锻造厂锻件质量的研究

锻 件 质 量 的 探 讨 
       生产锻件时,除了必须保证所要求的形状和尺寸外,还必须满足零件在使用过程中所提出的性能要求,其中主要包括:强度指标、塑性指标、冲击韧性、疲劳韧性和 抗应力腐蚀性能要求,对高温工作的零件,还有高温瞬时拉伸性能、持久性能、抗蠕变性能和热疲劳性能等。而锻件的性能又取决于其组织和结构(以下简称为组 织)。不同材料,或同一材料的不同状态的锻件,其性能不同,归根到底都是由其组织决定的。金属的组织与材料的化学成分、冶炼方法、压力加工过程和工艺等因 素有关。其中,压力加工过程对锻件的组织有重要的影响,尤其对那些在加热和冷却过程中没有同素异构转变的材料,如:奥氏体和铁素体耐热不锈钢、高温合金、 铝合金和镁合金等,主要依靠在压力加工过程中,正确控制热力学工艺参数来改善锻件的组织和提高其性能。  采用压力加工方法,还可以改善零件的表面状态和建立表面预压应力,提高零件的使用性能。 由于锻件的质量与原材料质量、锻造工艺及热处理工艺的有关,所以要保证获得高质量的锻件,必须从以上几个方面进行分析和研究。
下面对三个方面的问题进行讨论:  (1)材料和锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响;
                                                              (2)锻造过程中常见的缺陷;
     (3)锻件质量检验的内容和锻件质量分析的方法。  
           一、原材料和锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响 (一)原材料对组织和性能的影响  锻造用的原材料为铸锭、轧材、挤材及锻坯。而轧材、挤材及锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工后形成的半成品。对铸锭子来说,炉料成分、冶炼方法及锻造 工艺是决定其质量的重要环节。而轧制、挤压及锻造加工过程,则是决定相应半成品质量的又一环节。  原材料在进入锻造过程之前,需经尺寸、表面质量、化学成分、高倍组织、低倍组织及机械性能的检验,符合技术条件要求后方能投入生产。  原材料的化学成分、高倍组织、低倍组织及机械性能是保证锻件组织性能的基础,而原材料的尺寸和表面质量直接影响锻件的工艺塑性及成形。此外,原材料的可锻 性及其再结晶特点是确定锻造工艺参数的基础。  因此,原材料的良好质量是保证锻件质量的先决条件。  但是,原材料的质量检验具有一定的局限性(如:漏检和取样不具有代表性等等),原材料的技术条件规定的检验方法,不可能把钢材内部的所有质量问题都暴露出 来,如:内部成分与偏析等。因此,原材料存在的各种缺陷,势必影响锻件的成形过程及锻件的最终质量。  原材料对锻件组织和性能的影响,主要有以下几个方面: 1.化学成分及杂质元素的影响  在原材料的技术条件中,对化学元素皆规定了相应的成分范围,对杂质元素S、P、Cu、Sn、Pb等也有一定的限制。化学元素超出规定的范围和杂质元素含量 过高对锻件的成形和质量都会带来较大的影响。  S、B、Cu、Sn等元素易形成低熔点相,使锻件易出现热脆。  含Al量对合金结构钢的本质晶粒度有一定影响。为了获得本质细晶粒钢,钢中残余铝含量需控制在一定范围内(如:Al酸0.02~0.04%).含铝量过 少,起不到控制晶粒长大的作用;含铝量过多,压力加工时在形成纤维组织的条件下易造木纹断口、撕痕状断口等,这些都会降低锻件的机械性能和使用性能。  在1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢中,Ti、Si、Al、Mo的含量越多,则铁素体相越多,锻造时越易形成表面裂纹,并使零件有磁性。
 2  原材料中的共晶相对锻件的形成及锻件质量有很大的影响,它使材料在锻前加热时容易过烧和降低材料的塑性指标等。如:莱氏体工具钢中的一次共晶碳化物,铝合 金挤压棒材中的树支状共晶化合物等。而钛合金原材料中的粗大β相直接影响锻件的常规机械性能。  2.原材料内部缺陷的影响  原材料内部的缩管残余、皮下气泡、严重碳化物偏析、粗大的非金属夹杂物(夹渣)等缺陷,易使锻件产生裂纹。  原材料内部的树支状晶、严重疏松、非金属夹杂物、白点、翻皮、氧化膜、分层、偏析带及异金属混入等缺陷,易引起锻件性能下降。微量的非金属夹杂物对冷轧辊 及轴承钢的寿命也有较大的影响。  3.原材料表面缺陷的影响  原材料表面裂纹、折迭、结疤、粗晶环等易造成锻件的表面裂纹。 4.原材料流线的影响  供锻造和模锻的轧材、挤材及锻坯均具有纤维组织,因此其性能都具有方向性,这也是造成锻件性能呈方向性的基本原因。其方向性的严重程度,既取决于原材料中 S、P及其他杂质的含量、又取决于原材料的锻比。因此,选择锻件的锻造方案时,应根据零件的受力情况,注意流线的正确分布。  原材料的可锻性及再结晶特点对锻件成形和锻件质量也有很大的影响。