄造組織殘留會(huì)使鍛件的性能下降，尤其是沖擊韌度和疲勞性能等。 12.碳化物偏析級(jí)別不符要求 碳化物偏析級(jí)別不符要求主要出現(xiàn)于萊氏體工模具鋼中。主要是鍛

15、件中的碳化物分布不均勻，呈大塊狀集中分布或呈網(wǎng)狀分布。造成這種缺陷的主要原因是原材料碳化物偏析級(jí)別差，加之改鍛時(shí)鍛比不夠或鍛造方法不當(dāng)具有這種缺陷的鍛件，熱處理淬火時(shí)容易局部過(guò)熱和淬裂。制成的刃具和模具使用時(shí)易崩刃等。 13.帶狀組織 帶狀組織是鐵素體和珠光體、鐵素體和奧氏體、鐵素體和貝氏體以及鐵素體和馬氏體在鍛件中呈帶狀分布的一種組織，它們多出現(xiàn)在亞共折鋼、奧氏體鋼和半馬氏體鋼中。這種組織，是在兩相共存的情況下鍛造變形時(shí)產(chǎn)生的帶狀組織能降低材料的橫向塑性指針，特別是沖擊韌性。在鍛造或零件工作時(shí)常易沿鐵素體帶或兩相的交界處開裂。 14.局部充填不足 局部充填不足主要發(fā)生在筋肋、凸角、轉(zhuǎn)角、圓角

16、部位，尺寸不符合圖樣要求。產(chǎn)生的原因可能是：鍛造溫度低，金屬流動(dòng)性差；設(shè)備噸位不夠或錘擊力不足；制坯模設(shè)計(jì)不合理，坯料體積或截面尺寸不合格；模膛中堆積氧化皮或焊合變形金屬。 15.欠壓 欠壓指垂直于分模面方向的尺寸普遍增大，產(chǎn)生的原因可能是：鍛造溫度低。設(shè)備噸位不足，錘擊力不足或錘擊次數(shù)不足 16.錯(cuò)移 錯(cuò)移是鍛件沿分模面的上半部相對(duì)于下半部產(chǎn)生位移。產(chǎn)生的原因可能是：滑塊（錘頭）與導(dǎo)軌之間的間隙過(guò)大；鍛模設(shè)計(jì)不合理，缺少消除錯(cuò)移力的鎖口或?qū)е?；模具安裝不良 17.軸線彎曲 鍛件軸線彎曲，與平面的幾何位置有誤差。產(chǎn)生的原因可能是：鍛件出模時(shí)不注意；切邊時(shí)受力不均；鍛件冷卻時(shí)各部分降溫速度不一；

17、清理與熱處理不當(dāng)缺陷預(yù)測(cè)技術(shù)鍛造成形過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷主要有兩大類：幾何缺陷和物理缺陷。幾何缺陷主要產(chǎn)生在變星材料的表面輪廓上，由于模具形狀設(shè)計(jì)存在不合理，因此在金屬充填模腔時(shí)，有些部位存在充不滿現(xiàn)象，即所謂“缺肉”；或在有些部位因金屬回流而產(chǎn)生折疊。這些都屬于表面缺陷，成形后用肉眼一般可以直接觀察到。物理缺陷主要是指材料在流動(dòng)過(guò)程中，局部變形劇烈，當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)，可能會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂紋，甚至擴(kuò)展到大的空洞；這類缺陷將嚴(yán)重影響鍛件的使用性能，而且用肉眼無(wú)法直接觀察到。如何在鍛造生產(chǎn)中避免這些缺陷，對(duì)模具設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)。而采用塑形有限元仿真整個(gè)鍛造過(guò)程，可以及時(shí)預(yù)報(bào)缺陷產(chǎn)生的種

