大型鍛件鍛造中常見缺陷的防止方法
2021-03-19 16:11
admin
鍛件質量與原材料質量(對大型鍛件來說即鋼錠質量)，鍛造工藝及熱處理工藝有著密切關系。
一般情況下大型鍛件中存在內部組織偏析、夾雜、白點、粗晶、表裂、折疊、內裂、龜裂、鋼錠沿橫斷面裂或者組織不合等缺陷造成一些鍛件報廢。
非金屬夾雜物的比例最大。主要是原材料帶來的硫化物、硅酸鹽及其他氧化物,即在冶煉澆注過程中化學反應形成的夾雜物及在金屬熔煉和澆注時耐火材料或砂子等外來夾雜物落入鋼液中。鋼錠中非金屬夾雜物的含量、分布與冶煉鋼錠有關，鍛造只能使其分散，即分布趨于均勻細小，而不能減少其數量。
（1）非金屬夾雜物除了使鍛件性能降低之外，也會引起鍛件裂紋。如35CrMo(5t)在鍛造中間工序產生裂紋，這在很大程度上是由于在晶界上分布低熔點夾雜(如硫化物等)過多，鍛造時引起熱脆現象，致使斷裂而降低了鋼錠的鍛造性能。
（2）在夾雜的含量、種類、大小、分布狀況諸因素中以夾雜的大小和分布對鍛件性能影響最大。從鍛件斷裂處分析多呈鏈狀或團狀存在。
（3）夾雜物在鋼錠中的分布是不均勻的,危害最大的是分布在鋼錠底部的負偏析區，在錠身和冒口的交界處。
根據以上分析，減少夾雜物的根本途徑是在冶煉澆注過程中盡量減少夾雜物的來源，對鋼液中已形成的夾雜應盡量使其浮到冒了吧口區。在鍛造過程中雖不能消除鋼中夾雜，但可利用合理的鍛造工藝使粗大的夾雜減少，使密集的夾雜分散，即減少其危害。具體做法是：
①加熱：鋼錠加熱時，對重要零件進行高溫擴散退火，實際上是有效的(夾雜多伴隨著偏析)；
②變形過程中采用滿砧送料，大壓下量鍛造，使有利于鋼錠中心夾雜產生變形而后空隙焊合，可能時作“寬砧”鍛造；
③造成有利于鍛合缺陷的壓應力狀態：
④根據零件的受力情況及纖維分布要求，采用相應的鍛造工藝，譬如同時要求軸向和切向性能時，需要鐓粗-拔長工序；
⑤水口端、冒口端要有足夠的切除量；
⑥敏粗量：盡量使鐓粗比增大；
⑦選擇適當的鍛造比。
粗晶在斷口上肉眼就能看到粗大晶粒，遍及全部斷口。金屬材料的晶粒大小不是一成不變的，由于經受的工藝過程不同，晶粒大小與形狀可在很大范圍內變化，因此，對材料力學性能帶來很大影響。一般情況下，隨著品粒細化，可以提高鋼的屈服強度、疲勞強度，同時鋼具有很高的塑性和沖擊韌性，特別是塑性。在發現粗晶的鍛件中從材料實驗的結果看，強度指標下降不多,而塑性指標明顯下降，尤其是沖擊韌性。
對熱加工過程來說,變形溫度、保溫時間和變形程度是影響晶核生成速度和長大速度的基本參數。在加熱條件下,原子的活動能力增加,隨著加熱溫度升高，原子的擴散能力就不斷增加,晶粒長大的趨勢加劇，細晶粒極易變為粗晶粒，即加熱溫度愈高，粗晶愈嚴重；高溫保溫時間愈長，粗晶現象愈容易出現，并較嚴重，但沒有加熱溫度影響大;粗晶可以熱變形消除，原始加熱溫度愈高，所需變形程度愈大，一旦發現粗晶，對于有相變的鋼可以用相應的熱處理予以改善。
而對粗晶可以采取以下措施：
（1）關于鍛造前加熱溫度和保溫時間：嚴格控制在平衡圖固相線 AE 以下150℃~250℃。由于鋼錠凝固時，得到的原始晶粒組織比較穩定，過熱傾向少，其始鍛溫度比同種鋼還及鋼材高 20℃~50℃。保溫時間不宜過長，要根據錠型決定，不應超過最大溫度時間。
（2）鍛造變形可以打碎粗大的奧氏體晶粒，細化組織，消除粗晶，因此，鍛造時大的變形量是消除粗晶的有效措施。在生產中應注意的幾個問題：