可锻性良好的材料成形性好。一般来说碳钢和合金结构钢的工艺塑性较高,变形抗力较低,可 锻性好。而高合金及高温合金的工艺塑性低,变形抗力大,可锻性差。铝合金居中,各种合金都有一定的临界变形范围,当变形程度在此范围内时,晶粒特别粗大, 使锻件的机械性能降低,锻造时应避开这个临界变形范围。  (二)锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响  为获得良好组织性能的锻件,除了需要保证良好的原材料质量外,还需要有合理的锻造工艺过程和热处理工艺。  锻造工艺过程一般有以下工序组成,即下料、加热、成形、锻后冷却、酸洗(腐蚀)及锻后热处理。成形工序包括自由锻、模锻、切边和校正;自由锻包括镦粗、拔 长、冲孔、弯曲及扭转等;模锻包括拔长、滚挤、预锻、终锻和顶镦等。  从上述工序来看,锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响,最终可以归结为热力学因素的影响。  所谓
热力学因素就是指
变形温度、变形速度、 冷却速度和应力状态等等。 选择合理的热力学因素,可以通过下列几方面来改善原材料的组织:  1.打碎柱状晶,改善宏观偏析,把铸态组织变为锻态组织,并在合适的温度和应力条件下,焊合内部孔隙,提高材料的致密度;      2.铸锭经过锻造,形成纤维组织,进一步通过轧制、挤压、模锻、使锻件得到合理的纤维方向分布;      3.控制晶粒的大小和均匀度;      4.改善异相(如:莱氏体钢中的合金碳化物)的分布;     5.使组织得到形变强化或形变—相变强化等。  由于上述组织的改善,使锻件的塑性、冲击韧性、疲软强度及持久性能等也随之得到了改善,然后再通过零件的最后热处理就能得到零件所要求的硬度、强度和塑性 等良好的综合性能和组织。     以下具体讨论热力学因素对锻件组织性能的影响。     1.变形温度的影响  锻造加热不仅是为了保证锻造成形时有良好的塑性和低的变形抗力,而且对锻后的组织和性
 3  能也有很大影响。对钢而言,由于锻造时的加热温度一般皆比零件的最终热处理温度高,因此高温下的晶粒大小及随后的组织转变对锻件的质量会带来一定的影响。 而不合适的加热温度总是给锻件造成种种缺陷。  若加热温度过高和加热时间过长,会引起脱碳、过热、过烧(尤其是高合金钢及含Si钢最易脱碳),如:合金结构钢产生过热断口,马氏体不锈钢出现δ铁素体, 奥氏体不锈钢出现铁素体,9Cr18轴承钢碳化物沿孪晶线析出,耐热合金出现晶粒粗大,钛合金出现β组织粗化等。而渗碳钢的锻造过热,则使渗碳后出现粗大 马氏体和网状碳化物。上述各种组织缺陷使锻件的机械性能特别是韧性和疲劳性能下降。   锻造加热温度对α+β钛合金组织和性能的影响特别明显。锻造温度对α+β钛合金β晶粒大小和室温机械性能的影响,若加热温度过低,不仅易引起变形不均,使 耐热合金及铝合金淬火加热后易出现粗晶或晶粒粗细不均现象,使亚共析钢形成带状组织,而且在锻造时还会引起各种形式的裂纹。      2.变形程度和变形方式的影响  钢锭的锻比是影响锻坯机械性能的主要因素。锻比对钢锭中的孔隙度、非金属夹杂物和韧性的影响,韧性开始有一定增加,然后逐渐减少,其原因是由于形成了纤维 组织的结果。有纤维组织的钢材继续变形时,由于纤维分布发生了改变,纵、横向的性能也随之而改变。沿钢材原来纤维方向的横向和纵向压缩时性能指标发生变化 的情况。热挤压的铝合金棒材的韧性具有很明显的方向性,纵向韧性最大而横向韧性最小。如果模锻时产生横向或侧向流动,则横向韧性能得到改善。  采用合适的锻造工艺,可以使金属纤维沿零件的最大受力方向分布。流线均匀而连续地沿锻件的外形分布,能使锻件的机械性能特别是疲劳性能和抗应力腐蚀性能得 到提高。  最终成形工序的变形程度是影响锻件晶粒度的重要因素,这对于无同素异构转变的材料更是如此。当最终工序的变形量处于临界变形区时,锻件的晶粒特别粗大,其 机械性能下降。一般来说,变形程度大于临界变形,可以获得细小晶粒。但是,变形程度过大所引起的织构现象,将使铝合金锻件产生粗大晶粒;某些高温合金锻件 因变形程度过大,使晶界碳化物破碎,也可能出现粗大晶粒。  采用反复镦拔的变形方式(单向镦拔,十字镦拔、双十字镦拔)和足够大的变形程度可以达到如下目的:      ①细化和均布高速钢、铬12型钢、3Cr2W8V钢中的碳化物,提高其使用性能;     ②消除铝合金、钛合金中组织和性能的方向性,提高组织和性能的均匀性。     3.变形速度的影响  一般来说,提高变形速度将使可锻性降低,即使金属的塑性下降,变形抗力增加。  变形速度还将影响到锻透性。在大变形程度下,变形速度越小,则锻透性越好,越有利于晶粒细化和再结晶的进行,因而也有利于工艺塑性的提高。     4.加热速度的影响  对于断面尺寸大及导热性差的坯料,若加热速度太快,保温时间太短,往往使温度分布不均匀,引起热应力,并使坯料发生开裂。如:高合金钢、高合金工具钢、高 温合金等钢锭和锻坯常常因加热不当发生开裂。坯料温度不均,还会引起变形和组织不均,产生附加应力,造型内部开裂等。      5.冷却速度的影响  冷却速度不当,往往使锻件产生热应力、组织应力及第二相的析出。马氏体不锈钢、莱氏体钢(高速钢和铬12型钢),若锻后冷却速度过快,往往由于马氏体组织 转变引起组织应力,造成锻件表面开裂。但是,有些材料锻后缓冷,将有第二相沿晶界析出,引起性能下降。如:轴承钢
