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(zhì)量與原材料質(zhì)量(對大型鍛件來說即鋼錠質(zhì)量)，鍛造工藝及熱處理工藝有著密切關(guān)系。
一般情況下大型鍛件中存在內(nèi)部組織偏析、夾雜、白點(diǎn)、粗晶、表裂、折疊、內(nèi)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(bào)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(xué)反應(yīng)形成的夾雜物及在金屬熔煉和澆注時(shí)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(guān)，鍛造只能使其分散，即分布趨于均勻細(xì)小，而不能減少其數(shù)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(chǎn)生裂紋，這在很大程度上是由于在晶界上分布低熔點(diǎn)夾雜(如硫化物等)過多，鍛造時(shí)引起熱脆現(xiàn)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(tuán)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(fù)偏析區(qū)，在錠身和冒口的交界處。
根據(jù)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(yīng)盡量使其浮到冒了吧口區(qū)。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(shí)，對重要零件進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火，實(shí)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(chǎn)生變形而后空隙焊合，可能時(shí)作“寬砧”鍛造；
③造成有利于鍛合缺陷的壓應(yīng)力狀態(tài)：
④根據(jù)零件的受力情況及纖維分布要求，采用相應(yīng)的鍛造工藝，譬如同時(shí)要求軸向和切向性能時(shí)，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(dāng)?shù)腻懺毂取?/span>
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(jīng)受的工藝過程不同，晶粒大小與形狀可在很大范圍內(nèi)變化，因此，對材料力學(xué)性能帶來很大影響。一般情況下，隨著品粒細(xì)化，可以提高鋼的屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，同時(shí)鋼具有很高的塑性和沖擊韌性，特別是塑性。在發(fā)現(xiàn)粗晶的鍛件中從材料實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，強(qiáng)度指標(biāo)下降不多,而塑性指標(biāo)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(shí)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(shù)。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(kuò)散能力就不斷增加,晶粒長大的趨勢加劇，細(xì)晶粒極易變?yōu)榇志Я＃醇訜釡囟扔撸志в鷩?yán)重；高溫保溫時(shí)間愈長，粗晶現(xiàn)象愈容易出現(xiàn)，并較嚴(yán)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(fā)現(xiàn)粗晶，對于有相變的鋼可以用相應(yīng)的熱處理予以改善。
而對粗晶可以采取以下措施：
（1）關(guān)于鍛造前加熱溫度和保溫時(shí)間：嚴(yán)格控制在平衡圖固相線 AE 以下150℃~250℃。由于鋼錠凝固時(shí)，得到的原始晶粒組織比較穩(wěn)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(shí)間不宜過長，要根據(jù)錠型決定，不應(yīng)超過最大溫度時(shí)間。
（2）鍛造變形可以打碎粗大的奧氏體晶粒，細(xì)化組織，消除粗晶，因此，鍛造時(shí)大的變形量是消除粗晶的有效措施。在生產(chǎn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題：
①鍛造過程中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)鍛件上只有加熱[而不變形的部分(這種現(xiàn)象比較常見)。
②在決定最后一次的加熱溫度時(shí)，要根據(jù)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(rèn)為:鍛比 在 1.3-1.5時(shí)最高加熱溫度 1150℃-1120℃；鍛比在 1.1-1.3時(shí)最高加熱溫度1050℃~1000℃；鍛比在≤1.1時(shí)最高加熱溫度1000℃-950℃。
③在鍛造變形時(shí)，避免小壓下量變形工藝。
（3）鍛件檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)粗晶時(shí)，由于已經(jīng)達(dá)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(fā)現(xiàn)粗晶的鍛件進(jìn)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(jìn)行一次或次熱處理。
白點(diǎn)是由于鋼中的氫氣和組織應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的。產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷的鍛件材質(zhì)主要是合金結(jié)構(gòu)鋼，從發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)的情況看是偶然的，情況比較復(fù)雜，雖然數(shù)量不多，也值得對鍛后冷卻工藝進(jìn)行分析。但是，如何在保證鍛件不產(chǎn)生白點(diǎn)的前提下，盡量縮短擴(kuò)氫時(shí)間是亟待解決的問題。要防止白點(diǎn)就應(yīng)設(shè)法除氫和消除組織應(yīng)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(guī)范，決不允許鍛后直接冷卻到室溫。
