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鍛造對金屬組織、性能的影響與鍛件缺陷

 

       鍛件的缺陷包括表面缺陷和內部缺陷。有的鍛件缺陷會影響后續工序的加工質量,有的則嚴重影響鍛件的性能,降低所制成品件的使用壽命,甚至危及安全。因此,為提高鍛件質量,避免鍛件缺陷的產生,應采取相應的工藝對策,同時還應加強生產全過程的質量控制。 本章概要介紹三方面的問題:鍛造對金屬組織、性能的影響與鍛件缺陷;鍛件質量檢驗的內容和方法;鍛件質量分析的一般過程。

     (一)鍛造對金屬組織和性能的影響 鍛造生產中,除了必須保證鍛件所要求的形狀和尺寸外,還必須滿足零件在使用過程中所提出的性能要求,其中主要包括:強度指針、塑性指針、沖擊韌度、疲勞強度、斷裂韌度和抗應力腐蝕性能等,對高溫工作的零件,還有高溫瞬時拉伸性能、持久性能、抗蠕變性能和熱疲勞性能等。 鍛造用的原材料是鑄錠、軋材、擠材和鍛坯。而軋材、擠材和鍛坯分別是鑄錠經軋制、 擠壓及鍛造加工后形成的半成品。鍛造生產中,采用合理的工藝和工藝參數,可以通過下列幾方面來改善原材料的組織和性能: 1)打碎柱狀晶,改善宏觀偏析,把鑄態組織變為鍛態組織,并在合適的溫度和應力條件下,焊合內部孔隙,提高材料的致密度; 2)鑄錠經過鍛造形成纖維組織,進一步通過軋制、擠壓、模鍛,使鍛件得到合理的纖維方向分布; 3)控制晶粒的大小和均勻度; 4)改善第二相(例如:萊氏體鋼中的合金碳化物)的分布; 5)使組織得到形變強化或形變——相變強化等。 由于上述組織的改善,使鍛件的塑性、沖擊韌度、疲勞強度及持久性能等也隨之得到了提高,然后通過零件的最后熱處理就能得到零件所要求的硬度、強度和塑性等良好的綜合性能。 但是,如果原材料的質量不良或所采用的鍛造工藝不合理,則可能產生鍛件缺陷,包括表面缺陷、內部缺陷或性能不合格等。

     (二)原材料對鍛件質量的影響 原材料的良好質量是保證鍛件質量的先決條件,如原材料存在缺陷,將影響鍛件的成形過程及鍛件的最終質量。 如原材料的化學元素超出規定的范圍或雜質元素含量過高,對鍛件的成形和質量都會帶來較大的影響,例如:S、B、Cu、Sn等元素易形成低熔點相,使鍛件易出現熱脆。為了獲得本質細晶粒鋼,鋼中殘余鋁含量需控制在一定范圍內,例如Al酸0.02%~0.04%(質量分數)。含量過少,起不到控制晶粒長大的作用,常易使鍛件的本質晶粒度不合格;含鋁量過多,壓力加工時在形成纖維組織的條件下易形成木紋狀斷口、撕痕狀斷口等。又如,在1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼中,Ti、Si、Al、Mo的含量越多,則鐵素體相越多,鍛造時愈易形成帶狀裂紋,并使零件帶有磁性。 如原材料內存在縮管殘余、皮下起泡、嚴重碳化物偏析、粗大的非金屬夾雜物(夾渣)等缺陷,鍛造時易使鍛件產生裂紋。原材料內的樹枝狀晶、嚴重疏松、非金屬夾雜物、白點、氧化膜、偏析帶及異金屬混人等缺陷,易引起鍛件性能下降。 原材料的表面裂紋、折疊、結疤、粗晶環等易造成鍛件的表面裂紋。

