[科普中國(guó)]-鍛造缺陷

鍛件缺陷是指鍛造過(guò)程中鍛件上產(chǎn)生的外在的和內(nèi)在的質(zhì)量不符合要求的各種缺陷。

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(jīng)軋制、擠壓及鍛造加工成的半成品。一般情況下，鑄錠的內(nèi)部缺陷或表面缺陷的出現(xiàn)是不可避免的。原材料存在的各種缺陷，不僅會(huì)影響鍛件的成形，而且將影響鍛件的最終質(zhì)量。

由原材料缺陷造成的鍛件缺陷有表面裂紋，折疊，層狀斷口，非金屬夾雜，縮管殘余等。

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，例如鋼錠內(nèi)的皮下氣泡在軋制時(shí)一面沿變形方向伸長(zhǎng)，一面暴露到表面上和向內(nèi)部深處發(fā)展。又如在軋制時(shí)，坯料的表面如被劃傷，冷卻時(shí)將造成應(yīng)力集中。從而可能沿劃痕開(kāi)裂。這種裂紋若在鍛造前不去掉，鍛造時(shí)便可能擴(kuò)展引起鍛件裂紋，見(jiàn)下圖。

折疊折疊形成的原因是當(dāng)金屬坯料在軋制過(guò)程中，由于軋輥上的型槽定徑不正確，或因型槽磨損面產(chǎn)生的毛刺在軋制時(shí)被卷入，形成和材料表面成一定傾角的折縫。對(duì)鋼材，折縫內(nèi)有氧化皮，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(kāi)裂。

層狀斷口層狀斷口缺陷的產(chǎn)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(guò)程中沿軋制方向被拉長(zhǎng)，使鋼材呈現(xiàn)出帶狀組織。如果雜質(zhì)過(guò)多，鍛件就有分層破裂的危險(xiǎn)。層狀斷口越嚴(yán)重，鋼的塑性、韌性越差，尤其是橫向力學(xué)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(guò)程中由于成分之間或金屬與爐氣、容器之間的化學(xué)反應(yīng)形成的。另外，在金屬熔煉和澆鑄時(shí)，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(diǎn)狀、片狀、鏈狀或團(tuán)塊狀分布。嚴(yán)重的夾雜物容易引起鍛件開(kāi)裂或降低材料的使用性能。

碳化物偏析碳化物偏析經(jīng)常出現(xiàn)在含碳高的合金鋼中，例如高速鋼。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(kāi)坯和軋制時(shí)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(kāi)裂。鍛件熱處理淬火時(shí)，在碳化物偏析區(qū)易引起熱處理過(guò)熱、過(guò)燒和淬裂。

碳化物帶狀級(jí)別按GB/T14979--1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)碳化物級(jí)別較高時(shí)對(duì)高速鋼刀具的使用壽命極為不利，碳化物級(jí)別>5級(jí)時(shí)，可造成刀具崩刃或斷裂。為此，鍛造時(shí)要求具有一定的變形量，盡可能將帶狀碳化物擊碎、擊細(xì)。

縮管殘余由于鋼錠冒口部分切除不干凈，在開(kāi)坯和軋制時(shí)將夾雜物、縮松或偏析殘留在鋼材內(nèi)部。縮管殘余在橫向低倍試塊中呈不規(guī)則的皺折裂紋或縫隙，在其附近常伴有嚴(yán)重的疏松、夾雜物和成分偏析，在鍛造后作淬火處理時(shí)可由這種中心部位缺陷向外發(fā)展成裂紋。下圖所示為20CrMnMo鋼縮管殘余處已形成向外擴(kuò)展的裂紋。

白點(diǎn)白點(diǎn)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(diǎn)，在橫向斷口上呈細(xì)小的裂紋。白點(diǎn)的大小不一，長(zhǎng)度有1~20mm或更長(zhǎng)。

白點(diǎn)在鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等合金鋼中常見(jiàn)，普通碳鋼中也有發(fā)現(xiàn)，是隱藏在內(nèi)部的缺陷。白點(diǎn)是在氫和相變時(shí)的組織應(yīng)力以及熱應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的，當(dāng)鋼中含氫量較多和熱壓力加工后冷卻（或鍛后熱處理）太快時(shí)較易產(chǎn)生。

用帶有白點(diǎn)的鋼鍛造出來(lái)的鍛件，在熱處理時(shí)（淬火）易發(fā)生龜裂，有時(shí)甚至成塊掉下。白點(diǎn)降低鋼的塑性和零件的強(qiáng)度，是應(yīng)力集中點(diǎn)，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(dǎo)致疲勞破壞，所以鍛造原材料中絕對(duì)不允許有白點(diǎn)1。

落料不當(dāng)造成的鍛件缺陷落料不當(dāng)造成的鍛件缺陷常有以下幾種：

（1）鍛件端面與軸線傾斜，由于在鍛坯落料時(shí)棒料剪切未壓緊造成。

（2）撕裂。切料時(shí)如刀片間隙太大，產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)致端部金屬被拉掉。

（3）毛刺。切料時(shí)部分金屬被帶入剪刀間隙之間，產(chǎn)生尖銳和毛刺，有毛刺的坯料，加熱時(shí)局部易過(guò)燒，鍛造時(shí)易產(chǎn)生折疊和開(kāi)裂。