綜上所見，出現(xiàn)白點(diǎn)的原因有;
①過冷溫度控制不當(dāng)，因?yàn)楫a(chǎn)生白點(diǎn)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(yīng)過分強(qiáng)調(diào)縮短熱處理周期，而縮短回火保溫時(shí)間,從統(tǒng)計(jì)資料看,白點(diǎn)多發(fā)生在鍛件的中心部位，原因是去氫時(shí)間不足。
為有效防止白點(diǎn)，對熱處理工藝作如下改進(jìn)：
（1）適當(dāng)延長過冷溫度保溫時(shí)間,氫在該溫度擴(kuò)散速度最大，效果最好，原則是3h/100mm。
（2）等溫保溫時(shí)間在過冷的基礎(chǔ)上可以縮短，一般取 5h-6h/100mm。因?yàn)閺膶?shí)踐和資料上看,在這一階段擴(kuò)散出的氫并不多，主要目的是消除由于過冷而產(chǎn)生的組織應(yīng)力。
裂紋是短粗的裂口，不規(guī)則的密布于表面,裂紋內(nèi)有氧化現(xiàn)象，兩側(cè)脫碳嚴(yán)重，晶粒也很粗大。
（1）因過燒產(chǎn)生的裂紋：過燒是在晶粒邊界出現(xiàn)熔化。一般在氧化氣氛中加熱的鋼由于高溫狀態(tài)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(chǎn)生過燒。生產(chǎn)中曾偶爾發(fā)生,但如果在加熱過程中使?fàn)t內(nèi)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(xiàn)行的措施是：
①注意裝爐位置合理；
②改造加熱爐體機(jī)構(gòu)，改變燒嘴高低位置，噴出火焰分散。
（2）因銅脆產(chǎn)生的裂紋：如鋼中含銅量過高(>0.2%)時(shí),在高溫鍛造時(shí),極易在表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。這是由于銅較鐵難以氧化，而且擴(kuò)散過程很慢，因此，在氧化鐵皮下形成一層富銅的金屬層，當(dāng)加熱溫度超過1100℃時(shí)，富銅的金屬熔化并滲到鋼的晶粒邊界，使晶粒之間聯(lián)系減弱，在熱變形時(shí)金屬表面便產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。
對軋輾鋼和軸承鋼，在鍛造過程中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，尤其是軸承鋼用來制作軸承圈時(shí)。因?yàn)檩S承圈在工作時(shí)承受著點(diǎn)或線的高度集中的周期變化載荷,容易產(chǎn)生疲勞和磨損,所以要求有高的均勻的強(qiáng)度和硬度。這就必須使軸承鋼的組織均勻，不應(yīng)有網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物使強(qiáng)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(guī)范中都特別強(qiáng)調(diào)盡量避免網(wǎng)狀碳化物超級。
網(wǎng)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(shí)際結(jié)果看，終鍛溫度在900℃以上時(shí)沒有網(wǎng)狀碳化物析出，而大量析出的溫度范圍是800℃~750℃。我廠生產(chǎn)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(yán)格控制在800℃-750℃終鍛,并在這個(gè)溫度下,使鍛件整體上都有變形。按這樣生產(chǎn)后，經(jīng)試驗(yàn)，鍛件網(wǎng)狀碳化物均為2級，全部合格。其次，一旦出現(xiàn)網(wǎng)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(nèi)部組織偏析、夾雜、白點(diǎn)、粗晶、表裂、折疊、內(nèi)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(bào)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(xué)反應(yīng)形成的夾雜物及在金屬熔煉和澆注時(shí)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(guān)，鍛造只能使其分散，即分布趨于均勻細(xì)小，而不能減少其數(shù)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(chǎn)生裂紋，這在很大程度上是由于在晶界上分布低熔點(diǎn)夾雜(如硫化物等)過多，鍛造時(shí)引起熱脆現(xiàn)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(tuán)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(fù)偏析區(qū)，在錠身和冒口的交界處。
根據(jù)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(yīng)盡量使其浮到冒了吧口區(qū)。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(shí)，對重要零件進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火，實(shí)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(chǎn)生變形而后空隙焊合，可能時(shí)作“寬砧”鍛造；
③造成有利于鍛合缺陷的壓應(yīng)力狀態(tài)：
④根據(jù)零件的受力情況及纖維分布要求，采用相應(yīng)的鍛造工藝，譬如同時(shí)要求軸向和切向性能時(shí)，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(dāng)?shù)腻懺毂取?/span>
對熱加工過程來說,變形溫度、保溫時(shí)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(shù)。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(kuò)散能力就不斷增加,晶粒長大的趨勢加劇，細(xì)晶粒極易變?yōu)榇志Я＃醇訜釡囟扔撸志в鷩?yán)重；高溫保溫時(shí)間愈長，粗晶現(xiàn)象愈容易出現(xiàn)，并較嚴(yán)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(fā)現(xiàn)粗晶，對于有相變的鋼可以用相應(yīng)的熱處理予以改善。