①鍛造過程中應盡量避免出現鍛件上只有加熱[而不變形的部分(這種現象比較常見)。
②在決定最后一次的加熱溫度時，要根據剩余變形量(剩余鍛比)大小決定，以免由于終鍛溫度過高，引起晶粒長大；或者變形程度過小，鍛造變形力過小傳遞不到鍛件中心。一般認為:鍛比 在 1.3-1.5時最高加熱溫度 1150℃-1120℃；鍛比在 1.1-1.3時最高加熱溫度1050℃~1000℃；鍛比在≤1.1時最高加熱溫度1000℃-950℃。
③在鍛造變形時，避免小壓下量變形工藝。
（3）鍛件檢驗中，發現粗晶時，由于已經達到要求的尺寸和要求外形，可采用熱處理方法消除。對探傷發現粗晶的鍛件進行再次正火處理晶粒度都可有明顯的改善。采用高溫正火或正常正火溫度下進行一次或次熱處理。
白點是由于鋼中的氫氣和組織應力共同作用下產生的。產生白點缺陷的鍛件材質主要是合金結構鋼，從發現白點的情況看是偶然的，情況比較復雜，雖然數量不多，也值得對鍛后冷卻工藝進行分析。但是，如何在保證鍛件不產生白點的前提下，盡量縮短擴氫時間是亟待解決的問題。要防止白點就應設法除氫和消除組織應力。除氫的根本措施是從冶煉工藝開始,如冶煉過程中氫含量超過 2ppm,就要在鍛后制定去氫的冷卻規范，決不允許鍛后直接冷卻到室溫。
綜上所見，出現白點的原因有;
①過冷溫度控制不當，因為產生白點多在150℃~300℃之間；
②熱處理工藝是針對一般的含氫量制定的,而有些鋼在冶煉過程中含氫量就較高，致使原熱處理工藝不能滿足去氫的需要；
③不應過分強調縮短熱處理周期，而縮短回火保溫時間,從統計資料看,白點多發生在鍛件的中心部位，原因是去氫時間不足。
為有效防止白點，對熱處理工藝作如下改進：
（1）適當延長過冷溫度保溫時間,氫在該溫度擴散速度最大，效果最好，原則是3h/100mm。
（2）等溫保溫時間在過冷的基礎上可以縮短，一般取 5h-6h/100mm。因為從實踐和資料上看,在這一階段擴散出的氫并不多，主要目的是消除由于過冷而產生的組織應力。
裂紋是短粗的裂口，不規則的密布于表面,裂紋內有氧化現象，兩側脫碳嚴重，晶粒也很粗大。
（1）因過燒產生的裂紋：過燒是在晶粒邊界出現熔化。一般在氧化氣氛中加熱的鋼由于高溫狀態氧化更劇烈，以及氧化過程中的放熱，使鋼錠表面溫度比爐溫高,從而產生過燒。生產中曾偶爾發生,但如果在加熱過程中使爐內溫度盡量均勻，特別是不使火焰直接噴向鋼錠表面，是完全可以避免的。現行的措施是：
①注意裝爐位置合理；
②改造加熱爐體機構，改變燒嘴高低位置，噴出火焰分散。
（2）因銅脆產生的裂紋：如鋼中含銅量過高(>0.2%)時,在高溫鍛造時,極易在表面產生網狀裂紋。這是由于銅較鐵難以氧化，而且擴散過程很慢，因此，在氧化鐵皮下形成一層富銅的金屬層，當加熱溫度超過1100℃時，富銅的金屬熔化并滲到鋼的晶粒邊界，使晶粒之間聯系減弱，在熱變形時金屬表面便產生網狀裂紋。
對軋輾鋼和軸承鋼，在鍛造過程中應盡量避免產生嚴重的網狀碳化物，尤其是軸承鋼用來制作軸承圈時。因為軸承圈在工作時承受著點或線的高度集中的周期變化載荷,容易產生疲勞和磨損,所以要求有高的均勻的強度和硬度。這就必須使軸承鋼的組織均勻，不應有網狀碳化物，網狀碳化物使強度、韌性、耐疲勞性和耐磨性降低，易使局部金屬剝落，大大縮短使用壽命。我廠軸承鋼的鍛造工藝和熱處理規范中都特別強調盡量避免網狀碳化物超級。
