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鍛造缺陷及分析

鍛造缺陷及分析

鍛造用的原材料為鑄錠、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)有時是不可避免的。再加上在鍛造過程中鍛造工藝的不當,最終導致鍛件中含有缺陷。以下簡單介紹一些鍛件中常見的缺陷。


1. 由于原材料的缺陷造成的鍛件缺陷通常有:


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)的皮下氣泡在軋制時一面沿變形方向伸長,一面暴露到表面上和向內(nèi)部深處發(fā)展。又如在軋制時,坯料的表面如被劃傷,冷卻時將造成應力集中,從而可能沿劃痕開裂等等。這種裂紋若在鍛造前不去掉,鍛造時便可能擴展引起鍛件裂紋。


折疊

折疊形成的原因是當金屬坯料在軋制過程中,由于軋輥上的型槽定徑不正確,或因型槽磨損面產(chǎn)生的毛刺在軋制時被卷入,形成和材料表面成一定傾角的折縫。對鋼材,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。


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鋼液飛濺而凝結(jié)在鋼錠表面,軋制時被壓成薄膜,貼附在軋材的表面,即為結(jié)疤。鍛后鍛件經(jīng)酸洗清理,薄膜將會剝落而成為鍛件表面缺陷。


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、軋過程中沿軋制方向被拉長,使鋼材呈片層狀。如果雜質(zhì)過多,鍛造就有分層破裂的危險。層狀斷口越嚴重,鋼的塑性、韌性越差,尤其是橫向力學性能很低,所以鋼材如具有明顯的層片狀缺陷是不合格的


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條線,多數(shù)貫穿整個斷口,大多數(shù)產(chǎn)生在軸心部分。


亮線主要是由于合金偏析造成的。輕微的亮線對力學性能影響不大,嚴重的亮線將明顯降低材料的塑性和韌性。


非金屬夾雜

非金屬夾雜物主要是熔煉或澆鑄的鋼水冷卻過程中由于成分之間或金屬與爐氣、容器之間的化學反應形成的。另外,在金屬熔煉和澆鑄時,由于耐火材料落入鋼液中,也能形成夾雜物,這種夾雜物統(tǒng)稱夾渣。在鍛件的橫斷面上,非金屬夾雜可以呈點狀、片狀、鏈狀或團塊狀分布。嚴重的夾雜物容易引起鍛件開裂或降低材料的使用性能。


碳化物偏析

碳化物偏析經(jīng)常在含碳高的合金鋼中出現(xiàn)。其特征是在局部區(qū)域有較多的碳化物聚集。它主要是鋼中的萊氏體共晶碳化物和二次網(wǎng)狀碳化物,在開坯和軋制時未被打碎和均勻分布造成的。碳化物偏析將降低鋼的鍛造變形性能,易引起鍛件開裂。鍛件熱處理淬火時容易局部過熱、過燒和淬裂。


鋁合金氧化膜

鋁合金氧化膜一般多位于模鍛件的腹板上和分模面附近。在低倍組織上呈微細的裂口,在高倍組織上呈渦紋狀,在斷口上的特征可分兩類:其一,呈平整的片狀,顏色從銀灰色、淺黃色直至褐色、暗褐色;其二,呈細小密集而帶閃光的點狀物。


鋁合金氧化膜是熔鑄過程中敞露的熔體液面與大氣中的水蒸氣或其它金屬氧化物相互作用時所形成的氧化膜在轉(zhuǎn)鑄過程中被卷人液體金屬的內(nèi)部形成的。


鍛件和模鍛件中的氧化膜對縱向力學性能無明顯影響,但對高度方向力學性能影響較大,它降低了高度方向強度性能,特別是高度方向的伸長率、沖擊韌度和高度方向抗腐蝕性能。


白點

白點的主要特征是在鋼坯的縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點,在橫向斷口上呈細小的裂紋。白點的大小不一,長度由1~20mm或更長。白點在鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等合金鋼中常見,普通碳鋼中也有發(fā)現(xiàn),是隱藏在內(nèi)部的缺陷。白點是在氫和相變時的組織應力以及熱應力的共同作用下產(chǎn)生的,當鋼中含氫量較多和熱壓力加工后冷卻(或鍛后熱處理)太快時較易產(chǎn)生。


用帶有白點的鋼鍛造出來的鍛件,在熱處理時(淬火)易發(fā)生龜裂,有時甚至成塊掉下。白點降低鋼的塑性和零件的強度,是應力集中點,它像尖銳的切刀一樣,在交變載荷的作用下,很容易變成疲勞裂紋而導致疲勞破壞。所以鍛造原材料中絕對不允許有白點。


粗晶環(huán)

粗晶環(huán)常常是鋁合金或鎂合金擠壓棒材上存在的缺陷。


經(jīng)熱處理后供應的鋁、鎂合金的擠壓棒材,在其圓斷面的外層常常有粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的厚度,由擠壓時的始端到末端是逐漸增加的。若擠壓時的潤滑條件良好,則在熱處理后可以減小或避免粗晶環(huán)。反之,環(huán)的厚度會增加。


