鍛件缺陷是指鍛造過程中鍛件上產生的外在的和內在的質量不符合要求的各種缺陷。
基本介紹
- 中文名：鍛件缺陷
- 外文名：Forging flaws
- 原因：原材料缺陷、落料不當等
- 領域：機械加工
原材料缺陷造成的鍛件缺陷,表面裂紋,摺疊,層狀斷口,非金屬夾雜,碳化物偏析,縮管殘餘,白點,落料不當造成的鍛件缺陷,鍛造工藝不當造成的缺陷,過熱,過燒,鍛造裂紋,脫碳和增碳,鍛造摺疊,組織缺陷,
原材料缺陷造成的鍛件缺陷
鍛造用的原材料包括鑄錠、軋材、擠材及鍛坯等。而軋材、擠材及鍛坯分別是鑄錠經軋制、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是不可避免的。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。
由原材料缺陷造成的鍛件缺陷有表面裂紋，摺疊，層狀斷口，非金屬夾雜，縮管殘餘等。
表面裂紋
表面裂紋多發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，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展。又如在軋制時，坯料的表面如被劃傷，冷卻時將造成應力集中。從而可能沿劃痕開裂。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，見圖1。
圖1 鍛造裂紋
摺疊
摺疊形成的原因是當金屬坯料在軋制過程中，由於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捲入，形成和材料表面成一定傾角的折縫。對鋼材，折縫內有氧化皮，四周有脫碳。摺疊若在鍛造前不去掉，可能引起鍛件摺疊或開裂。
層狀斷口
層狀斷口缺陷的產生是由於鋼中存在的非金屬夾雜物、枝晶偏析以及氣孔疏鬆等缺陷，在鍛、軋過程中沿軋制方向被拉長，使鋼材呈現出帶狀組織。如果雜質過多，鍛件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。
非金屬夾雜
非金屬夾雜物主要是熔煉或澆鑄的鋼水冷卻過程中由於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，由於耐火材料落入鋼液中，也能形成夾雜物，這種夾雜物統稱夾渣。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。
碳化物偏析
碳化物偏析經常出現在含碳高的合金鋼中，例如高速鋼。其特徵是在局部區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。鍛件熱處理淬火時，在碳化物偏析區易引起熱處理過熱、過燒和淬裂。
碳化物帶狀級別按GB/T14979--1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》進行檢驗。當碳化物級別較高時對高速鋼刀具的使用壽命極為不利，碳化物級別>5級時，可造成刀具崩刃或斷裂。為此，鍛造時要求具有一定的變形量，儘可能將帶狀碳化物擊碎、擊細。
縮管殘餘
由於鋼錠冒口部分切除不乾淨，在開坯和軋制時將夾雜物、縮松或偏析殘留在鋼材內部。縮管殘餘在橫向低倍試塊中呈不規則的皺摺裂紋或縫隙，在其附近常伴有嚴重的疏鬆、夾雜物和成分偏析，在鍛造後作淬火處理時可由這種中心部位缺陷向外發展成裂紋。圖2所示為20CrMnMo鋼縮管殘餘處已形成向外擴展的裂紋。
圖2 20CrMnMo鋼縮管殘餘
白點
白點的主要特徵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，長度有1~20mm或更長。
白點在鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等合金鋼中常見，普通碳鋼中也有發現，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熱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後冷卻（或鍛後熱處理）太快時較易產生。