      (三)鍛造工藝過程對鍛件質量的影響 鍛造工藝過程一般由以下工序組成,即下料、加熱、成形、鍛后冷卻、酸洗及鍛后熱處理。鍛造過程中如果工藝不當將可能產生一系列的鍛件缺陷。 加熱工藝包括裝爐溫度、加熱溫度、加熱速度、保溫時間、爐氣成分等。如果加熱不當,例如加熱溫度過高和加熱時間過長,將會引起脫碳、過熱、過燒等缺陷。 對于斷面尺寸大及導熱性差、塑性低的坯料,若加熱速度太快,保溫時間太短,往往使溫度分布不均勻,引起熱應力,并使坯料發生開裂。 鍛造成形工藝包括變形方式、變形程度、變形溫度、變形速度、應力狀態、工模具的情兄和潤滑條件等,如果成形工藝不當,將可能引起粗大晶粒、晶粒不均、各種裂紋、折疊。寒流、渦流、鑄態組織殘留等。 鍛后冷卻過程中,如果工藝不當可能引起冷卻裂紋、白點、網狀碳化物等。

     (四)鍛件組織對最終熱處理后的組織和性能的影響 奧氏體和鐵素體耐熱不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金等在加熱和冷卻過程中,沒有同素異構轉變的材料,以及一些銅合金和鈦合金等,在鍛造過程中產生的組織缺陷用熱處理的辦法不能改善。 在加熱和冷卻過程中有同素異構轉變的材料,如結構鋼和馬氏體不銹鋼等,由于鍛造工藝不當引起的某些組織缺陷或原材料遺留的某些缺陷,對熱處理后的鍛件質量有很大影響。現舉例說明如下: 1)有些鍛件的組織缺陷,在鍛后熱處理時可以得到改善,鍛件最終熱處理后仍可獲得滿意的組織和性能。例如,在一般過熱的結構鋼鍛件中的粗晶和魏氏組織,過共析鋼和軸承鋼由于冷卻不當引起的輕微的網狀碳化物等。 2)有些鍛件的組織缺陷,用正常的熱處理較難消除,需用高溫正火、反復正火、低溫分解、高溫擴散退火等措施才能得到改善。例如,低倍粗晶、9Cr18不銹鋼的孿晶碳化物等。 3)有些鍛件的組織缺陷,用一般熱處理工藝不能消除,結果使最終熱處理后的鍛件性能下降,甚至不合格。例如,嚴重的石狀斷口和棱面斷口、過燒、不銹鋼中的鐵素體帶、萊氏體高合金工具鋼中的碳化物網和帶等。 4)有些鍛件的組織缺陷,在最終熱處理時將會進一步發展,甚至引起開裂。例如,合金結構鋼鍛件中的粗晶組織,如果鍛后熱處理時未得到改善,在碳、氮共滲和淬火后常引起馬氏體針粗大和性能不合格;高速鋼中的粗大帶狀碳化物,淬火時常引起開裂。 鍛造過程中常見的缺陷及其產生原因在第二章中將具體介紹。應當指出,各種成形方法中的常見缺陷和各類材料鍛件的主要缺陷都是有其規律的。 不同成形方法,由于其受力情況不同,應力應變特點不一樣,因而可能產生的主要缺陷也是不一樣的。例如,坯料鐓粗時的主要缺陷是側表面產生縱向或45°方向的裂紋,錠料鐓粗后上、下端常殘留鑄態組織等;矩形截面坯料拔長時的主要缺陷是表面的橫向裂紋和角裂,內部的對角線裂紋和橫向裂紋;開式模鍛時的主要缺陷則是充不滿、折疊和錯移等。各主要成形工序中常見的缺陷將在第四章中詳細介紹。 不同種類的材料,由于其成分、組織不同,在加熱、鍛造和冷卻過程中,其組織變化和力學行為也不同,因而鍛造工藝不當時,可能產生的缺陷也有其特殊性。例如,萊氏體高合金工具鋼鍛件的缺陷主要是碳化物顆粒粗大、分布不均勻和裂紋,高溫合金鍛件的缺陷主要是粗晶和裂紋;奧氏體不銹鋼鍛件的缺陷主要是晶間貧鉻,抗晶間腐蝕能力下降,鐵素體帶狀組織和裂紋等;鋁合金鍛件的缺陷主要是粗晶、折疊、渦流、穿流等。
 

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