18、類和部位，為模具設(shè)計(jì)和修改提供幫助。鍛造過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)鍛造過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)是指通過(guò)有限元模擬得出金屬的流動(dòng)規(guī)律和變形特點(diǎn)，然后分析模擬結(jié)果，調(diào)整工藝參數(shù)（如成形速率，成形溫度或摩擦條件）或改進(jìn)模腔形狀，以成形出滿足質(zhì)量要求的零件。在鍛造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，研究的熱點(diǎn)是預(yù)成形模膛形狀設(shè)計(jì)和預(yù)鍛工步數(shù)的確定。以前在實(shí)際生產(chǎn)中這類設(shè)計(jì)要由相當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的工程師完成，然后還要試模，因此預(yù)成形模具的設(shè)計(jì)過(guò)程非常復(fù)雜，缺乏嚴(yán)格的理論依據(jù)，模具的開發(fā)周期長(zhǎng)，這種試錯(cuò)法尤其不適應(yīng)新產(chǎn)品的開發(fā)。塑性有限元仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一瓶頸提供了條件，它是一種有效的可大大減少試模檢驗(yàn)次數(shù)的方法，雖然還不能完全代替試模，但卻可以大幅

19、度降低試模次數(shù)，而這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)還要有相應(yīng)的預(yù)成形設(shè)計(jì)理論作為保證。大型鍛件的缺陷與對(duì)策:鍛造裂紋在大型鍛造中，當(dāng)原材料質(zhì)量不良或鍛造工藝不當(dāng)時(shí)，常易產(chǎn)生鍛造裂紋。下面介紹幾個(gè)由于材質(zhì)不良引起鍛裂的情況。(1)鋼錠缺陷引起的鍛造裂紋大部分鋼錠缺陷，鍛造時(shí)都可能造成開裂，圖片6-8所示為2Cr13主軸鍛件中心裂紋。這是因?yàn)樵?t鋼錠凝固時(shí)結(jié)晶溫度范圍窄，線收縮系數(shù)大。冷凝補(bǔ)縮不足，內(nèi)外溫差大，軸心拉應(yīng)力大，沿枝晶開裂，形成鋼錠軸心晶間裂紋，該裂紋在鍛造時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展而成主軸鍛件中已裂紋。該缺陷可通過(guò)下列措施予以消除：提高冶煉鋼水純凈度；鑄錠緩慢冷卻，減少熱應(yīng)力；采用良好的發(fā)熱劑與保溫帽，增大補(bǔ)縮能

20、力；采用中心壓實(shí)鍛造工藝。(2)鋼中有害雜質(zhì)沿晶界析出引起的鍛造裂紋。鋼中的硫常以FeS形式沿晶界析出，其熔點(diǎn)僅有982，在1200鍛造溫度下，晶界上FeS將發(fā)生熔化，并以液態(tài)薄膜形式包圍晶粒，破壞晶粒間的結(jié)合而產(chǎn)生熱脆，輕微鍛擊就會(huì)開裂。鋼中含銅在11001200溫度下的過(guò)氧化性氣氛中加熱時(shí)，由于選擇性氧化，表層會(huì)形成富銅區(qū)，當(dāng)超過(guò)銅在奧氏體中溶解度時(shí)，銅則以液態(tài)薄膜形式分布于晶界，形成銅脆，不能鍛造成形。如果鋼中還存在有錫、銻還會(huì)嚴(yán)重降低銅在奧氏體中的溶解度，加劇這種脆化傾向。鋼鍛件網(wǎng)狀裂紋，因含銅量過(guò)高，鍛造加熱時(shí)，表面選擇性氧化，使銅沿晶界富集，鍛造裂紋沿晶界富銅相生核并擴(kuò)展而形成。(

21、3)異相(第二相)引起的鍛造裂紋鋼中第二相的力學(xué)性能往往和金屬基體有很大的差別，因而在變形流動(dòng)時(shí)會(huì)引起附加應(yīng)力導(dǎo)致整體工藝塑性下降，一旦局部應(yīng)力超過(guò)異相與基體間結(jié)合力時(shí)，則發(fā)生分離形成孔洞。例如鋼中的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅酸鹽等等。假如這些相呈密集。鏈狀分布，尤其在沿晶界結(jié)合力薄弱處存在，高溫鍛壓就會(huì)開裂。20SiMn鋼87t錠因細(xì)小的AlN沿晶界析出引起鍛造開裂的宏觀形貌，其表面已經(jīng)氧化，呈現(xiàn)多面體柱狀晶。微觀分析表明，鍛造開裂與細(xì)小的顆粒狀A(yù)lN沿一次晶晶界大量析出有關(guān)。防止因氮化鋁沿晶析出引起鍛造開裂的對(duì)策是：1)限制鋼中加鋁量，去除鋼中氮?dú)饣蛴眉逾伔ㄒ种艫lN析出量