 4  锻后缓冷将沿晶界析出碳化物等。     6.应力状态的影响      应力状态对可锻性和金属流动有一定影响。三向压应力状态可以提高金属的塑性,但使变形力增加。这是由于压应力能阻止晶间联系的破坏,有利于晶内滑移变形的 发展。作用于滑移面上的平均压应力,提高了材料塑性变形能力。  (三)锻件组织对最终热处理后的组织和使用性能的影响  锻造生产是冶金(原材料)与最终热处理之间的中间工序,所以锻件质量的好坏对最终热处理后的质量和零件的使用性能有很大的影响。  正常的锻件组织经过合理的最终热处理后,可以获得所要求的组织和性能。但是,由于锻造工艺不当引起的某些组织缺陷或原材料遗留的某些缺陷,对热处理后的锻 件质量有很大影响。现举例说明如下:  1有些锻件的组织缺陷,在锻后热处理时可以获得改善,锻件最终热处理后仍可获得满意的组织和性能。如:在一般过热的结构钢锻件中的粗晶和魏氏体组织,过共 析钢和轴承钢由于冷却不当引起的轻微的网状碳化物等。  2有些锻件的组织缺陷,用正常热处理较难消除,需用高温正火、反复正火、低温分解、高温扩散退火等措施才能得到改善。如:低倍粗晶,9Cr18不锈钢的孪 晶碳化物等。  3有些锻件的组织缺陷,用一般热处理工艺不能消除,结果使最终热处理后的锻件性能下降,甚至不合格。如:严重的石状断口和棱面断口、过烧、不锈钢中的铁素 体带、莱氏体高合金工具钢中的碳化物网和带等。  4有些锻件的组织缺陷,在最终热处理时将会进一步发展,甚至引起开裂。如:合金结构钢锻件中的粗晶组织,如果锻后热处理时未得到改善,在碳、氮共渗和淬火 后引起马氏体粗大和性能不合格;高速钢零件中的带状碳化物,淬火时常引起开裂。                 二、锻造过程中常见的缺陷  原材料质量不良和锻造工序不按正确规定进行时,往往引起锻件的各种质量问题。这不仅影响锻件的成形,而且影响锻件的组织和性能。  按锻造工序的顺序,分别列出锻造过程中各工序可能产生的缺陷,并概要地介绍了各种缺陷的主要特征及产生原因:                    原材料的主要缺陷及其引起的锻件缺陷
名 称 主 要 特 征 产  生  原  因  及  影  响 毛  细 裂  纹     位于金属表面,深约0.5~1.5mm的细微裂纹。      金属轧制时,将钢锭内的皮下气泡辗长后破裂 形成的。锻造前若不去掉,可能引起锻件裂纹。 折  迭      在金属表面深达1mm左右,在直径两端折缝方向相反。横向观察,折迭同圆弧切线构成一角度,折缝内有氧化铁夹杂,四周有脱碳。     因轧辊上的型槽定径不正确,或因型槽磨损面产生的毛刺在轧制时被卷入,导致形 成折迭。     锻造前若不去掉,可能引起锻件折迭。 结  疤     轧材表面局部区域的一层可剥落的薄膜,其厚度约1.5mm左右。     浇铸时,由于钢液飞溅而凝结在钢锭表面,轧制 时被压成薄膜而粘附在轧材表面,即为结疤.      锻后经酸洗清理,薄膜剥落成为锻件表面缺陷.  层  状 断  口     断口或断面与折断了的石板、树 皮很相似.这种缺陷在合金钢(铬镍钢、铬镍钨钢等)中较多,碳钢中也有 发现. 主要是原材料冶炼质量的问题,往往在轴心部分出现。一般认为,钢中存在非金属夹杂物,枝晶偏 析以及气孔、疏松等缺陷,在锻、轧过程中沿轧制方 向被拉长,使钢材呈片状。  杂质过多,锻造就有分层破裂的危险。层状断 口越严重,钢的塑性、韧性越差,尤其是横向机械性 能很低,钢材如有明显的层片状缺陷是不合格的。
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名  称  主  要  特  征  产  生  原  因  及  影  响  亮  线  (亮区)      在纵向断口中呈现结晶发亮的 有反射能力的细条线,多数贯穿整个 断口,大多数产生在轴心部分。 亮线主要是由于合金元素偏析造成的。 轻微的亮线对机械性能影响不大,严重的亮线将明显降低材料的塑性和韧性。 非金属夹  杂     在轧制的纵断面上表现为被轧 长了的或被破碎的非金属夹杂。前者如疏化物,后者如氧化物、脆性硅酸 盐。     非金属夹杂物主要是熔炼或浇铸的钢水冷却过 程中由于成分之间或金属与炉气、容器的化学反应形成的。另外,在金属熔炼和浇铸时,由于耐火材料落入钢液中,也能形成夹杂物,这种夹杂物统称夹渣。 严重的夹杂物易引起锻造开裂或降低材料使用性能。
