锻造缺陷的产生机理、识别及预防.ppt

锻造缺陷的产生机理、识别和预防、齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，一、原材料的主要缺陷和由此引起的锻造缺陷锻造用原材料为铸锭、轧制材料、挤压材料和锻造材料。 轧制材、挤压材及锻造材分别是对锭进行轧制、挤压及锻造加工而成的半成品. 一般来说，铸锭内部缺陷和表面缺陷的发生是不可避免的。 例如，内部成分和组织偏析等。 原材料中存在的各种缺陷不仅影响锻件的成形，也影响锻件的最终质量。 据不完全统计，航空工业系统导致航空锻件废弃的许多原因中，原材料固有缺陷所造成的占约一半。 因此，不能忽视原材料的质量管理。 原材料缺陷引起的锻件缺陷，通常为1 .表面裂纹2 .折叠3 .瘢痕4 .层状切口5 .亮线(明区)6.非金属夹杂7 .碳化物偏析8 .铝合金氧化膜9 .白点10 .粗晶环11 .缩管残差，1 .表面裂纹多发生在轧制棒材和锻造棒材上，一般为直线这种缺陷的原因很多，例如钢锭内的皮下气泡在轧制时一边沿变形方向延伸一边露出表面，向内部深处发展。 另外，如果轧制时布料表面受到损伤，冷却时应力会集中，有可能沿着伤痕破裂等。 如果在锻造前不消除这种裂纹，锻造时就有可能发展，引起锻件的裂纹。 2 .折叠形成的原因是金属材料在轧制中，辊上的模槽的定径不正确，或者在模槽磨损面产生的毛刺被卷入轧制时，形成了与材料表面形成一定倾斜角的折痕。 钢材的折痕内有氧化铁，周围有脱碳。 如果在锻造前不取下折叠，可能会引起锻件的折叠和裂纹。 3 .伤痕是轧制材料表面的一部分区域可剥离的薄膜。 伤痕的形成是铸造时钢水飞散而在钢锭表面凝结，轧制时被薄膜化，贴在轧制材料表面的所谓伤痕。 锻造后锻造品用酸洗清洗时，薄膜剥落，成为锻造品的表面缺陷。 4 .被切成层状的层状的切口的特征，与其切口和截面折断的石板、树皮很相似。 层状切口多由合金钢(铬镍钢、铬镍钨钢等)产生，在碳钢中也被发现。 该缺陷的产生是由于钢中存在的非金属夹杂物、枝晶偏析、气孔孔隙等缺陷，在锻造、轧制的过程中沿轧制方向延伸，使钢材成为层状。 杂质过多的话，锻造有层裂的危险。 层状断口越严重，钢的塑性、韧性越差，特别是横向力学性能低，因此钢材具有明显的层片状缺陷不合格，6 .非金属夹杂物主要是在熔炼或铸造的钢水冷却过程中由成分间或金属与炉气、容器间的化学反应形成的。 另外，金属熔炼或铸造时，耐火物会掉落到钢水中，因此有时会形成夹杂物，将该夹杂物组合起来夹住炉渣。 在锻件的横截面中，非金属夹杂可分布成点状、板状、链状或块状。 严重的夹杂物容易降低锻件的裂纹和材料的使用性能。 5 .辉线(辉线区)辉线是在纵向切口处结晶发光，具有反射力的细线，多贯穿切口整体，多产生于轴心部分。 亮线主要是由合金偏析引起的。 轻亮线对力学性能影响不大，严重亮线能显着降低材料的塑性和韧性。 非金属夹杂物主要是在熔炼和铸造的钢水冷却过程中由成分间、金属与炉气、容器间的化学反应形成的。 另外，金属熔炼或铸造时，耐火物会掉落到钢水中，因此有时会形成夹杂物，将该夹杂物组合起来夹住炉渣。 在锻件的横截面中，非金属夹杂可分布成点状、板状、链状或块状。 严重的夹杂物容易降低锻件的裂纹和材料的使用性能。7 .碳化物偏析碳化物偏析经常出现在含碳的高合金钢中。 