大型鍛件中常見缺陷與對策[1]

1、大型鍛件中常見的缺陷與對策大型鍛件中常見的缺陷與對策大型鍛件中的缺陷，從性質(zhì)上分為化學(xué)成分、組織性能不合格，第二相析出，類孔隙性缺陷和裂紋五大類。從缺陷的產(chǎn)生方面可分為，在冶煉、出鋼、注錠、脫模冷卻或熱送過程中產(chǎn)生的原材料缺陷及在加熱、鍛壓、鍛后冷卻和熱處理過程中產(chǎn)生的鍛件缺陷兩大類。大型鍛造中，由于鍛件截面尺寸大，加熱、冷卻時，溫度的變化和分布不均勻性大，鍛壓變形時，金屬塑性流動差別大，加上鋼錠大冶金缺陷多，因而容易形成一些不同于中小型鍛造的缺陷。如嚴(yán)重偏析和疏松，密集性夾雜物，發(fā)達(dá)的柱狀晶及粗大不均勻結(jié)晶，敏感開裂與白點(diǎn)傾向，晶粒遺傳性與回火脆性，組織性能的嚴(yán)重不均勻性，形狀尺寸超差等等。

2、大型鍛件中常見的主要缺陷有；1.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程中帶動富集雜質(zhì)的鋼液上升的條狀軌跡，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

3、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)。圖片6-1為我國解剖的55t34CrMolA鋼錠縱剖面硫印低倍圖片及區(qū)域偏析示意圖。                                 

4、                     圖片6-1 鋼錠區(qū)域偏析硫印示意圖                           

5、   “”型偏析帶“”型偏析帶負(fù)偏析區(qū) 防止區(qū)域偏析的對策是：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)與錠型輪廓相對應(yīng)的框形特征，亦稱框形偏析。圖片6-2是30CrMnSiNiA鋼制模鍛件低倍試片上顯示的錠型偏析。因錠中偏析帶在變形時，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，對鍛件組織性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

6、生產(chǎn)重要大鍛件鋼坯的方法，但是如果在重熔過程中電流、電壓不穩(wěn)定，則會形成波紋狀偏析。當(dāng)電流、電壓增高時，鋼液過熱，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，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，如圖片6-3所示。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。圖片6-4為分布于整個橫向截面上的點(diǎn)狀偏析圖片6-2 30CrMnSiNiA鋼模鍛件模向低倍試片上顯示的區(qū)域偏析1:1鹽酸水溶液熱蝕           

7、;                           圖片6-3 30CrMnSiNiA電渣重熔鋼鍛坯上的波紋狀偏析1:1鹽酸水溶液熱蝕                 

8、;                           圖片6-4 45鋼鍛件模向低倍試片上的點(diǎn)狀偏析1:1鹽酸水溶液熱蝕 （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，一般通過高溫擴(kuò)散加熱

9、，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。2.夾雜物與有害微量元素夾雜物按其來源可分為內(nèi)生夾雜與外來夾雜兩種。常見的內(nèi)生夾雜物主要有硫化物、硅酸鹽、氧化物等。它們在鋼中的數(shù)量和組成與鋼的成分、冶煉質(zhì)量、澆注過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鹽組元，當(dāng)鋼錠經(jīng)鍛壓變形時，沿主變形方向延伸，呈條帶狀。圖片6-5示出34CrNi3Mo轉(zhuǎn)子鋼中拉長的MnS夾雜形狀。而氧化物及塑性較差的硅酸鹽夾雜，在鍛壓變形時被破碎成小顆粒，呈鏈球

10、狀分布。圖片6-6為沿變形方向分布的鏈狀氧化物夾雜。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，對鍛件使用有極不良的影響，容易引發(fā)嚴(yán)重的失效事故                                 &#

11、160;                   圖片6-5 變形后的MnS夾雜形態(tài)SEM 500×      圖片6-6 被變形破碎的氧化物夾雜LM未浸蝕 500× 外來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。通常外來夾雜較粗大，嚴(yán)重分布將破壞鋼的連續(xù)性而報廢。隨著高參數(shù)，大型化機(jī)器設(shè)備的發(fā)展，對大鍛件的質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的要求

12、，為此對鋼中鉛、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策是：1）鋼液真空處理，爐外精煉，控制鋼液質(zhì)量；2）清潔澆注，防止外來夾雜污染與異金屬進(jìn)人；3）合理鍛造變形，改善夾雜分布。3.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。圖片6-7所示為9Cr2Mo鋼制冷軋輥，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。圖片6-7 鍛件中縮