用帶有白點的鋼鍛造出來的鍛件，在熱處理時（淬火）易發生龜裂，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。
落料不當造成的鍛件缺陷
落料不當造成的鍛件缺陷常有以下幾種：
（1）鍛件端面與軸線傾斜，由於在鍛坯落料時棒料剪下未壓緊造成。
（2）撕裂。切料時如刀片間隙太大，產生撕裂現象，導致端部金屬被拉掉。
（3）毛刺。切料時部分金屬被帶入剪刀間隙之間，產生尖銳和毛刺，有毛刺的坯料，加熱時局部易過燒，鍛造時易產生摺疊和開裂。
（4）端部裂紋。主要產生於剪下大斷面坯料時發生，通常是在剪下後3~4h才發現，這是因為剪下時圓形端面壓扁成橢圓形，材料中產生很大的內應力引起應力裂紋。另外，氣割落料前原材料如沒有預熱，也可能在坯料的端部產生裂紋。
（5）凸芯開裂。位於坯料端面的中心部位。這是由於下料時棒料端面中心留有凸芯，鍛造時凸芯冷卻快，在凸芯的周圍的端面突變交換處由於應力集中而容易造成開裂。
鍛造工藝不當造成的缺陷
過熱
金屬材料加熱時過熱引起晶粒粗大，使材料的強度下降，主要是由於在規定的鍛造加熱溫度內停留時間太長或超過規定的加熱溫度。
過燒
鍛造裂紋
（1）加熱裂紋。對於尺寸大的坯料，如加熱速度過快，形成坯料內外溫度相差很大，產生熱應力造成鍛件開裂，其特徵沿坯料的橫截面開裂，裂紋由中心向四周輻射狀擴展，多產生於高合金鋼中。
（2）心部開裂。心部開裂常在坯料的頭部，開裂深度與加熱和鍛造有關，有時貫穿整個坯料。這是由於加熱時保溫時間不足，坯料未熱透，坯料外部溫度高，塑性好，變形大；內部溫度低、塑性差、變形小，產生不均勻變形，引起坯料心部開裂。
（3）材質缺陷開裂。鍛造時在縮孔、夾渣、碳化物偏析等材料缺陷處形成鍛造裂紋。
脫碳和增碳
（1）脫碳。金屬材料在高溫下表層的碳被氧化，發生脫碳，使表層組織含碳量下降，硬度和強度下降。脫碳層的深度與鋼的成分、爐內氣氛、溫度等有關，通常情況下高碳鋼易脫碳，氧化性氣氛易脫碳。
（2）增碳。用油爐加熱的鍛件，有時表面或部分表面發生增碳，增碳厚度可達1.0~1.5mm，增碳量甚至可達w=2%，可出現萊氏體組織。鍛造時引起鍛件表面開裂。
鍛造摺疊
摺疊的特徵是其折紋與金屬流線方向一致，摺疊尾端一般呈小圓角。但隨後的鍛造變形又會使摺疊發生開裂。折紋兩側有較嚴重的氧化脫碳現象，圖3為35CrMo鋼表面摺疊裂紋形貌。在個別情況下可能增碳。摺疊是金屬變形過程中已氧化過的表層金屬匯合在一起而形成的，與原材料表面缺陷、坯料的形狀、模具的設計、成型工序的安排、潤滑情況及鍛造操作等有關。摺疊的尾端成為應力集中點往往在淬火後開裂或使用時成為疲勞源。
圖3 35CrMo鋼表面摺疊
組織缺陷
（2）粗晶。在鍛件的低倍組織上晶粒粗大。產生原因主要是由於始鍛溫度過高和變形程度不足終鍛溫度過高變形度落入臨界變形區。
（3）晶粒不均勻。鍛件晶粒大小不均勻，對於高溫合金和耐熱鋼特別敏感。產生原因主要是局部區域變形度落入臨界變形區。
（4）冷硬。鍛件內部仍保留一部分冷變形組織，使鍛件塑性下降。主要是由於變形時溫度偏低或變形速度太快以及鍛造後冷卻過快，導致再結晶引起的軟化小於變形引起的硬化，從而出現熱加工後的冷硬現象。
鍛件缺陷(forging defects)
鍛件缺陷主要有：殘留鑄造組織，摺疊，流線不順，渦流，穿流，穿肋，裂紋，鈦合金α脆化層和鍛件過燒等。
殘留鑄造組織 鋼鍛件有殘留鑄造組織時，橫向低倍組織的心部呈暗灰色，無金屬光澤，有網狀結構，縱向無明顯流線；高倍組織中的樹枝晶完整，主幹支幹互成90。。高溫合金的殘留鑄造組織，在低倍組織中為柱狀晶，枝幹未破碎；高倍組織中的晶粒極為粗大，局部有破碎的細小品粒。鈦合金低倍組織為粗大晶粒塊狀分布；高倍組織為粗大的魏氏組織。鋁合金橫向低倍組織中的殘留鑄造組織為粗大的等軸晶，流線不明顯，有時伴有疏鬆針孔；高倍組織中有網狀組織、骨骼狀組織和顯微疏鬆。殘留鑄造組織產生的原因是，鑄錠加工成棒材或鍛件的變形量小。高溫合金、鋁合金及鈦合金因反覆鍛造變形量不足或未採用多向鍛造、兩端面附近死區內的變形量小而引起的。防止殘留鑄造組織要增大鍛造比和反覆鐓拔，加強對原材料的檢驗，發現有鑄造組織就要在成形工藝中增加補充變形量。
