大型锻件锻造中常见缺陷的防止方法
2021-03-19 16:11
admin
锻件质量与原材料质量(对大型锻件来说即钢锭质量)，锻造工艺及热处理工艺有着密切关系。
一般情况下大型锻件中存在内部组织偏析、夹杂、白点、粗晶、表裂、折叠、内裂、龟裂、钢锭沿横断面裂或者组织不合等缺陷造成一些锻件报废。
非金属夹杂物的比例最大。主要是原材料带来的硫化物、硅酸盐及其他氧化物,即在冶炼浇注过程中化学反应形成的夹杂物及在金属熔炼和浇注时耐火材料或砂子等外来夹杂物落入钢液中。钢锭中非金属夹杂物的含量、分布与冶炼钢锭有关，锻造只能使其分散，即分布趋于均匀细小，而不能减少其数量。
（1）非金属夹杂物除了使锻件性能降低之外，也会引起锻件裂纹。如35CrMo(5t)在锻造中间工序产生裂纹，这在很大程度上是由于在晶界上分布低熔点夹杂(如硫化物等)过多，锻造时引起热脆现象，致使断裂而降低了钢锭的锻造性能。
（2）在夹杂的含量、种类、大小、分布状况诸因素中以夹杂的大小和分布对锻件性能影响最大。从锻件断裂处分析多呈链状或团状存在。
（3）夹杂物在钢锭中的分布是不均匀的,危害最大的是分布在钢锭底部的负偏析区，在锭身和冒口的交界处。
根据以上分析，减少夹杂物的根本途径是在冶炼浇注过程中尽量减少夹杂物的来源，对钢液中已形成的夹杂应尽量使其浮到冒了吧口区。在锻造过程中虽不能消除钢中夹杂，但可利用合理的锻造工艺使粗大的夹杂减少，使密集的夹杂分散，即减少其危害。具体做法是：
①加热：钢锭加热时，对重要零件进行高温扩散退火，实际上是有效的(夹杂多伴随着偏析)；
②变形过程中采用满砧送料，大压下量锻造，使有利于钢锭中心夹杂产生变形而后空隙焊合，可能时作“宽砧”锻造；
③造成有利于锻合缺陷的压应力状态：
④根据零件的受力情况及纤维分布要求，采用相应的锻造工艺，譬如同时要求轴向和切向性能时，需要镦粗-拔长工序；
⑤水口端、冒口端要有足够的切除量；
⑥敏粗量：尽量使镦粗比增大；
⑦选择适当的锻造比。
粗晶在断口上肉眼就能看到粗大晶粒，遍及全部断口。金属材料的晶粒大小不是一成不变的，由于经受的工艺过程不同，晶粒大小与形状可在很大范围内变化，因此，对材料力学性能带来很大影响。一般情况下，随着品粒细化，可以提高钢的屈服强度、疲劳强度，同时钢具有很高的塑性和冲击韧性，特别是塑性。在发现粗晶的锻件中从材料实验的结果看，强度指标下降不多,而塑性指标明显下降，尤其是冲击韧性。
对热加工过程来说,变形温度、保温时间和变形程度是影响晶核生成速度和长大速度的基本参数。在加热条件下,原子的活动能力增加,随着加热温度升高，原子的扩散能力就不断增加,晶粒长大的趋势加剧，细晶粒极易变为粗晶粒，即加热温度愈高，粗晶愈严重；高温保温时间愈长，粗晶现象愈容易出现，并较严重，但没有加热温度影响大;粗晶可以热变形消除，原始加热温度愈高，所需变形程度愈大，一旦发现粗晶，对于有相变的钢可以用相应的热处理予以改善。
而对粗晶可以采取以下措施：
（1）关于锻造前加热温度和保温时间：严格控制在平衡图固相线 AE 以下150℃~250℃。由于钢锭凝固时，得到的原始晶粒组织比较稳定，过热倾向少，其始锻温度比同种钢还及钢材高 20℃~50℃。保温时间不宜过长，要根据锭型决定，不应超过最大温度时间。
（2）锻造变形可以打碎粗大的奥氏体晶粒，细化组织，消除粗晶，因此，锻造时大的变形量是消除粗晶的有效措施。在生产中应注意的几个问题：
