原材料的主要缺陷及其引起的鍛件缺陷

1、一、原材料的主要缺陷及其引起的鍛件缺陷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,鑄錠的內部缺陷或表面缺陷的出現(xiàn)有時是不可避免的。例如,內部的成分與組織偏析等。原材料存在的各種缺陷,不僅會影響鍛件的成形,而且將影響鍛件的最終質量。根據(jù)不完全的統(tǒng)計,在航空工業(yè)系統(tǒng)中,導致航空鍛件報廢的諸多原因中,由于原材料固有缺陷引起的約占一半左右。因此,千萬不可忽視原材料的質量控制工作。由于原材料的缺陷造成的鍛件缺陷通常有:1.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

2、,例如鋼錠內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部深處發(fā)展。又如在軋制時,坯料的表面如被劃傷,意氣消沉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。2.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,或因型槽磨損面產生的毛刺在軋制時被卷滲入滲出,形成和材料表面成一定傾角的折縫。對鋼材,折縫內有氧化鐵夾雜,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。3.結疤結疤是在軋材表面局部區(qū)域的一層可剝落的薄膜。結疤的形成是由于澆鑄時鋼液飛濺而凝結在鋼錠表面,軋制時被壓成薄膜,貼附在軋材的表面

3、,即為結疤。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。4.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。5.亮線(亮區(qū)亮線是在縱向斷口上呈現(xiàn)結晶發(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

4、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。6.非金屬夾雜非金屬夾雜物主要是熔煉或澆鑄的鋼水意氣消沉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。7.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。

5、鍛件暖處理淬火時容易局部過熱、過燒和淬裂。制成的刀具使用時刃口易崩裂。8.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鑄過程中被卷人液體金屬的內部形成的。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。9.白點

6、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120mm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),是隱藏在內部的缺陷。白點是在氫和相變時的組織應力以及暖應力的共同作用下產生的,當鋼中含氫量較多和熱壓力加工后冷卻(或鍛后暖處理太快時較易產生。用帶有白點的鋼鍛造出來的鍛件,在暖處理時(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。關于白點的詳細介紹請見第三章第七節(jié)和實例97

7、。10.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,則在暖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)的產生原因與很多因素有關。但主要因素是由于擠壓過程中金屬與擠壓筒之間產生的摩擦。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晶,淬火加熱時未再結晶的晶粒再結晶并長大吞并已經(jīng)再結晶的晶粒,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

8、在鍛件表層,則將降低零件的性能,見實例76。有粗晶環(huán)缺陷的坯料,在鍛造前必需將粗晶環(huán)車去。11.縮管殘余縮管殘余一般是由于鋼錠冒口部分產生的集中縮孔未切除干凈,開坯和軋制時殘留在鋼材內部而產生的?？s管殘余四周區(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。二、備料不當產生的缺陷及其對鍛件的影響備料不當產生的缺陷有以下幾種。1.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。2.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

9、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暖、過燒,鍛造時易產生折疊和開裂。3.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,產生二次剪切,結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生折疊和開裂。4.端部裂紋在意氣消沉態(tài)剪切大斷面合金鋼和高碳鋼棒料時,常常在剪切后34h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,這時材料中產生了很大的內應力。而壓扁的端面力求恢復原來的形狀,在內應力的作用下則常在切料后的幾小時內

10、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生剪切裂紋。有端部裂紋的坯料,鍛造時裂紋將進一步擴展。5.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,氣割時產生組織應力和暖應力引起的。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。6.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,意氣消沉卻慢,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。三、加熱工藝不當常產生的缺陷加熱不當所產生的缺陷可分為

11、:由于介質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。由內部組織結構的異常變化引起的缺陷,如過熱、過燒和未熱透等。由于溫度在坯料內部分布不均,引起內應力(如溫度應力、組織應力過大而產生的坯料開裂等。下面介紹其中幾種常見的缺陷,其余的可見有關的實例。1.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。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。2.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

12、現(xiàn)象。有時增碳層厚度達1.51.6mm,增碳層的含碳量達1%(質量分數(shù)左右,局部點含碳量甚至超過2%(質量分數(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)域內時,由于油和空氣混合得不太好,因而燃燒不完全,結果在坯料的表面形成還原性的滲碳氣氛,從而產生表面增碳的效果。增碳使鍛件的機械加工性能變壞,切削時易打刀。3.過暖過暖是指金屬坯料的加暖溫度過高,或在規(guī)定的鍛造與熱處理溫度范圍內停留時間太長,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)晶內織構,工模具鋼往往以一次

13、碳化物角狀化為特征判定過熱組織。鈦合金過熱后,出現(xiàn)明顯的相晶界和平直細長的魏氏組織。合金鋼過暖后的斷口會出現(xiàn)石狀斷口或條狀斷口。過暖組織,由于晶粒粗大,將引起力學性能降低,尤其是沖擊韌度。一般過熱的結構鋼經(jīng)過正常暖處理(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;而合金結構鋼的嚴重過熱經(jīng)一般的正火(包括高溫正火、退火或淬火處理后,過暖組織不能完全消除,這種過暖常被稱之為穩(wěn)定過熱。4.過燒過燒是指金屬坯料的加暖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入滲出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