摺疊 表面形狀和裂紋相似，多發生在鍛件的內圓角和尖角處。在橫截面上高倍觀察，摺疊處兩面有氧化、脫碳等特徵；低倍組織上看出圍繞摺疊處纖維有一定的歪扭。鍛件上摺疊的出現是由於自由鍛拔長時，送進量過小和壓下量過大，或砧塊圓角半徑太小；模鍛時模槽凸圓角半徑過小，制坯模槽、預鍛模槽和終鍛模槽配合不當，金屬分配不合適，終鍛時變形不均勻等原因造成金屬回流而產生的。根據上述產生的原因而採取相應的措施可以防止產生摺疊。
流線不順、渦流、穿流和穿肋 這類缺陷多在鍛件的H形、U形和L形部位的組織上出現。坯料尺寸、形狀不合適，鍛造操作不當，模具設計時圓角半徑選擇不合理都會出現上述缺陷。鍛造變形時金屬回流，工字形截面鍛件，凸模圓角半徑小金屬不能沿肋壁連續填充模槽時都會產生渦流。當肋已充滿還有多餘金屬由圓角處直接流向毛邊槽時，即形成穿流。若鍛造過程中打擊過重、金屬流動激烈、穿流處金屬的變形程度和應力超過材料的許可強度時，便會產生穿流裂紋。鍛件腹板寬厚比大、肋底部的內圓角半徑小、坯料餘量過大、操作時潤滑劑塗得過多和加壓太快，都易造成上述缺陷。對於此類模鍛件，採用預成形或頂鍛，加大頂部、根部及毛邊槽橋部與模槽連線處的圓角半徑，加大內外模鍛斜度等措施，能有利於避免金屬流動過程中急劇轉彎而造成上述缺陷。
裂紋 因鍛造變形溫度不當而引起的高溫鍛裂和低溫鍛裂，在鍛件上表現為表面裂紋、內部裂紋和毛邊裂紋等。
表面裂紋是因鍛造溫度過高或錘擊速度過快，使坯料發生過燒或過熱而引起的，裂口較寬，斷口凹凸不平，組織粗大呈暗灰色。低倍組織中裂紋端為鋸齒形，與流線無關。高倍觀察裂紋沿晶界伸展，再結晶完全，無夾雜及其他冶金缺陷。鍛造溫度過低，錘擊過重時，在坯料側表面與錘擊方向呈45。、90~或三角形裂紋，斷口平齊有金屬光澤。高倍觀察，裂紋穿晶並有加工硬化現象。
內部裂紋一種是在自由鍛時發生的。在圓截面坯料拔長、滾圓時，由於送進量太大，壓下量太小，金屬橫向流動激烈而產生橫向拉應力，愈接近心部拉應力愈大，引起內部縱向裂紋。另一種內部裂紋則是由合金內部過分粗大的金屬間化合物或夾雜物在鍛造時阻礙著金屬的規則流動，在其周圍引起的微裂紋。通常此種裂紋都要在鍛件加工後才能表露出來。前一種縱向裂紋的防止方法是在圓坯料拔長時，先打四方後打八方最後滾圓，每次壓下量要大於20%。後一種裂紋的防止方法是要對鍛造毛坯嚴格檢查，控制組織不合格的坯料進入車問。
毛邊裂紋在錘上模鍛鋁合金時經常出現，通常在毛邊切除時沿分模線(見分模面)裂開。這是由於鍛造溫度過高或者鍛造過程中快速連續打擊時，已充滿模槽的多餘金屬在毛邊處被迫擠出來，模具表面與鍛件表面金屬之間存在摩擦，與模具表面緊挨著的金屬流動困難處於靜止狀態。真正發生流動的金屬距模具表面有一定的深度。因此，在流動與靜止的金屬之間，由於激烈的相對運動而產生大量的熱，使這個範圍內的金屬過熱，再加上多餘的金屬擠壓毛邊槽時，在這個部位出現很大的剪應力的作用下，毛邊處過熱部位產生裂紋。此外，還有模具設計不當、肋的根部圓角半徑過小、淬火加熱時過燒等原因也能造成毛邊裂紋。為防止這類裂紋的出現要適當降低鍛造溫度和錘擊速度，增大圓角半徑，減小剪下應力等。
鈦合金α脆化層鈦合金鍛件表面去掉氧化皮後還存有0.3mm以下的污染層，其硬度約為基體的兩倍。高倍組織中的α相較明顯增多，甚至全為α相。鈦合金在加熱時吸收爐氣中α相的形成元素氧和氮，形成鈦與氧、氮的間隙固溶體，表現為脆化層，其深度與鍛造或熱處理時加熱所用爐子類型、爐氣性質、加熱溫度及保溫時間有關。控制加熱時爐氣性質、加熱溫度及保溫時間，可減小α脆化層的厚度。可用酸洗、噴砂或切削加工等方法去掉α脆化層。
鍛件的過燒 坯料在鍛造或熱處理加熱時因爐溫控制失靈、爐內溫度分布不均、局部爐溫過高而引起的。過燒鍛件對靜拉伸性能的影響不大明顯，對疲勞性能則影響明顯。鋁合金過燒後，表面呈暗黑色，有時表面起泡，高倍觀察晶粒粗大，出現復熔球，晶界變直發毛，嚴重時產生三角晶界，沿晶界出現共晶體。這些現象不一定同時出現，只要出現一個現象就說明材料已經過燒。