其特征是局部区域聚集了很多碳化物。 这主要是因为钢中的莱氏体共晶碳化物和二次网状碳化物，在开块和轧制时不破裂或均匀分布。 碳化物偏析降低了钢的锻造变形性能，容易引起锻件的裂纹。 锻件热处理淬火时容易发生局部过热、过烧、淬火裂纹。 制作好的工具在使用时刀尖容易崩溃。 8 .铝合金氧化膜铝合金氧化膜一般位于模锻件网上和分离面附近。 低倍组织有微细的裂缝，高倍组织呈漩涡状，切口特征可分为两类。 一种是平坦的板状，颜色为银灰色，淡黄色到褐色，暗褐色。其二，呈现出细小密集的光斑。 铝合金的氧化膜是将熔化铸造中露出的体液面与大气中的水蒸气或其他金属氧化物相互作用时形成的氧化膜，在熔化铸造中卷入液体金属的内部而形成的。 锻件和模锻件中的氧化膜对纵向力学性能没有明显的影响，但对高度方向力学性能影响很大，降低了高度方向的强度性能，特别是高度方向的延伸率、冲击韧性和高度方向的耐腐蚀性能。 白点是锻件冷却过程中产生的内部缺陷。 钢锭纵向裂口有圆形椭圆形的银白色斑点。 合金钢白点的颜色明亮，碳钢暗。 白色斑点的平均直径从几毫米到几十毫米。 照片1-1是时轮锻件纵剖面上的白点。 钢坯横方向的切断口呈白点细的龟裂(图1-2 )。 从微观组织来看，在白点附近没有发现塑性变形痕。 因此，白点纯粹是脆性的。 9 .白点的主要特征是，钢片纵裂口呈圆形或椭圆形的银白色斑点，横裂口呈细裂纹。 白点的大小不同，长度在120mm以上。 白点在镍铬钢、镍铬钼钢等合金钢中很常见，在普通的碳钢中也发现，是内部隐藏的缺陷。 白点是由于氢和相变时的组织应力和热应力的共同作用而产生的，钢中的氢含量多，热压加工后的冷却(或锻造后的热处理)太快就容易产生。 用带白点的钢锻造的锻件，在热处理时(淬火)容易产生龟裂，有时会变成块状掉落。 白点降低了钢的塑性和零件的强度，是应力集中点，像尖锐的手术刀一样，在交变负荷下会产生疲劳裂纹，容易引起疲劳破坏。 锻造材料上绝对不允许白点。(一)白点对钢力学性能的影响白点的存在对钢的性能产生极坏的影响。 它使钢的力学性能降低，热处理淬火时零件破裂，使用时零件断裂。 白点对钢力学性能的影响与采样的位置和方向有很大关系。 样品轴线平行于白点分布时，力学性能的下降可能不明显。样品轴线垂直于白点分布时，力学性能显着下降，尤其是塑性指针和冲击韧性的下降显着。 表1-1是白点对铬、镍、钼结构钢钢坯力学性能的影响；表1-2是白点对22CrMnMo钢齿轮轴的力学性能的影响。白点是应力集中点，所以在交变和反复载荷的作用下，经常成为疲劳源，导致零件的疲劳破坏。 国外电站设备曾因转子和叶轮上有白点而发生重大事故。 因此，白点是不可容许的缺陷。 最近的数据显示，白点不太严重的钢材，在适当的温度和应力状态下，锻比足够大时，就能接合白点焊。 白点多在珠光体和马氏体系合金钢中发生，碳钢的程度较轻，在奥氏体和铁素体系钢中几乎没有发现白点，在石系合金钢中也没有发现白点。 锻件尺寸越大，越容易形成白点。 因此，在锻造白点敏感性钢的大型锻件时应该特别注意，例如电站的转子和叶轮锻件等。 关于白点形成的原因与白点形成相关的理论很多。然而，比较有说服力，实践证明白点是钢中氢和组织应力共同作用的结果。 这里的组织应力是指奥氏体变化为马氏体和珠光体时所产生的内部应力。 没有一定数量的氢和显着的组织应力，不能形成白点。 