粗晶環(huán)的產(chǎn)生原因與很多因素有關(guān)。但主要因素是由于擠壓過程中金屬與擠壓筒之間產(chǎn)生的摩擦。這種摩擦致使擠出來的棒材橫斷面的外表層晶粒要比棒材中心處晶粒的破碎程度大得多。但是由于筒壁的影響,此區(qū)溫度低,擠壓時未能完全再結(jié)晶,淬火加熱時未再結(jié)晶的晶粒再結(jié)晶并長大吞并已經(jīng)再結(jié)晶的晶粒,于是在表層形成了粗晶環(huán)。


有粗晶環(huán)的坯料鍛造時容易開裂,如粗晶環(huán)保留在鍛件表層,則將降低零件的性能。


縮管殘余

縮管殘余一般是由于鋼錠冒口部分產(chǎn)生的集中縮孔未切除干凈,開坯和軋制時殘留在鋼材內(nèi)部而產(chǎn)生的。


縮管殘余附近區(qū)域一般會出現(xiàn)密集的夾雜物、疏松或偏析。在橫向低倍中呈不規(guī)則的皺折的縫隙。鍛造時或熱處理時易引起鍛件開裂。


2. 備料不當產(chǎn)生的缺陷及其對鍛件的影響


備料不當產(chǎn)生的缺陷有以下幾種。


切斜

切斜是在鋸床或沖床上下料時,由于未將棒料壓緊,致使坯料端面相對于縱軸線的傾斜量超過了規(guī)定的許可值。嚴重的切斜,可能在鍛造過程中形成折疊。


坯料端部彎曲并帶毛刺

在剪斷機或沖床上下料時,由于剪刀片或切斷模刃口之間的間隙過大或由于刃口不銳利,使坯料在被切斷之前已有彎曲,結(jié)果部分金屬被擠人刀片或模具的間隙中,形成端部下垂毛刺。

有毛刺的坯料,加熱時易引起局部過熱、過燒,鍛造時易產(chǎn)生折疊和開裂。


坯料端面凹陷

在剪床上下料時,由于剪刀片之間的間隙太小,金屬斷面上、下裂紋不重合,產(chǎn)生二次剪切,結(jié)果部分端部金屬被拉掉,端面成凹陷狀。這樣的坯料鍛造時易產(chǎn)生折疊和開裂。


端部裂紋

在冷態(tài)剪切大斷面合金鋼和高碳鋼棒料時,常常在剪切后3~4h發(fā)現(xiàn)端部出現(xiàn)裂紋。主要是由于刀片的單位壓力太大,使圓形斷面的坯料壓扁成橢圓形,這時材料中產(chǎn)生了很大的內(nèi)應力。而壓扁的端面力求恢復原來的形狀,在內(nèi)應力的作用下則常在切料后的幾小時內(nèi)出現(xiàn)裂紋。材料硬度過高、硬度不均和材料偏析較嚴重時也易產(chǎn)生剪切裂紋。


有端部裂紋的坯料,鍛造時裂紋將進一步擴展。


氣割裂紋

氣割裂紋一般位于坯料端部,是由于氣割前原材料沒有預熱,氣割時產(chǎn)生組織應力和熱應力引起的。


有氣割裂紋的坯料,鍛造時裂紋將進一步擴展。因此鍛前應予以預先清除。


凸芯開裂

車床下料時,在棒料端面的中心部位往往留有凸芯。鍛造過程中,由于凸芯的斷面很小,冷卻很快,因而其塑性較低,但坯料基體部分斷面大,冷卻慢,塑性高。因此,在斷面突變交接處成為應力集中的部位,加之兩部分塑性差異較大,故在錘擊力的作用下,凸芯的周圍容易造成開裂。


3. 加熱工藝不當常產(chǎn)生的缺陷


加熱不當所產(chǎn)生的缺陷可分為:

(1)介質(zhì)影響使坯料外層組織化學狀態(tài)變化而引起的缺陷,如氧化、脫碳、增碳和滲硫、滲銅等;

(2)由內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的異常變化引起的缺陷,如過熱、過燒和未熱透等;

(3)由于溫度在坯料內(nèi)部分布不均,引起內(nèi)應力(如溫度應力、組織應力)過大而產(chǎn)生的坯料開裂等。


下面介紹其中幾種常見的缺陷。


脫碳

脫碳是指金屬在高溫下表層的碳被氧化,使得表層的含碳量較內(nèi)部有明顯降低的現(xiàn)象。


脫碳層的深度與鋼的成分、爐氣的成分、溫度和在此溫度下的保溫時間有關(guān)。采用氧化性氣氛加熱易發(fā)生脫碳,高碳鋼易脫碳,含硅量多的鋼也易脫碳。


脫碳使零件的強度和疲勞性能下降,磨損抗力減弱。


增碳

經(jīng)油爐加熱的鍛件,常常在表面或部分表面發(fā)生增碳現(xiàn)象。有時增碳層厚度達1.5~1.6mm,增碳層的含碳量達1%(質(zhì)量分數(shù))左右,局部點含碳量甚至超過2%(質(zhì)量分數(shù)),出現(xiàn)萊氏體組織。