22、；2)采用熱送鋼錠，過(guò)冷相變處理工藝；3)提高熱送溫度(900)直接加熱鍛造；4)鍛前進(jìn)行充分的均勻化退火，使晶界析出相擴(kuò)散。 大型鍛件的缺陷與對(duì)策:過(guò)熱、過(guò)燒與溫度不均 加熱溫度過(guò)高或高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)易引起過(guò)熱、過(guò)燒。過(guò)熱使材料的塑性與沖擊韌性顯著降低。過(guò)燒時(shí)材料的晶界劇烈氧化或者熔化，完全失去變形能力。當(dāng)加熱溫度分布嚴(yán)重不均勻，表現(xiàn)為鍛坯內(nèi)外、正反面、沿長(zhǎng)度溫差過(guò)大，在鍛造時(shí)引起不均變形，偏心鍛造等缺陷，亦稱欠熱。5tPCrNi3Mo鋼鍛坯過(guò)熱組織，因加熱溫度太高引起的過(guò)熱特征。試樣用10%(體積分?jǐn)?shù))硝酸水溶液和10%(體積分?jǐn)?shù))硫酸水溶液腐蝕，金相顯微鏡(LM)觀察，晶粒粗大，晶界呈

23、黑色，基體灰白色，顯示為過(guò)熱特征。軸承鋼GCr15SiMn鍛件過(guò)燒引起的裂紋，晶界上有熔化痕跡及低熔點(diǎn)劇相，裂紋沿晶界擴(kuò)展。試樣用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后呈黑色晶界，明顯燒壞，鍛坯過(guò)燒報(bào)廢。防止加熱缺陷的對(duì)策是：l)嚴(yán)格執(zhí)行正確的加熱規(guī)范；2)注意裝爐方式，防止局部加熱；3)調(diào)準(zhǔn)測(cè)溫儀表，精心加熱操作，控制爐溫、爐氣流動(dòng)，防止不均勻加熱。 大型鍛件的缺陷與對(duì)策:白點(diǎn)白點(diǎn)是鍛件在鍛后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的一種內(nèi)部缺陷。其形貌在橫向低倍試片上為細(xì)發(fā)絲狀銳角裂紋，斷口為銀白色斑點(diǎn)。Cr-Ni-Mo鋼鍛件縱向斷口上的白點(diǎn)其形狀不規(guī)則，大小懸殊，最小長(zhǎng)軸尺寸僅2mm，最大的為24mm。白點(diǎn)實(shí)質(zhì)是一種

24、脆性銳邊裂紋，具有極大的危害性，是馬氏體和珠光體鋼中十分危險(xiǎn)的缺陷。白點(diǎn)成因是鋼中氫在應(yīng)力作用下向拉應(yīng)力區(qū)富集，使鋼產(chǎn)生所謂氫脆，發(fā)生脆性斷裂，所以氫和附加應(yīng)力聯(lián)合作用是白點(diǎn)產(chǎn)生的原因。防止白點(diǎn)的對(duì)策主要是：1)降低鋼中氫含量，如注意烘烤爐料，冶煉時(shí)充分沸騰，真空除氣，爐外精煉脫氣等。2)采用消除白點(diǎn)的熱處理，主要任務(wù)是擴(kuò)散鋼中氫，消除應(yīng)力，如擴(kuò)氫退火熱處理大型鍛件的缺陷與對(duì)策:氣泡氣泡分內(nèi)部氣泡與皮下氣泡兩種：鋼中氣體由爐料、爐氣、空氣進(jìn)人，當(dāng)冶煉時(shí)脫氧不良，沸騰排氣不充分，則鋼液中氣體含量過(guò)多，凝固過(guò)程中，隨溫度降低，氣體溶解度下降而由鋼液中析出，形成內(nèi)部氣泡。當(dāng)鋼錠模壁潮濕、銹蝕、涂料中