網狀碳化物是在鍛造和冷卻過程中形成的,所以，首先控制終鍛溫度，從實際結果看，終鍛溫度在900℃以上時沒有網狀碳化物析出，而大量析出的溫度范圍是800℃~750℃。我廠生產的軸承圈尺寸較大，若900℃以上終鍛，一是終鍛溫度過高不利于成形，另外需要快冷，使操作不便，所以都嚴格控制在800℃-750℃終鍛,并在這個溫度下,使鍛件整體上都有變形。按這樣生產后，經試驗，鍛件網狀碳化物均為2級，全部合格。其次，一旦出現網狀碳化物超級，采用高溫正火處理，也有效果，但不理想。
一般情況下大型鍛件中存在內部組織偏析、夾雜、白點、粗晶、表裂、折疊、內裂、龜裂、鋼錠沿橫斷面裂或者組織不合等缺陷造成一些鍛件報廢。
非金屬夾雜物的比例最大。主要是原材料帶來的硫化物、硅酸鹽及其他氧化物,即在冶煉澆注過程中化學反應形成的夾雜物及在金屬熔煉和澆注時耐火材料或砂子等外來夾雜物落入鋼液中。鋼錠中非金屬夾雜物的含量、分布與冶煉鋼錠有關，鍛造只能使其分散，即分布趨于均勻細小，而不能減少其數量。
（1）非金屬夾雜物除了使鍛件性能降低之外，也會引起鍛件裂紋。如35CrMo(5t)在鍛造中間工序產生裂紋，這在很大程度上是由于在晶界上分布低熔點夾雜(如硫化物等)過多，鍛造時引起熱脆現象，致使斷裂而降低了鋼錠的鍛造性能。
（2）在夾雜的含量、種類、大小、分布狀況諸因素中以夾雜的大小和分布對鍛件性能影響最大。從鍛件斷裂處分析多呈鏈狀或團狀存在。
（3）夾雜物在鋼錠中的分布是不均勻的,危害最大的是分布在鋼錠底部的負偏析區，在錠身和冒口的交界處。
根據以上分析，減少夾雜物的根本途徑是在冶煉澆注過程中盡量減少夾雜物的來源，對鋼液中已形成的夾雜應盡量使其浮到冒了吧口區。在鍛造過程中雖不能消除鋼中夾雜，但可利用合理的鍛造工藝使粗大的夾雜減少，使密集的夾雜分散，即減少其危害。具體做法是：
①加熱：鋼錠加熱時，對重要零件進行高溫擴散退火，實際上是有效的(夾雜多伴隨著偏析)；
②變形過程中采用滿砧送料，大壓下量鍛造，使有利于鋼錠中心夾雜產生變形而后空隙焊合，可能時作“寬砧”鍛造；
③造成有利于鍛合缺陷的壓應力狀態：
④根據零件的受力情況及纖維分布要求，采用相應的鍛造工藝，譬如同時要求軸向和切向性能時，需要鐓粗-拔長工序；
⑤水口端、冒口端要有足夠的切除量；
⑥敏粗量：盡量使鐓粗比增大；
⑦選擇適當的鍛造比。
對熱加工過程來說,變形溫度、保溫時間和變形程度是影響晶核生成速度和長大速度的基本參數。在加熱條件下,原子的活動能力增加,隨著加熱溫度升高，原子的擴散能力就不斷增加,晶粒長大的趨勢加劇，細晶粒極易變為粗晶粒，即加熱溫度愈高，粗晶愈嚴重；高溫保溫時間愈長，粗晶現象愈容易出現，并較嚴重，但沒有加熱溫度影響大;粗晶可以熱變形消除，原始加熱溫度愈高，所需變形程度愈大，一旦發現粗晶，對于有相變的鋼可以用相應的熱處理予以改善。
而對粗晶可以采取以下措施：
（1）關于鍛造前加熱溫度和保溫時間：嚴格控制在平衡圖固相線 AE 以下150℃~250℃。由于鋼錠凝固時，得到的原始晶粒組織比較穩定，過熱傾向少，其始鍛溫度比同種鋼還及鋼材高 20℃~50℃。保溫時間不宜過長，要根據錠型決定，不應超過最大溫度時間。
（2）鍛造變形可以打碎粗大的奧氏體晶粒，細化組織，消除粗晶，因此，鍛造時大的變形量是消除粗晶的有效措施。在生產中應注意的幾個問題：
①鍛造過程中應盡量避免出現鍛件上只有加熱[而不變形的部分(這種現象比較常見)。