①锻造过程中应尽量避免出现锻件上只有加热[而不变形的部分(这种现象比较常见)。
②在决定最后一次的加热温度时，要根据剩余变形量(剩余锻比)大小决定，以免由于终锻温度过高，引起晶粒长大；或者变形程度过小，锻造变形力过小传递不到锻件中心。一般认为:锻比 在 1.3-1.5时最高加热温度 1150℃-1120℃；锻比在 1.1-1.3时最高加热温度1050℃~1000℃；锻比在≤1.1时最高加热温度1000℃-950℃。
③在锻造变形时，避免小压下量变形工艺。
（3）锻件检验中，发现粗晶时，由于已经达到要求的尺寸和要求外形，可采用热处理方法消除。对探伤发现粗晶的锻件进行再次正火处理晶粒度都可有明显的改善。采用高温正火或正常正火温度下进行一次或次热处理。
白点是由于钢中的氢气和组织应力共同作用下产生的。产生白点缺陷的锻件材质主要是合金结构钢，从发现白点的情况看是偶然的，情况比较复杂，虽然数量不多，也值得对锻后冷却工艺进行分析。但是，如何在保证锻件不产生白点的前提下，尽量缩短扩氢时间是亟待解决的问题。要防止白点就应设法除氢和消除组织应力。除氢的根本措施是从冶炼工艺开始,如冶炼过程中氢含量超过 2ppm,就要在锻后制定去氢的冷却规范，决不允许锻后直接冷却到室温。
综上所见，出现白点的原因有;
①过冷温度控制不当，因为产生白点多在150℃~300℃之间；
②热处理工艺是针对一般的含氢量制定的,而有些钢在冶炼过程中含氢量就较高，致使原热处理工艺不能满足去氢的需要；
③不应过分强调缩短热处理周期，而缩短回火保温时间,从统计资料看,白点多发生在锻件的中心部位，原因是去氢时间不足。
为有效防止白点，对热处理工艺作如下改进：
（1）适当延长过冷温度保温时间,氢在该温度扩散速度最大，效果最好，原则是3h/100mm。
（2）等温保温时间在过冷的基础上可以缩短，一般取 5h-6h/100mm。因为从实践和资料上看,在这一阶段扩散出的氢并不多，主要目的是消除由于过冷而产生的组织应力。
裂纹是短粗的裂口，不规则的密布于表面,裂纹内有氧化现象，两侧脱碳严重，晶粒也很粗大。
（1）因过烧产生的裂纹：过烧是在晶粒边界出现熔化。一般在氧化气氛中加热的钢由于高温状态氧化更剧烈，以及氧化过程中的放热，使钢锭表面温度比炉温高,从而产生过烧。生产中曾偶尔发生,但如果在加热过程中使炉内温度尽量均匀，特别是不使火焰直接喷向钢锭表面，是完全可以避免的。现行的措施是：
①注意装炉位置合理；
②改造加热炉体机构，改变烧嘴高低位置，喷出火焰分散。
（2）因铜脆产生的裂纹：如钢中含铜量过高(>0.2%)时,在高温锻造时,极易在表面产生网状裂纹。这是由于铜较铁难以氧化，而且扩散过程很慢，因此，在氧化铁皮下形成一层富铜的金属层，当加热温度超过1100℃时，富铜的金属熔化并渗到钢的晶粒边界，使晶粒之间联系减弱，在热变形时金属表面便产生网状裂纹。
对轧辗钢和轴承钢，在锻造过程中应尽量避免产生严重的网状碳化物，尤其是轴承钢用来制作轴承圈时。因为轴承圈在工作时承受着点或线的高度集中的周期变化载荷,容易产生疲劳和磨损,所以要求有高的均匀的强度和硬度。这就必须使轴承钢的组织均匀，不应有网状碳化物，网状碳化物使强度、韧性、耐疲劳性和耐磨性降低，易使局部金属剥落，大大缩短使用寿命。我厂轴承钢的锻造工艺和热处理规范中都特别强调尽量避免网状碳化物超级。