25、含有水分或揮發(fā)性物質(zhì)，在注人高溫鋼水時(shí)產(chǎn)生氣體向鋼錠表層滲透，形成皮下氣泡。氣泡經(jīng)過(guò)鍛壓變形會(huì)壓扁或擴(kuò)展成裂紋。防止氣泡的對(duì)策是：1)充分烘烤爐料與澆注系統(tǒng)；2)冶煉時(shí)充分脫氣，并采用保護(hù)澆注工藝；3)高溫?cái)U(kuò)散、鍛壓焊合孔洞缺陷；4)及時(shí)燒剝表面裂紋。大型鍛件的缺陷與對(duì)策:縮孔與疏松該類孔隙性缺陷，破壞金屬連續(xù)性，形成應(yīng)力集中與裂紋源，屬于不允許的缺陷。鋼錠開坯時(shí)切除量不夠，殘留縮孔及疏松，表現(xiàn)為鍛件端頭有管狀孔穴或者嚴(yán)重中心疏松。因鋼錠澆注溫度偏低，冒口補(bǔ)縮不良，縮孔深入到錠身區(qū)，鍛造時(shí)未能完全切除而形成縮孔殘余。橫向試片上中心部位呈現(xiàn)出枝叉狀孔洞特征。進(jìn)一步解剖，末端存在疏松組織。防止該類

26、缺陷的對(duì)策是：1)嚴(yán)格控制澆注溫度和速度，防止低溫慢速注錠；2)采用發(fā)熱冒口或絕熱冒口，改善補(bǔ)縮條件使縮孔上移至冒口區(qū)，防止縮孔深人到錠身處；3)控制鍛造時(shí)鋼錠冒口切頭率，充分切凈縮松缺陷。合理鍛壓變形，壓實(shí)疏松缺陷。大型鍛件的缺陷與對(duì)策:夾雜物與有害微量元素 夾雜物按其來(lái)源可分為內(nèi)生夾雜與外來(lái)夾雜兩種。常見的內(nèi)生夾雜物主要有硫化物、硅酸鹽、氧化物等。它們?cè)阡撝械臄?shù)量和組成與鋼的成分、冶煉質(zhì)量、澆注過(guò)程以及脫氧方法有關(guān)。熔點(diǎn)高的內(nèi)生夾雜，凝固先于基體金屬，結(jié)晶不受阻礙，呈現(xiàn)為有規(guī)則的棱角外形；熔點(diǎn)較低的內(nèi)生夾雜，由于受已凝固金屬的限制，形態(tài)多為球或條狀、枝晶狀沿晶界分布。硫化物與塑性較好的硅酸

27、鹽組元，當(dāng)鋼錠經(jīng)鍛壓變形時(shí)，沿主變形方向延伸，呈條帶狀。而氧化物及塑性較差的硅酸鹽夾雜，在鍛壓變形時(shí)被破碎成小顆粒，呈鏈球狀分布。尺寸細(xì)小，彌散分布的內(nèi)生夾雜，多為微觀缺陷，危害程度較小。而大片或密集云團(tuán)狀分布的夾雜構(gòu)成宏觀缺陷，對(duì)鍛件使用有極不良的影響，容易引發(fā)嚴(yán)重的失效事故。外來(lái)夾雜系指混人鋼中的爐渣、保護(hù)渣、氧化膜、耐火材料和異金屬塊等。通常外來(lái)夾雜較粗大，嚴(yán)重分布將破壞鋼的連續(xù)性而報(bào)廢。隨著高參數(shù)，大型化機(jī)器設(shè)備的發(fā)展，對(duì)大鍛件的質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的要求，為此對(duì)鋼中鉛、銻、錫、鉍、砷等微量元素需要控制，以提高鍛件的強(qiáng)韌化水平。降低鋼中夾雜的一般對(duì)策是：1)鋼液真空處理，爐外精煉，控制鋼