②在決定最后一次的加熱溫度時，要根據剩余變形量(剩余鍛比)大小決定，以免由于終鍛溫度過高，引起晶粒長大；或者變形程度過小，鍛造變形力過小傳遞不到鍛件中心。一般認為:鍛比 在 1.3-1.5時最高加熱溫度 1150℃-1120℃；鍛比在 1.1-1.3時最高加熱溫度1050℃~1000℃；鍛比在≤1.1時最高加熱溫度1000℃-950℃。
③在鍛造變形時，避免小壓下量變形工藝。
（3）鍛件檢驗中，發現粗晶時，由于已經達到要求的尺寸和要求外形，可采用熱處理方法消除。對探傷發現粗晶的鍛件進行再次正火處理晶粒度都可有明顯的改善。采用高溫正火或正常正火溫度下進行一次或次熱處理。
白點是由于鋼中的氫氣和組織應力共同作用下產生的。產生白點缺陷的鍛件材質主要是合金結構鋼，從發現白點的情況看是偶然的，情況比較復雜，雖然數量不多，也值得對鍛后冷卻工藝進行分析。但是，如何在保證鍛件不產生白點的前提下，盡量縮短擴氫時間是亟待解決的問題。要防止白點就應設法除氫和消除組織應力。除氫的根本措施是從冶煉工藝開始,如冶煉過程中氫含量超過 2ppm,就要在鍛后制定去氫的冷卻規范，決不允許鍛后直接冷卻到室溫。
綜上所見，出現白點的原因有;
①過冷溫度控制不當，因為產生白點多在150℃~300℃之間；
②熱處理工藝是針對一般的含氫量制定的,而有些鋼在冶煉過程中含氫量就較高，致使原熱處理工藝不能滿足去氫的需要；
③不應過分強調縮短熱處理周期，而縮短回火保溫時間,從統計資料看,白點多發生在鍛件的中心部位，原因是去氫時間不足。
為有效防止白點，對熱處理工藝作如下改進：
（1）適當延長過冷溫度保溫時間,氫在該溫度擴散速度最大，效果最好，原則是3h/100mm。
（2）等溫保溫時間在過冷的基礎上可以縮短，一般取 5h-6h/100mm。因為從實踐和資料上看,在這一階段擴散出的氫并不多，主要目的是消除由于過冷而產生的組織應力。
裂紋是短粗的裂口，不規則的密布于表面,裂紋內有氧化現象，兩側脫碳嚴重，晶粒也很粗大。
①注意裝爐位置合理；
②改造加熱爐體機構，改變燒嘴高低位置，噴出火焰分散。
（2）因銅脆產生的裂紋：如鋼中含銅量過高(>0.2%)時,在高溫鍛造時,極易在表面產生網狀裂紋。這是由于銅較鐵難以氧化，而且擴散過程很慢，因此，在氧化鐵皮下形成一層富銅的金屬層，當加熱溫度超過1100℃時，富銅的金屬熔化并滲到鋼的晶粒邊界，使晶粒之間聯系減弱，在熱變形時金屬表面便產生網狀裂紋。
對軋輾鋼和軸承鋼，在鍛造過程中應盡量避免產生嚴重的網狀碳化物，尤其是軸承鋼用來制作軸承圈時。因為軸承圈在工作時承受著點或線的高度集中的周期變化載荷,容易產生疲勞和磨損,所以要求有高的均勻的強度和硬度。這就必須使軸承鋼的組織均勻，不應有網狀碳化物，網狀碳化物使強度、韌性、耐疲勞性和耐磨性降低，易使局部金屬剝落，大大縮短使用壽命。我廠軸承鋼的鍛造工藝和熱處理規范中都特別強調盡量避免網狀碳化物超級。
網狀碳化物是在鍛造和冷卻過程中形成的,所以，首先控制終鍛溫度，從實際結果看，終鍛溫度在900℃以上時沒有網狀碳化物析出，而大量析出的溫度范圍是800℃~750℃。我廠生產的軸承圈尺寸較大，若900℃以上終鍛，一是終鍛溫度過高不利于成形，另外需要快冷，使操作不便，所以都嚴格控制在800℃-750℃終鍛,并在這個溫度下,使鍛件整體上都有變形。按這樣生產后，經試驗，鍛件網狀碳化物均為2級，全部合格。其次，一旦出現網狀碳化物超級，采用高溫正火處理，也有效果，但不理想。