13、孔殘余橫向試片上的宏觀形貌 防止該類缺陷的對策是：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。4.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)冶煉時脫氧不良，沸騰排氣不充分，則鋼液中氣體含量過多，凝固過程中，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、涂料中含有水分或揮發(fā)性物質(zhì)，在注人高溫鋼水時產(chǎn)生氣體向鋼錠表層滲透，形成皮下氣泡。氣泡經(jīng)過鍛壓變形會壓扁或擴(kuò)展成裂紋。防止氣泡的對

14、策是：1）充分烘烤爐料與澆注系統(tǒng)；2）冶煉時充分脫氣，并采用保護(hù)澆注工藝；3）高溫擴(kuò)散、鍛壓焊合孔洞缺陷；4）及時燒剝表面裂紋。5.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，常易產(chǎn)生鍛造裂紋。下面介紹幾個由于材質(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，該裂紋在鍛造時進(jìn)一步擴(kuò)展而成主軸鍛件中已裂紋。該缺陷可通過下列措施予以消除：提高冶煉鋼水純凈度；鑄錠緩慢冷卻，減少熱

15、應(yīng)力；采用良好的發(fā)熱劑與保溫帽，增大補(bǔ)縮能力；采用中心壓實(shí)鍛造工藝。圖片6-8 軸心晶間裂紋引起的鍛造開裂 （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，輕微鍛擊就會開裂。鋼中含銅在11001200溫度下的過氧化性氣氛中加熱時，由于選擇性氧化，表層會形成富銅區(qū)，當(dāng)超過銅在奧氏體中溶解度時，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、銻還會嚴(yán)重降低銅在奧氏體中的溶解度，加劇這種脆化傾向。圖片6-9為16Mn鋼鍛件網(wǎng)狀裂

16、紋，因含銅量過高，鍛造加熱時，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)展而形成圖片6-9 16Mn鋼鍛造網(wǎng)狀裂紋LM4%稀硫酸水溶液浸蝕 （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，因而在變形流動時會引起附加應(yīng)力導(dǎo)致整體工藝塑性下降，一旦局部應(yīng)力超過異相與基體間結(jié)合力時，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，高溫鍛壓就會開裂。圖片6-10是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

17、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)圖片6-10 AlN引起的鍛造開裂 防止因氮化鋁沿晶析出引起鍛造開裂的對策是：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；2）采用熱送鋼錠，過冷相變處理工藝；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。6.過熱、過燒與溫度不均加熱溫度過高或高溫停留時間過長時易引起過熱、過燒。過熱使材料的塑性與沖擊韌性顯著降低。過燒時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、沿長度溫差過大，在鍛造時引起不均變形，偏心鍛造等缺

18、陷，亦稱欠熱。圖片6-11是5tPCrNi3Mo鋼鍛坯過熱組織，因加熱溫度太高引起的過熱特征。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，晶界呈黑色，基體灰白色，顯示為過熱特征。圖片6-12所示為軸承鋼GCr15SiMn鍛件過燒引起的裂紋，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，鍛坯過燒報廢圖片6-11 PCrNi3Mo鋼鍛件過熱組織 100×圖片6-12 GCr15SiMn鋼鍛件過燒組織 100× 防止加熱缺陷的對策是：l）嚴(yán)格執(zhí)行正確的加熱規(guī)范；2）

19、注意裝爐方式，防止局部加熱；3）調(diào)準(zhǔn)測溫儀表，精心加熱操作，控制爐溫、爐氣流動，防止不均勻加熱。7.白點(diǎn)白點(diǎn)是鍛件在鍛后冷卻過程中產(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)。照片6-13為CrNiMo鋼鍛件縱向斷口上的白點(diǎn)。其形狀不規(guī)則，大小懸殊，最小長軸尺寸僅2mm，最大的為24mm。圖片6-13 宏觀斷口上的白點(diǎn)形貌 白點(diǎn)實(shí)質(zhì)是一種脆性銳邊裂紋，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)的對策主要是：1）降低鋼中氫含量

20、，如注意烘烤爐料，冶煉時充分沸騰，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)氫退火熱處理等。詳見鍛造過程中常見的缺陷中的鍛后清理工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷。8.組織性能不均勻大型鍛件因其尺寸大，工序多，周期長，工藝過程中不均勻，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)，金相組織檢查和無損探傷時不能通過。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；加熱時溫度變化緩慢，分布不均，內(nèi)應(yīng)力大，缺陷較多；高溫長時間鍛造，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；冷卻時擴(kuò)散過程緩慢，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）采用控制鍛造，控制冷