28、液質(zhì)量；2)清潔澆注，防止外來(lái)夾雜污染與異金屬進(jìn)人；3)合理鍛造變形，改善夾雜分布。大型鍛件的缺陷與對(duì)策:偏析鋼中化學(xué)成分與雜質(zhì)分布的不均勻現(xiàn)象，稱為偏析。一般將高于平均成分者，稱為正偏析，低于平均成分者，稱為負(fù)偏析。尚有宏觀偏析，如區(qū)域偏析與微觀偏析，如枝晶偏析，晶間偏析之分。大鍛件中的偏析與鋼錠偏析密切相關(guān)，而鋼錠偏析程度又與鋼種、錠型、冶煉質(zhì)量及澆注條件等有關(guān)。合金元素、雜質(zhì)含量、鋼中氣體均加劇偏析的發(fā)展。鋼錠愈大，澆注溫度愈高，澆注速度愈快，偏析程度愈嚴(yán)重。(1)區(qū)域偏析它屬于宏觀偏析，是由鋼液在凝固過(guò)程中選擇結(jié)晶，溶解度變化和比重差異引起的。如鋼中氣體在上浮過(guò)程中帶動(dòng)富集雜質(zhì)的鋼液上

29、升的條狀軌跡，形成須狀形偏析。頂部先結(jié)晶的晶體和高熔點(diǎn)的雜質(zhì)下沉，仿佛結(jié)晶雨下落形成的軸心形偏析。沉淀于錠底形成負(fù)偏析沉積錐。最后凝固上部區(qū)域，碳、硫、磷等偏析元素富集，成為缺陷較多的正偏析區(qū)。防止區(qū)域偏析的對(duì)策是：1)降低鋼中硫、磷等偏析元素和氣體的含量，如采用爐外精煉，真空碳脫氧(VCD)處理及錠底吹氬工藝。2)采用多爐合澆、冒口補(bǔ)澆、振動(dòng)澆注及發(fā)熱絕熱冒口，增強(qiáng)冒口補(bǔ)縮能力等措施。3)嚴(yán)格控制注溫與注速，采用短粗錠型，改善結(jié)晶條件。在鍛件橫向低倍試片上，呈現(xiàn)與錠型輪廓相對(duì)應(yīng)的框形特征，亦稱框形偏析。因錠中偏析帶在變形時(shí)，沿分模面擴(kuò)展而呈現(xiàn)為框形。偏析帶由小孔隙及富集元素構(gòu)成，對(duì)鍛件組織性

30、能的均勻性有不良的影響。電渣重熔以其純凈度高、結(jié)晶結(jié)構(gòu)合理，成為生產(chǎn)重要大鍛件鋼坯的方法，但是如果在重熔過(guò)程中電流、電壓不穩(wěn)定，則會(huì)形成波紋狀偏析。當(dāng)電流、電壓增高時(shí)，鋼液過(guò)熱，結(jié)晶速度減緩，鋼液中的溶質(zhì)元素在結(jié)晶前沿偏聚形成富集帶；當(dāng)電流、電壓減小時(shí)，熔質(zhì)元素偏聚程度減小，這種周期性的變化，便形成了波紋狀的偏析條帶。區(qū)域偏析在橫向低倍酸浸試片上呈分散的深色斑點(diǎn)狀，稱之為點(diǎn)狀偏析。(2)枝晶偏析它屬于微觀偏析。樹枝狀結(jié)晶與晶間微區(qū)成分的不均勻性，可能引起組織性能的不均勻分布。采用掃描電鏡(SEM)、波譜儀(WDS)、能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)觀察和成分分析可以檢出并闡明原因，一般通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散加熱