碳化物偏析      经常在含碳高的合金钢中发现(如:高速钢等),其特点是局部区域有较多的碳化物集聚。      钢中的莱氏体共晶碳化物和二次网状碳化物在开坯和轧制时未被打碎和均匀分布造成的。     碳化物偏析降低钢的锻造变形性能,易引起锻件开裂。锻件热处理淬火时容易局部过热、过烧和淬裂。制成的刀具使用时刃口易崩裂。  铝合金氧化膜      一般多位于模锻件的腹板上和分模面附近。在低倍组织上呈微细的裂口,在高倍组织上呈涡纹状,在断口上的特征可分两类:其一,呈平整的片状,颜色从银灰色、 浅黄色直至褐色、暗褐色;其二,呈细小密集而带闪光点的点状物。      熔铸过程中敞露的熔体液面与大气中的水蒸气或其他金属氧化物相互作用时所形成的氧化膜在转铸过程中被卷入液体金属材料的内部形成的。      锻件和模锻中的氧化膜对纵向机械性能无明显影响,但对高度方向机械性能影响较大,它降低了高度方向强度性能,特别是高度方向伸长率、冲击韧性和高度方向抗 腐蚀性能。  异金属夹杂物      与基体金属有明显的界限。     熔炼时外来金属混入的。异金属的存在,降低了 零件的使用性能,且易引起锻件各种形式的裂纹。 白  点      在钢坯的纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点,在横向断口中呈细小的裂纹。白点的大小不一,长度由1~20mm或更长。      白点在合金钢中常见,普通碳钢中也有发现,是隐藏在内部的缺陷。     白点是在氢和相变时的组织应力以及热应力的共同作用下产生的,当钢中含氢量较多和热压力加工后冷却(或锻后热处理)太快时较易产生。      用带有白点的钢锻造出来的锻件,在热处理时(淬火)易发生龟裂,有时甚至成块掉下。白点降低钢的塑性和零件的强度,是应力集点,它象尖锐的切刀一样,在交 变载荷的作用下,很容量变成疲劳裂纹而导致疲劳破坏。  粗晶环      经热处理后供应的铝及其合金挤压棒材,在其圆断面的外层常常有粗晶环。粗晶环的厚度,由挤压时的始端到末端是逐渐增加的。若挤压时的润滑条件良好,则在热 处理后可以减小或避免粗晶环。反之,环的厚度会增加。      粗晶环的产生原因与很多因素有关。但主要因素是由于挤压过程中金属与挤压筒产生的摩擦。这种摩擦致使挤出来的棒材横断面的外表层晶粒要比棒材中心层晶粒的 破碎程度大得多。但是由于筒壁的影响,此区温度低,挤压时未能完全再结晶,淬火加热时未再结晶的晶粒再结晶并长大吞并已经再结晶的晶粒,于是在表层形成了 粗晶环。     有粗晶环的坯料锻造时容易开裂,如粗晶环保留在锻件表层,则将降低零件的性能。  缩  管 残  余      缩管残余附近区或一般会出现密集的杂夹物、疏松或偏析。在横向低部中呈不规则的皱折的缝隙。      一般是由于钢锭冒口部分产生的集中缩孔未切除干净,开坯和轧制时残留在钢材内部而产生的。    坯料剪切和切割时产生的缺陷及其引起的锻件缺陷  名  称 主  要  特  征 产   生  原  因  及  影  响  切  斜      坯料端面与轧线倾斜,超过了规定的允许值。      剪切时棒料未压紧造成的。  坯料端部弯曲并带毛刺      坯料时部分金属被带入剪刀间隙之间,产生尖锐的毛刺。  被切断之前已有弯曲,结果部分金属被挤入刀片之间,形成端部下垂毛刺。  有毛刺的坯料,加热易引起局部过热过烧,锻造时易产生折迭和开裂。
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名  称 主  要  特  征  产  生  原  因  及  影  响  端  部 裂  纹     主要产生在剪切大断面坯料时,如冷状态下剪切合金钢和高碳钢时也会产生长。通常是在剪切后3~4小时才发现。      由于刀片的单位压力太大,使圆形断面的坯料压 扁成椭圆形,这时材料中产生了很大的内应力。而压扁的端面力求恢复原来的形状,在内应力的作用下则常在切料后的几小时内出现开裂。材料硬度过高、硬度不均 和材料偏析较严重时也易产生剪切裂纹。  气  割 裂  纹      一般位于坯料端部。 由于气割前原材料没有预热,气割时产生组织应力和热应力引起的。  有气割裂纹的坯料,锻造时裂纹将进一步扩展。 凸  芯 开  裂      一般位于原坯料端面的中心。      车床下料时,在棒料的端面往往留有凸芯。锻造过程中,由于凸芯的断面很小,冷却快,因而其塑性较低,但坯料基体部分断面大,冷却慢,塑性高。因此,在断面 突变交接处成为应力集中的部位,加之两部分塑性差异较大,故在锤击力的作用下,凸芯的周围容易造成开裂。    加热不当产生的缺陷