這主要是在油爐加熱的情況下,當坯料的位置靠近油爐噴嘴或者就在兩個噴嘴交叉噴射燃油的區(qū)域內(nèi)時,由于油和空氣混合得不太好,因而燃燒不完全,結(jié)果在坯料的表面形成還原性的滲碳氣氛,從而產(chǎn)生表面增碳的效果。

增碳使鍛件的機械加工性能變壞,切削時易打刀。


過熱

過熱是指金屬坯料的加熱溫度過高,或在規(guī)定的鍛造與熱處理溫度范圍內(nèi)停留時間太長,或由于熱效應使溫升過高而引起的晶粒粗大現(xiàn)象。


碳鋼(亞共析或過共析鋼)過熱之后往往出現(xiàn)魏氏組織。馬氏體鋼過熱之后,往往出現(xiàn)晶內(nèi)織構(gòu),工模具鋼往往以一次碳化物角狀化為特征判定過熱組織。鈦合金過熱后,出現(xiàn)明顯的β相晶界和平直細長的魏氏組織。合金鋼過熱后的斷口會出現(xiàn)石狀斷口或條狀斷口。過熱組織,由于晶粒粗大,將引起力學性能降低,尤其是沖擊韌度。


一般過熱的結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過正常熱處理(正火、淬火)之后,組織可以改善,性能也隨之恢復,這種過熱常被稱之為不穩(wěn)定過熱;而合金結(jié)構(gòu)鋼的嚴重過熱經(jīng)一般的正火(包括高溫正火)、退火或淬火處理后,過熱組織不能完全消除,這種過熱常被稱之為穩(wěn)定過熱。


過燒

過燒是指金屬坯料的加熱溫度過高或在高溫加熱區(qū)停留時間過長,爐中的氧及其它氧化性氣體滲透到金屬晶粒間的空隙,并與鐵、硫、碳等氧化,形成了易熔的氧化物的共晶體,破壞了晶粒間的聯(lián)系,使材料的塑性急劇降低。過燒嚴重的金屬,撤粗時輕輕一擊就裂,拔長時將在過燒處出現(xiàn)橫向裂紋。


過燒與過熱沒有嚴格的溫度界線。一般以晶粒出現(xiàn)氧化及熔化為特征來判斷過燒。對碳鋼來說,過燒時晶界熔化、嚴重氧化工模具鋼(高速鋼、Cr12型鋼等)過燒時,晶界因熔化而出現(xiàn)魚骨狀萊氏體。鋁合金過燒時出現(xiàn)晶界熔化三角區(qū)和復熔球等。鍛件過燒后,往往無法挽救,只好報廢。


加熱裂紋

在加熱截面尺寸大的大鋼錠和導熱性差的高合金鋼和高溫合金坯料時,如果低溫階段加熱速度過快,則坯料因內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生很大的熱應力。加之此時坯料由于溫度低而塑性較差,若熱應力的數(shù)值超過坯料的強度極限,就會產(chǎn)生由中心向四周呈輻射狀的加熱裂紋,使整個斷面裂開。


銅脆

銅脆在鍛件表面上呈龜裂狀。高倍觀察時,有淡黃色的銅(或銅的固溶體)沿晶界分布。


坯料加熱時,如爐內(nèi)殘存氧化銅屑,在高溫下氧化鋼還原為自由銅,熔融的鋼原子沿奧氏體晶界擴展,削弱了晶粒間的聯(lián)系。另外,鋼中含銅量較高[>2%(質(zhì)量分數(shù))]時,如在氧化性氣氛中加熱,在氧化鐵皮下形成富銅層,也引起鋼脆。


4. 鍛造工藝不當常產(chǎn)生的缺陷


鍛造工藝不當產(chǎn)生的缺陷通常有以下幾種


大晶粒

大晶粒通常是由于始鍛溫度過高和變形程度不足、或終鍛溫度過高、或變形程度落人臨界變形區(qū)引起的。鋁合金變形程度過大,形成織構(gòu);高溫合金變形溫度過低,形成混合變形組織時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。


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,或淬火加熱時局部晶粒粗大。耐熱鋼及高溫合金對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。


冷硬現(xiàn)象

鍛造變形時由于溫度偏低或變形速度太快,以及鍛后冷卻過快,均可能使再結(jié)晶引起的軟化跟不上變形引起的強化(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度和硬度,但降低了塑性和韌性。嚴重的冷硬現(xiàn)象可能引起鍛裂。


裂紋

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