31、，鍛壓合理變形與均勻化熱處理可以消除或減輕其不良影響。大型鍛件的缺陷與對(duì)策:組織性能不均勻大型鍛件因其尺寸大，工序多，周期長(zhǎng)，工藝過(guò)程中不均勻，不穩(wěn)定因素多，所以常常造成組織性能嚴(yán)重不均勻，以致在力學(xué)性能試驗(yàn)，金相組織檢查和無(wú)損探傷時(shí)不能通過(guò)。由于鋼錠中化學(xué)成分偏析，夾雜物聚集，各種孔隙性缺陷的影響；加熱時(shí)溫度變化緩慢，分布不均，內(nèi)應(yīng)力大，缺陷較多；高溫長(zhǎng)時(shí)間鍛造，局部受力局部變形，塑流狀況、壓實(shí)程度、變形分布差別較大；冷卻時(shí)擴(kuò)散過(guò)程緩慢，組織轉(zhuǎn)變復(fù)雜，附加應(yīng)力大。以上諸因素都可能導(dǎo)致組織性能嚴(yán)重不均勻，質(zhì)量不合格。提高大型鍛件均勻性的措施：1)采用先進(jìn)的冶鑄技術(shù)，提高鋼錠的冶金質(zhì)量；2)采用

32、控制鍛造，控制冷卻技術(shù)，優(yōu)化工藝過(guò)程，提高大鍛件生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平。大型鍛件的缺陷與對(duì)策：淬火裂紋與回火脆性許多對(duì)力學(xué)性能與表面硬度要求高的大鍛件，鍛后要經(jīng)粗加工，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理或表面淬火。在熱處理時(shí)，由于溫度急劇變化，將產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力。由于相變還產(chǎn)生組織應(yīng)力，和鍛件存在的殘余應(yīng)力疊加，合成的拉應(yīng)力值如果超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，并且沒(méi)有塑性變形松弛，將會(huì)產(chǎn)生各種形式的開裂和裂紋。例如縱向、橫向、表面和中心裂紋，表面龜裂和表層剝離等。由于大鍛件截面尺寸大，加熱、冷卻時(shí)溫度分布不均勻，相變過(guò)程復(fù)雜，殘余應(yīng)力大，而且程度不同地存在著各種宏觀和微觀缺陷，塑性差，韌性低，這都能加劇裂紋萌生與擴(kuò)展的過(guò)程

33、，往往形成即時(shí)的或延時(shí)的開裂破壞，甚至炸裂與自然置裂等，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。9Cr2Mo鋼軋輥表面淬火橫向裂紋，在調(diào)質(zhì)淬火加熱時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱，而且回火不足，心部保留較高的殘余內(nèi)應(yīng)力，在以后的工頻熱處理表面淬火時(shí)，心部拉應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加，超過(guò)該鋼的強(qiáng)度極限，引起斷裂為三段。斷口表明：裂紋源于過(guò)熱粗晶的心部，沿徑向有放射狀的撕裂棱，表層為細(xì)瓷狀的表淬層。防止淬火裂紋的一般對(duì)策是：1)采用合理的熱處理規(guī)范，控制加熱速度與冷卻過(guò)程，減少加熱缺陷與溫度應(yīng)力；2)避免鍛件中存在嚴(yán)重的冶金缺陷與殘余應(yīng)力；3)淬火后及時(shí)回火?；鼗鸫嘈韵堤蓟镂龀龌蛄?、錫、銻、砷等有害微量元素沿晶界聚集而引起的脆性增大的傾向。防止

34、回火脆性的對(duì)策是：1)減少鋼中有害元素的含量；2)減少鋼中偏析；3)避免在回火脆性溫度區(qū)熱處理，適當(dāng)快冷，防止有害組元富集。鍛后熱處理工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷 鍛后熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷通常有：1.硬度過(guò)高或硬度不夠由于鍛后熱處理工藝不當(dāng)而造成的鍛件硬度不夠的原因是：淬火溫度太低；淬火加熱時(shí)間太短；回火溫度太高；多次加熱引起鍛件表面嚴(yán)重脫碳；鋼的化學(xué)成分不合格等。由于鍛后熱處理工藝不當(dāng)而造成的鍛件硬度過(guò)高的原因是：正火后冷卻太快；正火或回火加熱時(shí)間太短；鋼的化學(xué)成分不合格等。2.硬度不均造成硬度不均的主要原因是熱處理工藝規(guī)定不當(dāng)，例如一次裝爐量過(guò)多或保溫時(shí)間太短；或加熱引起鍛件局部脫碳等。鍛件圖