14、,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。5.加暖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,如果低溫階段加暖速度過快,則坯料因內外溫差較大而產生很大的暖應力。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,就會產生由中心向四周呈輻射狀的加暖裂紋,使整個

15、斷面裂開。6.銅脆銅脆在鍛件表面上呈龜裂狀。高倍看察時,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。四、鍛造工藝不當常產生的缺陷鍛造工藝不當產生的缺陷通常有以下幾種1.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;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

16、性能明顯下降。2.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,或淬火加暖時局部晶粒粗大。耐熱鋼及高溫合金對晶粒不均勻特別敏感。晶粒不均勻將使鍛件的持久性能、疲勞性能明顯下降。3.冷硬現(xiàn)象變形時由于溫度偏低或變形速度太快,以及鍛后心灰意冷卻過快,均可能使再結晶引起的軟化跟不上變形引起的強化(硬化,從而使暖鍛后鍛件內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。嚴重的意氣消沉硬現(xiàn)象可能引起鍛裂。4.裂紋裂紋通常是鍛

17、造時存在較大的拉應力、切應力或附加拉應力引起的。裂紋發(fā)生的部位通常是在坯料應力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和內部有微裂紋、或坯料內存在組織缺陷,或暖加工溫度不當使材料塑性降低,或變形速度過快、變形程度過大,超過材料允許的塑性指針等,則在撤粗、拔長、沖孔、擴孔、彎曲和擠壓等工序中都可能產生裂紋。5.龜裂龜裂是在鍛件表面呈現(xiàn)較淺的龜狀裂紋。在鍛件成形中受拉應力的表面(例如,未充滿的凸出部分或受彎曲的部分最容易產生這種缺陷。引起龜裂的內因可能是多方面的:原材料合Cu、Sn等易熔元素過多。高溫長時間加熱時,鋼料表面有銅析出、表面晶粒粗大、脫碳、或經(jīng)過多次加熱的表面。燃料含硫量過高,有硫滲人鋼料表

18、面。6.飛邊裂紋飛邊裂紋是模鍛及切邊時在分模面處產生的裂紋。飛邊裂紋產生的原因可能是:在模鍛操作中由于重擊使金屬強烈流動產生穿筋現(xiàn)象。鎂合金模鍛件切邊溫度過低;銅合金模鍛件切邊溫度過高。7.分模面裂紋分模面裂紋是指沿鍛件分模面產生的裂紋。原材料非金屬夾雜多,模鍛時向分模面流動與集中或縮管殘余在模鍛時擠人飛邊后常形成分模面裂紋。8.折疊折疊是金屬變形過程中已氧化過的表層金屬匯合到一起而形成的。它可以是由兩股(或多股金屬對流匯合而形成;也可以是由一股金屬的急速大量流動將鄰近部分的表層金屬帶著流動,兩者匯合而形成的;也可以是由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成;還可以是部分金屬局部變形,被壓人另一部分金

19、屬內而形成。折疊與原材料和坯料的形狀、模具的設計、成形工序的安排、潤滑情況及鍛造的實際操作等有關。折疊不僅減少了零件的承載面積,而且工作時由于此處的應力集中往往成為疲勞源。9.穿流穿流是流線分布不當?shù)囊环N形式。在穿流區(qū),原先成一定角度分布的流線匯合在一起形成穿流,并可能使穿流區(qū)內、外的晶粒大小相差較為懸殊。穿流產生的原因與折疊相似,是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而形成的,但穿流部分的金屬仍是一整體。 穿流使鍛件的力學性能降低， 尤其當穿流帶兩側晶粒相差較懸殊時，性能降低較 明顯。 10.鍛件流線分布不順 鍛件流線分布不順是指在鍛件低倍上發(fā)生流線切斷、 回流、 渦流等流線紊亂現(xiàn)象。 如果模具設計不當或鍛造方法選擇不合理，預制毛坯流線紊亂；工人操作不當及 模具磨損而使金屬產生不均勻流動，都可以使鍛件流線分布不順。流線不順會使 各種力學性能降低，因此對于重要鍛件，都有流線分布的要求。 11.鑄造組織殘留 鑄造組織殘留主要出現(xiàn)在用鑄錠作坯料的鍛件中。 鑄態(tài)組織主要殘留在鍛件的困 難變形區(qū)。鍛造比不夠和鍛造方法不當是鑄造組織殘留產生的主要原因。 鑄造組織殘留會使鍛件的性能下降，尤其是沖擊韌度和疲勞性能等。 12.碳化物偏析級別不符要求 碳化物偏析級別不符要求主要出現(xiàn)于萊氏體工模具鋼中。 主要是鍛件中的碳化物 分布不均勻， 呈大塊狀集中分布或呈網(wǎng)狀分布。造