名  称 主  要  特  征 产  生  原  因  及  影  响  过  热     一般是指金属由于加热温度过高引起粗大晶粒的现象。碳钢(亚共析钢或过共析钢)以出现魏氏组织为特征。工模具钢(或 高合金钢)以一次碳化物角状化为特征。一 些合金结构钢过热后除晶粒粗大外,沿晶界还有析出物,而且用一般热处理办法也不易消除。      加热温度过高,或在规定的锻造与热处理温度范围内停留时间太长,或由于热效应而引起的。      过热组织由于晶粒粗大,将引起机械性能降低,尤其是冲击性能。  过  烧 过烧严重的金属,镦粗时轻轻一击就裂,拔长时在过烧处出现横向裂口。  过烧部位的晶粒特别粗大。裂口间的表面呈浅灰蓝色。过烧的铝合金锻件,表面呈黑色或暗黑色,并且表面形成鸡皮状气 泡。从高倍组织看,一般以晶界氧化和熔化 现象为特征。对碳钢来说,晶界出现氧化和熔化;工模具钢(高速钢、铬12型钢)过烧时晶界熔化而出现鱼骨状莱氏体;铝合金过烧往往出现晶界熔化三角区域或 复熔球等。      加热温度过高或高温加热时间过长引起的。炉中的氧及其他氧化性气体渗透到金属材料晶粒间,并与铁、硫、碳等氧化,形成了易熔的氧化物的共晶体,它破坏了晶 粒间的联系。  铜  脆      锻造时锻件表面龟裂。高倍观察,有淡黄色的铜(或铜的固溶体)沿晶界分布。     炉内残存氧化铜屑,加热时氧化铜还原为自由铜,熔融的铜原子在高温下沿奥氏体晶界扩展,削弱了晶粒间的联系。另外,钢 中含铜量较高(>2%)时,如在氧化性气氛中加热,在氧化皮下形成富铜层,也引起铜脆。  加  热 裂  纹  沿坯料的横断面开裂,裂纹由中 心向四周呈辐射状扩展。 由于坯料尺寸大,钢的导热性差,加之加热速度过快,形成坯料内外温度相差很大,产生的热应力超 过坯料的强度极限所致。 这种缺陷多产生于高合金钢和高温合金加热中 石  状 断  口  在纤维断口基体上,呈现不同取 向、无金属光泽、灰白色粒状断面。石状断口多发生于锻件的表面部分。  它是由严重过热引起的。该断面相当于钢过热时形成的粗大奥氏体晶界面。 钢料过热后冷却时MnS等异相质点沿粗大奥氏体晶界析出。当钢由于调质使基 体的韧性增强后折断时,则断裂沿原来的奥氏体晶界 面发生。这样,在纤维状断口基体上就呈现出许多小平面,形成石状断口。  严重的石状断口不能用普通的热处理方法加以改善,具有石状断口的锻件的冲击值下降。
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名  称  主  要  特  征  产  生  原  因  及  影  响  脱  碳 锻件表层的含碳量较内部明显降低,在高倍组织上表层渗碳体的数 量减少,在机械性能上表层的硬度或 强度下降。  金属在高温下表层的碳被氧化。脱碳层的深度与钢的成分、炉气成分、温度和在此温度下的保温时间有关。采用氧化性气氛加热易发生脱碳,高速钢易脱碳,含硅量 多的钢也易脱碳。  脱碳零件的强度和疲劳性能下降,磨损抗力减弱。  增  碳 经油炉加热的锻件,其表或部分表面发生增碳现象。有时增碳层厚度达1.5~ 1.6mm,增碳层含碳量达1%左右,局部点含碳 量甚至超过2%,出现莱氏体组织. 坯料在油炉里加热时,两个喷油嘴的喷射交叉区得不到充分燃烧,造成渗碳气氛,或喷嘴雾化不良喷出油滴,使锻炼件的表面出现增碳现象.  增碳使锻件的机械加工性能变坏,切削时易打刀.  9Cr18不锈钢轴承链状碳化 物 9Cr18不锈钢锻造及退火后出现孪晶组织,而且退火组织中一次碳化物沿孪晶线呈链状析出。  锻造加热温度超过1160℃是出现孪晶及退火后出现链状碳化物的原因。  链状碳化物析出使钢的冲击韧性下降(这种缺陷属于稳定过热)。  热透不足引起心部开裂  心部开裂常在坯料的头部,其开裂深度与加热和锻造有关,有时裂纹贯穿整个坯料。  锻造高合金钢时,坯料在高温区加热到锻造温度后,保温时间不足,坯料未热透,坯料内部温度低,外部温度高。锻造时,外部温度高,塑性好、变形大,而内部温 度低,塑性差,变形小,甚至没有变形。由于严重的不均匀变形,引起金属坯料心部开裂。 铝合金锻件表面气泡 在水中铲除气泡表层,可发现气 泡内有气体逸出。在气泡内壁上灰黑色的、类似燃烧后的产物,如同树木的年轮。气泡内壁不是撕裂的断口, 而是呈波纹的光滑表面。 1.由挤压坯料表面气泡带来的。  2.在高温下加热(热处理或锻造加热跑温)时,铝合金,特别是含镁量高的铝合金与炉内水蒸气发生作用形成的。
  3.火焰炉炉气中存在有硫,或者电炉中加热时锻件表面残留有含硫的润滑剂。  锻造工艺不当产生的缺陷  名  称 主  要  特  征 产  生  原  因  及  影  响  大晶粒  在锻件低倍上晶粒粗大。  始锻温度过高和变形程度不足;终锻温度过高;变形程度落入临界变形区;铝合金变形程度过大,形成织构;高合金变形温度过低,形成混合变形组织等,均能形成 粗大晶粒。  粗晶使锻件的塑性、韧性降低,疲劳性能明显下降。  晶  粒 不均匀  锻件某些部位的晶粒特别粗大,某些部位却较小,形成整个锻炼件内部晶粒大小不均。  耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感。  变形不均匀使晶粒破碎不一,或局部区域变形程度落入临界变形区,高温合金局部加热硬化,淬火加热时局部晶粒粗大。  晶粒不均匀使锻件的持久性能、疲劳性能等明显下降。  冷 硬现  象  热锻后锻炼件内仍部分保留冷变形组织,锻件的强度和硬度比正常热锻的要高,而塑性和韧性下降。  