35、制定的工作內(nèi)容鍛件圖是生產(chǎn)中的基本技術(shù)文件，根據(jù)它設(shè)計(jì)模具、確定原毛坯的尺寸和驗(yàn)收鍛件等，機(jī)械加工車間也是根據(jù)鍛件圖來(lái)設(shè)計(jì)工卡具的。鍛件圖制定的工作內(nèi)容包括：(1).確定分模面的位置和形狀；(2).確定余量、公差和余塊；(3).確定模鍛斜度；(4).確定鍛件的圓角半徑；(5).確定沖孔連皮的形狀和尺寸；(6).確定輻板和筋的形狀和尺寸； 鍛壓技術(shù)：不銹鋼鍛造的毛坯加熱工藝不銹鋼鍛前加熱可用電爐，也可以用火焰爐。生產(chǎn)中多用火焰爐，因其成本較低。爐氣氣氛應(yīng)保持中性或微氧化性。對(duì)于奧氏體不銹鋼，不可采用還原性氣氛，以免產(chǎn)生增碳或貧鉻，使晶間腐蝕抗力下降；對(duì)于馬氏體不銹鋼，因含碳量較高，不可采用過(guò)分氧

36、化的氣氛，以免引起嚴(yán)重脫碳。用火焰爐加熱時(shí)，還應(yīng)注意燃?xì)鈶?yīng)基本上保持不含硫化氫及其他含硫的污染物，尤其對(duì)高鎳鋼，更不能使用含硫量大的燃料，因?yàn)榱驖B入鋼中便要與鎳形成NiS(熔點(diǎn)797)或Ni+Ni3S2共晶體(熔點(diǎn)645)，它主要分布在晶界上，引起不銹鋼的工藝塑性下降，并在鍛造時(shí)形成裂紋。在700800以下，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比普通合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小。但是，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度的增加而增大(見圖12)，在700800范圍與普通合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)趨于一致。因此，對(duì)于直徑大于100mm的毛坯，均應(yīng)采用兩段加熱制度：在預(yù)熱階段，保持800850的爐溫以減慢加熱速度；在加熱和均熱階段，保持較高爐溫(

37、始鍛溫度上限)，以便能迅速加熱到始鍛溫度。對(duì)于表面質(zhì)量要求較高的精密鍛件，或余量較小的重要鍛件，如壓氣機(jī)葉片等，加熱前往往在毛坯表面上涂一層防護(hù)涂料(玻璃潤(rùn)滑劑)，然后在普通加熱爐內(nèi)加熱。玻璃防護(hù)涂料能保護(hù)金屬免遭氧化和污染，同時(shí)它還是鍛造加工時(shí)的潤(rùn)滑劑。不銹鋼的加熱時(shí)間可以按0.30.5min/mm計(jì)算。圖12 不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系不銹鋼鍛造因加熱不當(dāng)引起的缺陷加熱不當(dāng)引起的缺陷1.晶粒粗大鐵素體型不銹鋼無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，加熱時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向大。而晶粒過(guò)大，會(huì)造成較大脆性，降低鋼的沖擊韌性。因此，加熱溫度不宜過(guò)高，高溫下停留時(shí)間不宜太長(zhǎng)。2.鐵素體增多奧氏體雙相鋼及馬氏體鋼加熱到過(guò)高的溫

38、度，會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的鐵素體，導(dǎo)致合金的工藝塑性降低，從而引起鍛造開裂。圖15示出了1Cr12Ni2W2MoV鋼因鍛造加熱溫度過(guò)高，相析出數(shù)量多而引起的鍛造開裂。3.低熔點(diǎn)化合物形成含鎳量較高的不銹鋼應(yīng)用不含硫的燃?xì)饧訜?，因硫滲入鋼中與鎳形成低熔點(diǎn)NiS或Ni+Ni3S2共晶體，這些硫化物及共晶體分布在晶界上，鍛造時(shí)易產(chǎn)生晶間裂紋。除上述加熱缺陷外，馬氏體不銹鋼還應(yīng)采用緩慢均勻加熱，因馬氏體鋼中含鉻量較高，而鉻有提高鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度、減緩?qiáng)W氏體分解速度和降低鋼的導(dǎo)熱性的作用，從而造成較大的溫度應(yīng)力組織應(yīng)力，引起坯料開裂。圖15 1Cr12Ni2W2MoV鋼相析出過(guò)多引起的鍛造開裂鍛造原材料的主要缺