网状碳化物是在锻造和冷却过程中形成的,所以，首先控制终锻温度，从实际结果看，终锻温度在900℃以上时没有网状碳化物析出，而大量析出的温度范围是800℃~750℃。我厂生产的轴承圈尺寸较大，若900℃以上终锻，一是终锻温度过高不利于成形，另外需要快冷，使操作不便，所以都严格控制在800℃-750℃终锻,并在这个温度下,使锻件整体上都有变形。按这样生产后，经试验，锻件网状碳化物均为2级，全部合格。其次，一旦出现网状碳化物超级，采用高温正火处理，也有效果，但不理想。
一般情况下大型锻件中存在内部组织偏析、夹杂、白点、粗晶、表裂、折叠、内裂、龟裂、钢锭沿横断面裂或者组织不合等缺陷造成一些锻件报废。
非金属夹杂物的比例最大。主要是原材料带来的硫化物、硅酸盐及其他氧化物,即在冶炼浇注过程中化学反应形成的夹杂物及在金属熔炼和浇注时耐火材料或砂子等外来夹杂物落入钢液中。钢锭中非金属夹杂物的含量、分布与冶炼钢锭有关，锻造只能使其分散，即分布趋于均匀细小，而不能减少其数量。
（1）非金属夹杂物除了使锻件性能降低之外，也会引起锻件裂纹。如35CrMo(5t)在锻造中间工序产生裂纹，这在很大程度上是由于在晶界上分布低熔点夹杂(如硫化物等)过多，锻造时引起热脆现象，致使断裂而降低了钢锭的锻造性能。
（2）在夹杂的含量、种类、大小、分布状况诸因素中以夹杂的大小和分布对锻件性能影响最大。从锻件断裂处分析多呈链状或团状存在。
（3）夹杂物在钢锭中的分布是不均匀的,危害最大的是分布在钢锭底部的负偏析区，在锭身和冒口的交界处。
根据以上分析，减少夹杂物的根本途径是在冶炼浇注过程中尽量减少夹杂物的来源，对钢液中已形成的夹杂应尽量使其浮到冒了吧口区。在锻造过程中虽不能消除钢中夹杂，但可利用合理的锻造工艺使粗大的夹杂减少，使密集的夹杂分散，即减少其危害。具体做法是：
①加热：钢锭加热时，对重要零件进行高温扩散退火，实际上是有效的(夹杂多伴随着偏析)；
②变形过程中采用满砧送料，大压下量锻造，使有利于钢锭中心夹杂产生变形而后空隙焊合，可能时作“宽砧”锻造；
③造成有利于锻合缺陷的压应力状态：
④根据零件的受力情况及纤维分布要求，采用相应的锻造工艺，譬如同时要求轴向和切向性能时，需要镦粗-拔长工序；
⑤水口端、冒口端要有足够的切除量；
⑥敏粗量：尽量使镦粗比增大；
⑦选择适当的锻造比。
对热加工过程来说,变形温度、保温时间和变形程度是影响晶核生成速度和长大速度的基本参数。在加热条件下,原子的活动能力增加,随着加热温度升高，原子的扩散能力就不断增加,晶粒长大的趋势加剧，细晶粒极易变为粗晶粒，即加热温度愈高，粗晶愈严重；高温保温时间愈长，粗晶现象愈容易出现，并较严重，但没有加热温度影响大;粗晶可以热变形消除，原始加热温度愈高，所需变形程度愈大，一旦发现粗晶，对于有相变的钢可以用相应的热处理予以改善。
而对粗晶可以采取以下措施：
（1）关于锻造前加热温度和保温时间：严格控制在平衡图固相线 AE 以下150℃~250℃。由于钢锭凝固时，得到的原始晶粒组织比较稳定，过热倾向少，其始锻温度比同种钢还及钢材高 20℃~50℃。保温时间不宜过长，要根据锭型决定，不应超过最大温度时间。
（2）锻造变形可以打碎粗大的奥氏体晶粒，细化组织，消除粗晶，因此，锻造时大的变形量是消除粗晶的有效措施。在生产中应注意的几个问题：
①锻造过程中应尽量避免出现锻件上只有加热[而不变形的部分(这种现象比较常见)。