但是，如果只是氢含量高，组织应力不大，一般就不会出现白点。 例如，单相奥氏体和铁素体系钢，因为没有相变的组织应力，所以几乎不出现白点。 氢和组织应力是如何形成白点的呢？ 现在，对这些问题的认识是：1)钢中含有氢时，会降低钢的塑性。 氢含量达到某一数值时，塑性急剧下降，引起氢脆现象。 特别是钢内存在长时间应力时，氢向应力集中部扩散(溶解于间隙的氢原子有受到拉伸应力而集中于晶格的倾向)，使塑性几乎降低为零。 应力足够大时会发生脆性破坏。 例如，25Cr2Ni2Mo钢含有14.5cm3/100g的氢的情况下，在900下进行正火，在600下回火后的增长率降低到0.6%，截面收缩率降低到14.5cm3/100g的情况下，淬火20钢含有170cm3/100g氢的情况下，退火状态的伸长率降低到0.2%，截面收缩率为0； 含有12.76cm3/100g的氢的情况下，淬火状态的伸长率和截面收缩率都下降到02)炼钢时吸收到钢水中的氢，钢块凝固后溶解度减少而析出。 图1-3是氢对铁的溶解度曲线。 无法从钢锭表面脱离，存在于钢锭内部的空隙中。 冲压加工前加热的话，氢会溶解于钢中，在冲压加工后的冷却过程中奥氏体的分解和温度降低，因此钢中的氢溶解度减少，氢原子从固溶体析出到钢坯内部的微观空隙中。 氢原子在这里结合成分子状态，产生相当大的压力(钢中的氢含量为0.001%，温度为400时，该压力达到1200MPa以上)。 另外，氢与钢中的碳反应形成甲烷(CH4 )，引起了大的分子压力。 这被证实为白点表面存在脱碳现象3 )钢锭在冷却过程中，相变引起的组织应力在一定条件下能达到相当大的数值(树枝状偏析严重，冷却速度越快，淬火性越好，钢组织应力越大)。 因此，钢的氢脆性失去塑性，在组织应力和氢析出引起的内部应力的共同作用下，钢发生了脆性破坏，形成了白点。 冲压加工中的不均匀变形也影响了附加应力和冷却时热应力的白点形成。 因为、铸钢内部有很多大的空隙，即使氢析出也不会引起大的内部应力，所以白点不敏感。 铁氧体和奥氏体钢冷却时没有相变，没有组织应力，所以一般也不出现白点。 莱氏体钢在冷却时有很大的组织应力，但由于氢在这些钢中形成稳定的氢化物，以及复杂的碳化物阻碍氢的析出等原因，也有可能不产生白点。 白点常常发生在锻件冷却到室温后几个小时或几十小时，甚至更长的时间后。 例如，在160mm的马氏体合金结构钢角坯中，冷却后12、24、48h没有发现白点，直到72h为止都没有发现白点。 另外，在白点开始产生后，在之后的冷却和放置期间，新的白点继续扩大和产生。 因此，白点的检查在冷却后再隔一段时间进行。 (3)防止白点的产生对策白点主要是由于钢中的氢和组织应力的共同作用，所以如果设法去除氢和组织应力的去除，就能够避免白点的产生。 其中首先应该除去氢。 最彻底的方法是从熔炼技术开始，将钢中的氢含量减少到不发生白点的程度。 严格控制炼钢工作流程，采用真空浇注等是有效的措施。 如果炼钢过程中氢含量不能控制在2cm3/100g以下，锻造后必须采用合理的除氢冷却规范，锻造后决不允许空冷到室温。如果冲压加工后的钢材上不存在白点，今后用这些钢锭锻造的锻件就不会出现白点。 因此，锻造的重要问题是制定合理的锻造后冷却规范。 为了消除白点，制定冷却规范的主要原则是：在尽可能降低各应力(相变组织应力、变形残馀应力、冷却温度应力等)的条件下，在氢扩散速度最快的温度区间，长时间保温，使氢从钢锭中充分扩散。 