39、陷及其引起的鍛件缺陷原材料為鑄錠、軋材、擠材及鍛坯。而軋材、擠材及鍛坯分別是鑄錠經(jīng)軋制、擠壓及鍛造加工成的半成品。一般情況下，鑄錠的內(nèi)部缺陷或表面缺陷的出現(xiàn)有時(shí)是不可避免的。例如，內(nèi)部的成分與組織偏析等。原材料存在的各種缺陷，不僅會(huì)影響鍛件的成形，而且將影響鍛件的最終質(zhì)量。根據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，在航空工業(yè)系統(tǒng)中，導(dǎo)致航空鍛件報(bào)廢的諸多原因中，由于原材料固有缺陷引起的約占一半左右。因此，千萬(wàn)不可忽視原材料的質(zhì)量控制工作。由于原材料的缺陷造成的鍛件缺陷通常有：1.表面裂紋表面裂紋多發(fā)生在軋制棒材和鍛制棒材上，一般呈直線形狀，和軋制或鍛造的主變形方向一致。造成這種缺陷的原因很多，例如鋼錠內(nèi)的皮下氣泡在軋

40、制時(shí)一面沿變形方向伸長(zhǎng)，一面暴露到表面上和向內(nèi)部深處發(fā)展。又如在軋制時(shí)，坯料的表面如被劃傷，冷卻時(shí)將造成應(yīng)力集中，從而可能沿劃痕開裂等等。這種裂紋若在鍛造前不去掉，鍛造時(shí)便可能擴(kuò)展引起鍛件裂紋。2.折疊折疊形成的原因是當(dāng)金屬坯料在軋制過(guò)程中，由于軋輥上的型槽定徑不正確，或因型槽磨損面產(chǎn)生的毛刺在軋制時(shí)被卷入，形成和材料表面成一定傾角的折縫。對(duì)鋼材，折縫內(nèi)有氧化鐵夾雜，四周有脫碳。折疊若在鍛造前不去掉，可能引起鍛件折疊或開裂(見實(shí)例)。3.結(jié)疤結(jié)疤是在軋材表面局部區(qū)域的一層可剝落的薄膜。結(jié)疤的形成是由于澆鑄時(shí)鋼液飛濺而凝結(jié)在鋼錠表面，軋制時(shí)被壓成薄膜，貼附在軋材的表面，即為結(jié)疤。鍛后鍛件經(jīng)酸洗清理，薄膜將會(huì)剝落而成為鍛件表面缺陷。4.層狀斷口層狀斷口的特征是其斷口或斷面與折斷了的石板、樹皮很相似。層狀斷口多發(fā)生在合金鋼(鉻鎳鋼、鉻鎳鎢鋼等)，碳鋼中也有發(fā)現(xiàn)。這種缺陷的產(chǎn)生是由于鋼中存在的非金屬夾雜物、枝晶偏析以及氣孔疏松等缺陷，在鍛、軋過(guò)程中沿軋制方向被拉長(zhǎng)，使鋼材呈片層狀。如果雜質(zhì)過(guò)多，鍛造就有分層破裂的危險(xiǎn)。層狀斷口越嚴(yán)重，鋼的塑性、韌性越差，尤其是橫向力學(xué)性能很低，所以鋼材如具有明顯的層片狀缺陷是不合格的。5.亮線(亮區(qū))亮線是在縱向斷口上呈現(xiàn)結(jié)晶發(fā)亮的有反射能力的細(xì)條線，多數(shù)貫穿整個(gè)斷口，大多數(shù)產(chǎn)生在軸心部分。亮線主要是由