②在决定最后一次的加热温度时，要根据剩余变形量(剩余锻比)大小决定，以免由于终锻温度过高，引起晶粒长大；或者变形程度过小，锻造变形力过小传递不到锻件中心。一般认为:锻比 在 1.3-1.5时最高加热温度 1150℃-1120℃；锻比在 1.1-1.3时最高加热温度1050℃~1000℃；锻比在≤1.1时最高加热温度1000℃-950℃。
③在锻造变形时，避免小压下量变形工艺。
（3）锻件检验中，发现粗晶时，由于已经达到要求的尺寸和要求外形，可采用热处理方法消除。对探伤发现粗晶的锻件进行再次正火处理晶粒度都可有明显的改善。采用高温正火或正常正火温度下进行一次或次热处理。
白点是由于钢中的氢气和组织应力共同作用下产生的。产生白点缺陷的锻件材质主要是合金结构钢，从发现白点的情况看是偶然的，情况比较复杂，虽然数量不多，也值得对锻后冷却工艺进行分析。但是，如何在保证锻件不产生白点的前提下，尽量缩短扩氢时间是亟待解决的问题。要防止白点就应设法除氢和消除组织应力。除氢的根本措施是从冶炼工艺开始,如冶炼过程中氢含量超过 2ppm,就要在锻后制定去氢的冷却规范，决不允许锻后直接冷却到室温。
综上所见，出现白点的原因有;
①过冷温度控制不当，因为产生白点多在150℃~300℃之间；
②热处理工艺是针对一般的含氢量制定的,而有些钢在冶炼过程中含氢量就较高，致使原热处理工艺不能满足去氢的需要；
③不应过分强调缩短热处理周期，而缩短回火保温时间,从统计资料看,白点多发生在锻件的中心部位，原因是去氢时间不足。
为有效防止白点，对热处理工艺作如下改进：
（1）适当延长过冷温度保温时间,氢在该温度扩散速度最大，效果最好，原则是3h/100mm。
（2）等温保温时间在过冷的基础上可以缩短，一般取 5h-6h/100mm。因为从实践和资料上看,在这一阶段扩散出的氢并不多，主要目的是消除由于过冷而产生的组织应力。
裂纹是短粗的裂口，不规则的密布于表面,裂纹内有氧化现象，两侧脱碳严重，晶粒也很粗大。
①注意装炉位置合理；
②改造加热炉体机构，改变烧嘴高低位置，喷出火焰分散。
（2）因铜脆产生的裂纹：如钢中含铜量过高(>0.2%)时,在高温锻造时,极易在表面产生网状裂纹。这是由于铜较铁难以氧化，而且扩散过程很慢，因此，在氧化铁皮下形成一层富铜的金属层，当加热温度超过1100℃时，富铜的金属熔化并渗到钢的晶粒边界，使晶粒之间联系减弱，在热变形时金属表面便产生网状裂纹。
对轧辗钢和轴承钢，在锻造过程中应尽量避免产生严重的网状碳化物，尤其是轴承钢用来制作轴承圈时。因为轴承圈在工作时承受着点或线的高度集中的周期变化载荷,容易产生疲劳和磨损,所以要求有高的均匀的强度和硬度。这就必须使轴承钢的组织均匀，不应有网状碳化物，网状碳化物使强度、韧性、耐疲劳性和耐磨性降低，易使局部金属剥落，大大缩短使用寿命。我厂轴承钢的锻造工艺和热处理规范中都特别强调尽量避免网状碳化物超级。
网状碳化物是在锻造和冷却过程中形成的,所以，首先控制终锻温度，从实际结果看，终锻温度在900℃以上时没有网状碳化物析出，而大量析出的温度范围是800℃~750℃。我厂生产的轴承圈尺寸较大，若900℃以上终锻，一是终锻温度过高不利于成形，另外需要快冷，使操作不便，所以都严格控制在800℃-750℃终锻,并在这个温度下,使锻件整体上都有变形。按这样生产后，经试验，锻件网状碳化物均为2级，全部合格。其次，一旦出现网状碳化物超级，采用高温正火处理，也有效果，但不理想。