变形时温度偏低或变形速度太快,以及锻后冷却过快,以致再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化(硬化),从而出现热加工后的冷硬现象。  脱碳层堆  积  锻件上局部地方脱碳层堆积,硬度低于正常组织部位的硬度。  这种缺陷是由于锻造工艺不当引起的。例如,圆棒料拔长时由于锤击过重,压下量过大,翻转90°压缩时形成双鼓形,再拔长时,双鼓形成的金属一部分向外流 动,增加宽度,一部分金属向中心流动,因而形成中心区的脱碳层的堆积现象。  十字  裂  纹  裂纹沿锻件横断面的对角线方向分布,其长度不一,有时 可能完全贯穿整个坯料。这种缺 陷在低塑料性的高速钢、高铬钢的拔长工序中常出现。  这是在反复对坯料进行翻转发90°的拔长过程中,送进量过大,且在同一处反复重击造成的。矩形断面坯料在平砧下拔长时,对角线两侧金属进行剧烈的交错流 动,产生很大的交变剪切,当切变程度或切变应力超过材料允许的数值时,便沿对角线方向产生裂纹。
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名  称  主  要  特  征  产  生  原  因  及  影  响  龟  裂  锻炼件表面出现较浅的龟状裂纹。  1.原材料含Cu、Sn等易熔元素量过多;  2.高温长时间加热时,钢表面铜析出、表面晶粒粗大、脱碳,或经多次加热的表面; 3.燃料中含硫量过高;  4.锻件形成中受拉应力的表面(例如,未充满的凸出部分或受弯曲的部分)最容易产生这种缺陷。  飞 边 裂  纹  模锻及切边时,在分模面处 产生的裂纹。  在模锻操作中,由于重击使金属强烈流动产生穿筋现象;镁合金模锻件切边温度过低;铜合金模锻件切边温度过高。  分模面 裂 纹  锻件沿分模面开裂。 原材料非金属夹杂物多,锻造时向分模面流动 与集中,或轧制过的原材料缩孔或疏松的边缘挤入 飞边后形成。  孔 边龟  裂 在冲孔边缘有龟裂或裂纹,铬钢冲孔时出现较多。 主要是冲孔芯子没有预热、预热不够或冲孔变形太大造成。  裂  纹  锻炼件的完整性被破坏。 1.坯料表面和内部有微裂纹,锻造时进一步扩展; 2.坯料内存在组织缺陷或热加工温度不当,使材料塑性下降;  3.锻造时存在较大的拉应力、剪应力或附加拉应力; 4.变形速度过快,变形程度过大。  锻 造 折  迭 折纹与金属流线方向一致,折纹 尾端一般呈小圆角。但随后锻造变形又会使折迭发生开裂,使折纹的尾端 呈尖角形。一般折纹两侧有较重的氧 化脱碳现象,在个别情况下也有发生 增碳现象。  折迭是金属变形过程式中已氧化过的表层金属汇合在一起而形成的。与原材料和坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况及锻造的实际操作等有关。折 迭不仅减少了零件的承载面积,而且工作时由于此处的应力集中往往成为疲劳源。  穿  流 穿流是流线分布不当的一种形式。在穿流区,原先成一定角度 分布的流线汇合在一起。穿流区 内。外晶粒大小常常相差较悬殊  穿流产生的原因与折迭相似,它是由两股金属或一股金属带着另一股金属汇流而形成的,但穿流部分的金属仍是一整体。  穿流使锻件的机械性能降低,尤其当穿流带两侧晶粒相差较悬殊时,性能降低较明显。  锻件流线分布不  当 在锻件低倍上发生流线切断、回流、涡流等流线紊乱现象。 1.模具设计不当或锻造方法选择不合理,预制 毛坯流线紊乱; 2.操作不当及模具磨损使金属产生不均匀流 动。  带 状组  织 铁素体和珠光体、铁素体和奥氏体、铁素体和贝氏体以及铁素体和马氏体在锻件中呈带状分布的一种组 织,它们多出现在亚共析钢、奥氏体 钢和半马氏体钢中。  这种组织,是在两相共存的情况下锻造变形产生的;  带状组织能降低材料的横向塑性指标,特别是 冲击韧性。在锻造或零件工作时常易沿铁素体带或两相交界处开裂 。  剪切带 锻件横向低倍上出现波浪 状的细晶区,多出现在钛合金和低温锻造的高温合金锻件中。  由于钛合金和高温合金对激冷敏感性大,在模锻过程中,坯料接触表面附近难变形区逐步扩大,在难变形区间发生强烈剪切变形所致。结果形成了强烈的方向性,使 锻 炼件性能降低。  碳化物偏析级别不符合要求 碳化物分布不均匀 ,呈大块状集中分布或呈网状分布。这种缺陷主要出现于莱氏体工模具钢中。  原材料碳化物偏析级别差,加之改锻时锻比不够或锻造方法不当;  具有这种缺陷的锻件,热处理淬火时容易局部过热和淬裂。制成的刃具和模具使用时易崩刃等。  锻造组 织残留 在锻件组织中,存在有铸态组织。主要是出在用铸锭作坯料的锻件中。铸态组织主要残留在锻件的困难变形 区  锻比不够和锻造方法不当。这种缺陷使锻件的性能下降,尤其是冲击韧性和疲劳性能等。
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名  称  主  要  特  征 产  生  原  因  及  影  响  铜合金锻件应力腐蚀 开 裂(季裂) 主要产生于含锌的黄铜中。低倍和高倍观察表明,裂纹的扩展呈树枝状形态。  锻造时变形不均匀,锻后又未及时退火,使锻件内存在残余应力; 存在残余应力的锻件,在潮湿的空气中,特别是在含 氨盐的大气中放置时会引起应力腐蚀开裂 。