具体措施是采用等温退火。 在马氏体钢中，等温相变时，两个温度区的奥氏体稳定性小，分解速度最快。 一个是600620(保温15h奥氏体能分解的20% )； 另一个是280320(16分钟以内奥氏体能分解的95% )。 实验证明，这两个奥氏体的分解在比较快的温度范围内，氢扩散速度也是最快的。 图1-4是氢的扩散速度和温度的关系曲线。 体心立方晶格的铁氧体比面心立方晶格的奥氏体能溶解的氢少。 在600620下长时间保温，进行等温退火时，钢的塑性好，同时温度应力、相变应力小，安全，但时间长。 在280320进行等温退火，奥氏体分解快，所需时间短，但相变应力和温度应力大，材料塑性低，对大的锻件，难以控制就容易裂开。 另外，在大截面的锻件中，中心部的氢也难以扩散。 因此，铬钼钢的大锻件一般采用起伏的冷却规范，能充分去除氢，尽可能减小应力，提高效率。图1-5是34CrNiMo1030mm转子锻件的冷却曲线。 该曲线的主要特征是：锻造后保持一段时间，使锻件内外温度均匀，消除变形不均匀引起的残馀应力和冷却时的温度应力。 然后，缓冷至比马氏体相变开始温度Ms稍高时，奥氏体不是分解成脆性马氏体，而是用韧性好的贝氏体，在相变应力小、比Ms稍高的位置保持一段时间，使奥氏体充分分解，使氢充分但是，因为温度低，氢析出的只是表面，锻造品的中心部分还残留有很多的氢将锻造品加热到再结晶温度以上，保温，使氢从含量多的心部扩散到含量少的表面，即使氢含量沿截面均匀分布，也能通过再结晶的作用使锻造品的晶粒微细化为了为最终热处理创造良好条件再次缓冷到Ms点以上，氢从表面扩散，中心部分剩下的为了把组织全部变成索体，将锻造品加热到600650充分保温，使奥氏体充分分解，另一方面，尽可能使中心的氢扩散到表面。34CrNi3Mo钢由于白点敏感，而且转子锻件的截面大，所以工艺复杂。 对于其他锻件，冷却曲线应根据钢种和尺寸具体决定。 珠光体系钢锻造品在锻造后冷却到Ac1以下50150，将奥氏体分解为珠光体，加热到Ac1以下2050，长时间保温(根据锻造品的尺寸，在保温中充分地消除组织应力，释放氢)后，逐渐冷却锻造后冷却至Ac1以下50150，再保温至Ac3以上2030(过共析钢为Ac1以上2030)，再长时间保温至Ac1以下5060，之后逐渐冷却。 奥氏体变成珠光体时，在接近Ac1的地方保温的话，氢会快速地去除。 10 .粗晶环粗晶环多是铝合金或镁合金挤压棒材中存在的缺陷。 热处理供给的铝、镁合金的挤压棒材，在其圆截面外侧经常有粗结晶环。 粗晶环的厚度从冲压时的始端到终端逐渐增加。 如果挤出时的润滑条件良好，热处理后可以减少或避免粗结晶环。 相反，环的厚度增加。 粗晶环的产生原因与多种因素有关。 但是，主要原因是挤出过程中金属和挤出筒之间产生的摩擦。 由于这种摩擦，挤出棒材横截面表层的晶粒比棒材中心的晶粒破碎程度大得多。但是，受筒壁的影响，该地区温度低，压制时不能完全再结晶，淬火加热时未再结晶的晶粒再结晶生长，吞下再结晶的晶粒后，在表层形成粗结晶环。 有粗结晶环的原材料在锻造时容易裂纹，如果粗结晶残留在锻造品的表层，零件的性能会降低。 有粗结晶环缺陷的原材料，锻造前必须走粗结晶环车。 11 .缩管残管是因为一般在钢锭的冒口部分产生的集中收缩孔没有被切