而對粗晶可以采取以下措施：
（1）關(guān)于鍛造前加熱溫度和保溫時(shí)間：嚴(yán)格控制在平衡圖固相線 AE 以下150℃~250℃。由于鋼錠凝固時(shí)，得到的原始晶粒組織比較穩(wěn)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(shí)間不宜過長，要根據(jù)錠型決定，不應(yīng)超過最大溫度時(shí)間。
（2）鍛造變形可以打碎粗大的奧氏體晶粒，細(xì)化組織，消除粗晶，因此，鍛造時(shí)大的變形量是消除粗晶的有效措施。在生產(chǎn)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題：
①鍛造過程中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)鍛件上只有加熱[而不變形的部分(這種現(xiàn)象比較常見)。
②在決定最后一次的加熱溫度時(shí)，要根據(jù)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(rèn)為:鍛比 在 1.3-1.5時(shí)最高加熱溫度 1150℃-1120℃；鍛比在 1.1-1.3時(shí)最高加熱溫度1050℃~1000℃；鍛比在≤1.1時(shí)最高加熱溫度1000℃-950℃。
③在鍛造變形時(shí)，避免小壓下量變形工藝。
（3）鍛件檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)粗晶時(shí)，由于已經(jīng)達(dá)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(fā)現(xiàn)粗晶的鍛件進(jìn)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(jìn)行一次或次熱處理。
白點(diǎn)是由于鋼中的氫氣和組織應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的。產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷的鍛件材質(zhì)主要是合金結(jié)構(gòu)鋼，從發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)的情況看是偶然的，情況比較復(fù)雜，雖然數(shù)量不多，也值得對鍛后冷卻工藝進(jìn)行分析。但是，如何在保證鍛件不產(chǎn)生白點(diǎn)的前提下，盡量縮短擴(kuò)氫時(shí)間是亟待解決的問題。要防止白點(diǎn)就應(yīng)設(shè)法除氫和消除組織應(yīng)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(guī)范，決不允許鍛后直接冷卻到室溫。
綜上所見，出現(xiàn)白點(diǎn)的原因有;
①過冷溫度控制不當(dāng)，因?yàn)楫a(chǎn)生白點(diǎn)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(yīng)過分強(qiáng)調(diào)縮短熱處理周期，而縮短回火保溫時(shí)間,從統(tǒng)計(jì)資料看,白點(diǎn)多發(fā)生在鍛件的中心部位，原因是去氫時(shí)間不足。
為有效防止白點(diǎn)，對熱處理工藝作如下改進(jìn)：
（1）適當(dāng)延長過冷溫度保溫時(shí)間,氫在該溫度擴(kuò)散速度最大，效果最好，原則是3h/100mm。
（2）等溫保溫時(shí)間在過冷的基礎(chǔ)上可以縮短，一般取 5h-6h/100mm。因?yàn)閺膶?shí)踐和資料上看,在這一階段擴(kuò)散出的氫并不多，主要目的是消除由于過冷而產(chǎn)生的組織應(yīng)力。
裂紋是短粗的裂口，不規(guī)則的密布于表面,裂紋內(nèi)有氧化現(xiàn)象，兩側(cè)脫碳嚴(yán)重，晶粒也很粗大。
①注意裝爐位置合理；
②改造加熱爐體機(jī)構(gòu)，改變燒嘴高低位置，噴出火焰分散。
（2）因銅脆產(chǎn)生的裂紋：如鋼中含銅量過高(>0.2%)時(shí),在高溫鍛造時(shí),極易在表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。這是由于銅較鐵難以氧化，而且擴(kuò)散過程很慢，因此，在氧化鐵皮下形成一層富銅的金屬層，當(dāng)加熱溫度超過1100℃時(shí)，富銅的金屬熔化并滲到鋼的晶粒邊界，使晶粒之間聯(lián)系減弱，在熱變形時(shí)金屬表面便產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。
對軋輾鋼和軸承鋼，在鍛造過程中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，尤其是軸承鋼用來制作軸承圈時(shí)。因?yàn)檩S承圈在工作時(shí)承受著點(diǎn)或線的高度集中的周期變化載荷,容易產(chǎn)生疲勞和磨損,所以要求有高的均勻的強(qiáng)度和硬度。這就必須使軸承鋼的組織均勻，不應(yīng)有網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物使強(qiáng)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(guī)范中都特別強(qiáng)調(diào)盡量避免網(wǎng)狀碳化物超級。
網(wǎng)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(shí)際結(jié)果看，終鍛溫度在900℃以上時(shí)沒有網(wǎng)狀碳化物析出，而大量析出的溫度范圍是800℃~750℃。我廠生產(chǎn)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(yán)格控制在800℃-750℃終鍛,并在這個(gè)溫度下,使鍛件整體上都有變形。按這樣生產(chǎn)后，經(jīng)試驗(yàn)，鍛件網(wǎng)狀碳化物均為2級，全部合格。其次，一旦出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物超級，采用高溫正火處理，也有效果，但不理想。