锻后冷却不当产生的缺陷  名  称 主  要  特  征 产  生  原  因  及  影  响  冷 却 裂  纹 裂纹光滑细长。在圆形截面的锻件中有时裂纹呈圆形。 冷却太快,产生较大的热应力或组织转变引起的组织应力(例如:马氏体钢冷却过快发生马氏体的激烈转变, 往往产生裂纹),使锻件出现裂纹。 网 状碳化物  碳化物沿晶界呈网状析出。 在含碳量高的钢中常见。  由于停锻温度高,冷却速度过慢,造成碳化物沿晶界析出(例如:轴承钢在870~770℃缓冷,则碳化物沿晶界析出)。网状碳化物在热处理时易引起淬火裂 纹。另外,它还使零件的使用性能变坏
锻后热处理工艺不当产生的缺陷  名  称 主  要  特  征 产  生  原  因  及  影  响  硬度过高或硬度不够  硬度不符合规定要求(硬度 不够或过高)。  淬火温度太低,淬火加热时间太短、回火温高太高、多次加热引起表面严重脱碳、钢的化学成分不合格等,皆会造成硬度不够 。正火后冷却太快,正火或回火加热泪盈 眶时间太短,或钢的化学成分不合格,则能造成硬度过高。  硬 度不  均 在同一锻件的几个不同部位测得的硬度相差很大。 热处理工艺不当(一次装炉太多,保温时间太 短)或加热引起局部脱碳等。
清 理 时 产 生 的 缺 陷  名  称 主  要  特  征 产      生      原      因    酸 洗过  度  锻件表面呈疏松多孔状。  酸的浓度过高和锻件在酸洗槽中停留时间太长,或由于锻件表面酸洗不净,酸液残留在锻件表面上。 腐 蚀 裂  纹 马氏体不锈钢锻件酸洗清除氧化皮后,有时发现表面有细小网状裂纹。高倍观察表 明,裂纹沿晶界扩展,呈树枝状形态。  锻后残余应力未消除。   三、锻件质量检验的内容和锻件质量分析的方法  (一)锻件质量检验的内容:  锻件质量检验的目的,在于保证锻件质量符合锻件的技术标准,以满足产品的设计和使用要求。检验内容包括:锻件尺寸、形状、表面质量和内部质量等几个方面。 这里重点讲内部质量。  根据零件的受力情况、重要程度、工作条件以及材料和冶金工艺的不同,锻件按不同类别进行检验。各工业部门对锻件分类、检验项目和质量要求不尽相同,有些部 门将锻件分为三类,有些部门将锻件分为四类或五类。见下表:  
结构钢、耐热不锈钢锻件质量检验要求  类别  热处理 状 态 检    验   项   目   和   数   量  表面质量和 几何 尺寸  材料 牌号 硬      度 机   械  性   能  低  倍  断 口  晶粒度  Ⅰ  预备 100%检验当能确保质量时,模锻件的几何尺寸允许抽检 100% 检验  每热处理炉抽检10%,但不少于3件。 每熔批抽检1件。 每熔批抽检1件。  每熔批抽检1件在本体上检验,其余100%在专用余料上检验。 每熔批抽检1 件 。 最终  100%  每熔批抽检1件在本体上检验,其余 100%在专用余料上 检验。  Ⅱ  预备 每热处理炉抽检10%,但不少于3件。 每熔批抽检1件。 每熔批抽检1件。  按需要每熔批抽检1件。 需要化学热处理的零件和有 需要的其他零件,每熔批抽检1件。  最终  100% 每熔批抽检1件或 在试样上检验。
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类别  热处理 状 态  检    验   项   目   和   数   量  表面质量和 几何 尺寸  材料 牌号 硬      度 机   械  性   能  低  倍  断 口 晶粒度  Ⅲ  预备  100%检验当能确保质量时,模锻件的几何尺寸允许抽检  100% 检验  每热处理炉抽检 不检验  首批生产或改 变主导工艺 时,抽一件检验金属流线和工艺缺陷。  不检验 按需要  5~10%,但不少于3件。  最终 100%  Ⅳ  预备 每热处理炉抽检 5~10%,但不少于3件。  不检验 不检验。 不检验 按需要  最终  每热处理炉抽检 10%,但不少于3件。若有1件不合格,则100%检验。  注:1.各类锻件,不论有无断口检验要求,当怀疑锻件过热时,应增加断口检验。奥氏体钢不检验断口。  2.各类锻件另有检验要求时,按专用技术条件文件规定进行检验。  下面就不同材料和不同规格锻件的质量检验内容和有关措施作一简要介绍: 1.材料类型不同,检验项目不同  对一般钢锻件,都是在预备热处理状态切取试样,经规定的热处理后,检验机械性能、断口和晶粒度。对于奥氏体钢、高温合金、铝合金、镁合金、钛合金和铜合金 锻件,是在最终热处理状态的锻件上直接取样,检验机械性能和低倍等。  对一般钢锻件,只能做常温拉力、冲击两项试验。对于高温合金锻件,要作高温性能试验。对高温合金、铝合金、镁合金、铜合金锻件,一般不作冲击试验。  对奥氏体钢、高温合金锻件,一般不作冲击试验。  对合金结构钢锻件,要作本质晶粒度检验。对其他材料锻件,要作实际晶粒度检验。对零件不进行化学热处理的合金结构钢锻件,也多作实际晶粒度检验。对高温合 金、奥氏体钢、铝合金、镁合金、钛合金锻件,要检查晶粒度。对工具钢、不锈钢、钛合金、铝合金、碳钢、低碳合金结构钢锻件,要检查高倍组织。  另外,对于某些重要的耐热不锈钢锻件,要作晶间腐蚀检验。对于磁性材料锻件,要作导磁、导电性能检验。  2.锻件规格不同,检验项目不同  水压机生产的大型自由锻件与一般锻件相比,其检验特点是: ⑴除了检验机械性能外,还要作残余应力测试和冷弯试验;  ⑵大型自由锻件,多半由钢锭直接成形。锻件检验也是材料的质量检验,要作化学成分和横向低倍检验,而一般中小锻件的化学成分分析在原材料检验时进行,锻件 要作纵向低倍分析,检验流线分布;  ⑶大型锻件要留试验余料,进行逐件检验。而对于中小型锻件,只按熔批破坏锻件抽检; ⑷对锻件要逐件进行超声波探伤,检验内部缺陷。  近年来,锻件的无损检验获得了日益广泛的应用,它主要包括超声、磁力探伤、表面腐蚀检验等。  3.确保锻件质量的一些措施  由上述可见,锻件检验具有抽检性质。抽样合格,则表示整个验收的锻件合格。其次,锻件类别不同,检验项目也不同。例如,上表中Ⅲ、Ⅳ类锻件不作机械性能、 断口和高倍检验。这不是由于这些锻件设计上没有机械性能要求,也不能认为这些锻件允许过热过烧,只是因为采用一定的措施,能够避免过多的检验工序,而又能 保证锻件质量,满足使用要求。那么,如何保证锻件质量,使抽检具有代表性呢?这就要求在锻件技术标准、生产工艺和技术管理制度上,都有相应措施加以配合。 关于这方面的内容,不同工厂不完全一样,但大致包括:
 11  ⑴原材料复验制度  ⒈锻件技术标准规定,原材料需要按熔炼炉号进行复验,合格后才能投产;
⒉原材料进行头部管理和超声波检验。所谓头部管理,是指在原材钢锭冒口一端需打有特殊
标记。材料复验时,从冒口端取样检验。若冒口端原材料检验合格,则其余部分质量一般不会有
问 题。  超声波检验是指对原材料进行逐根超声波探伤,检验内部冶金缺陷,保证投产的原材料质量符合标准。将冶金缺陷暴露在投产之前,这不仅是经济的,并且与在锻件 上探伤检验相比,更为简便、准确。  ⑵锻件定型和更改制度  ⒈锻件工艺定型后才能投入批量生产。锻件工艺就是锻造工艺规程,是指原材料从下料开始,经锻造、热处理、至锻件切削加工之前的全部过程。定型时,锻件的检 验项目比上表多,包括不同部位、不同方向的取样和锻造工艺可能影响到的质量项目。对于重要的和形状复杂的锻件,还需经试加工和产品使用通过后才能工艺定 型。  ⒉保证定型工艺的稳定性,不得随意更改。工艺定型后,必须严格贯彻执行,若要更改,需经研究批准。在锻件转厂生产或改变主导工艺时,应区别情况,重新鉴定 和定型。  为了改进工艺,积累经验和检验锻件工艺的稳定性,可进行工艺性专门检验。一般是定期进行一次或每生产一定数量的锻件后进行一次。工艺性专门检验的试验项 目、取样部位和数量,较正常检验的规定为多。  ⑶生产中合理组批  锻件每批验收,应由同一图号、同一熔炼炉号和同一产批号的锻件组成。以最终热处理状态供应的锻件,还应有同一热处理炉次的锻件组成。简称“三同”和“四 同”。  这种组批是从影响锻件质量的因素出发确定的。因此,同一图号,有相同的锻造工艺;同一熔炼炉号,有相同的冶炼基础和对锻造工艺相同的敏感性;同一投产批号 和同一热处理炉次,则有相同的锻造和热处理条件。这种组批是合理的,也是最严格的。实际生产中,应从材料质量和锻造质量的稳定性、锻件类别和方便生产等情 况出发,在保证锻件质量和保证抽检具有代表性的前提下,允许适当放宽组批条件  (二)锻件质量分析的方法 ⒈锻件质量分析的一般过程  锻件的质量问题可能发生在锻造生产,反应在热处理、机械加工过程中或使用过程中,它可能是由于某一生产环节的疏忽或工艺不当而引起,也可能是由于设计和选 材不当而造成,有时也可能是因使用及维护不当所致。对于使用过程中由锻造制成的机械零件所产生的缺陷和损坏,除需要查明是否锻件本身质量问题引起以外,还 需要弄清楚零件的使用受力条件、工作部位与环境以及使用维护是否得当等情况,只有在排除了零件设计、选材、热处理、机械加工及使用等方面的因素之后,才能 集中力量从锻件本身质量上寻找缺陷和损坏产生的原因。  锻件缺陷的形成原因也是多方面的,依据缺陷的宏观与微观的特征可以得出初步的印象,即缺陷纯属锻造工艺因素引起还是与原材料质量有关,是制定的工艺规程不 合理还是执行工艺不当所致,确切的结论只有在经过细致的试验分析后才能作出。  关于锻件缺陷:
⒈有的表现在锻件外观方面:如外部裂纹、折迭、折皱、未充满或缺肉、压坑、表面粗糙或桔皮等;
⒉有的表现在锻件内部:如各种低倍组织缺陷,如裂纹、发纹、疏松、粗晶、表面脱碳、非金属夹杂和异金属夹杂、白点、偏析、树枝状结晶、缩管残余、流线紊乱、有色金属的穿流、粗晶环、氧化膜等;http://www.forging1.com


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