（4）端部裂紋。主要產(chǎn)生于剪切大斷面坯料時(shí)發(fā)生，通常是在剪切后3~4h才發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)榧羟袝r(shí)圓形端面壓扁成橢圓形，材料中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力引起應(yīng)力裂紋。另外，氣割落料前原材料如沒(méi)有預(yù)熱，也可能在坯料的端部產(chǎn)生裂紋。

（5）凸芯開(kāi)裂。位于坯料端面的中心部位。這是由于下料時(shí)棒料端面中心留有凸芯，鍛造時(shí)凸芯冷卻快，在凸芯的周圍的端面突變交換處由于應(yīng)力集中而容易造成開(kāi)裂。

鍛造工藝不當(dāng)造成的缺陷過(guò)熱金屬材料加熱時(shí)過(guò)熱引起晶粒粗大，使材料的強(qiáng)度下降，主要是由于在規(guī)定的鍛造加熱溫度內(nèi)停留時(shí)間太長(zhǎng)或超過(guò)規(guī)定的加熱溫度。

過(guò)燒金屬材料產(chǎn)生過(guò)燒時(shí)，晶粒特別粗大，鐓粗時(shí)輕輕一擊就裂。其斷口呈石狀斷口。對(duì)于碳鋼，金相組織出現(xiàn)晶界氧化和熔化，工模具鋼晶界因?yàn)槿刍霈F(xiàn)魚(yú)骨狀萊氏體組織；鋁合金出現(xiàn)晶界熔化三角區(qū)或復(fù)熔球。

鍛造裂紋（1）加熱裂紋。對(duì)于尺寸大的坯料，如加熱速度過(guò)快，形成坯料內(nèi)外溫度相差很大，產(chǎn)生熱應(yīng)力造成鍛件開(kāi)裂，其特征沿坯料的橫截面開(kāi)裂，裂紋由中心向四周輻射狀擴(kuò)展，多產(chǎn)生于高合金鋼中。

（2）心部開(kāi)裂。心部開(kāi)裂常在坯料的頭部，開(kāi)裂深度與加熱和鍛造有關(guān)，有時(shí)貫穿整個(gè)坯料。這是由于加熱時(shí)保溫時(shí)間不足，坯料未熱透，坯料外部溫度高，塑性好，變形大；內(nèi)部溫度低、塑性差、變形小，產(chǎn)生不均勻變形，引起坯料心部開(kāi)裂。

（3）材質(zhì)缺陷開(kāi)裂。鍛造時(shí)在縮孑L、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(fā)生脫碳，使表層組織含碳量下降，硬度和強(qiáng)度下降。脫碳層的深度與鋼的成分、爐內(nèi)氣氛、溫度等有關(guān)，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(shí)表面或部分表面發(fā)生增碳，增碳厚度可達(dá)1.0~1.5mm，增碳量甚至可達(dá)w=2%，可出現(xiàn)萊氏體組織。鍛造時(shí)引起鍛件表面開(kāi)裂。

鍛造折疊折疊的特征是其折紋與金屬流線方向一致，折疊尾端一般呈小圓角。但隨后的鍛造變形又會(huì)使折疊發(fā)生開(kāi)裂。折紋兩側(cè)有較嚴(yán)重的氧化脫碳現(xiàn)象，下圖為35CrMo鋼表面折疊裂紋形貌。在個(gè)別情況下可能增碳。折疊是金屬變形過(guò)程中已氧化過(guò)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(shè)計(jì)、成型工序的安排、潤(rùn)滑情況及鍛造操作等有關(guān)。折疊的尾端成為應(yīng)力集中點(diǎn)往往在淬火后開(kāi)裂或使用時(shí)成為疲勞源。

組織缺陷（1）帶狀組織多出現(xiàn)在兩相組織的亞共析鋼、奧氏體鋼和半馬氏體鋼中，金相組織呈帶狀分布，帶狀嚴(yán)重時(shí)影響材料的力學(xué)性能。帶狀組織按GB/T13299--1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法評(píng)定》。

（2）粗晶。在鍛件的低倍組織上晶粒粗大。產(chǎn)生原因主要是由于始鍛溫度過(guò)高和變形程度不足終鍛溫度過(guò)高變形度落入臨界變形區(qū)。

（3）晶粒不均勻。鍛件晶粒大小不均勻，對(duì)于高溫合金和耐熱鋼特別敏感。產(chǎn)生原因主要是局部區(qū)域變形度落入臨界變形區(qū)。

（4）冷硬。鍛件內(nèi)部仍保留一部分冷變形組織，使鍛件塑性下降。主要是由于變形時(shí)溫度偏低或變形速度太快以及鍛造后冷卻過(guò)快，導(dǎo)致再結(jié)晶引起的軟化小于變形引起的硬化，從而出現(xiàn)熱加工后的冷硬現(xiàn)象1。

鍛件缺陷(forging defects)

鍛件缺陷主要有：殘留鑄造組織，折疊，流線不順，渦流，穿流，穿肋，裂紋，鈦合金α脆化層和鍛件過(guò)燒等。

殘留鑄造組織 鋼鍛件有殘留鑄造組織時(shí)，橫向低倍組織的心部呈暗灰色，無(wú)金屬光澤，有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，縱向無(wú)明顯流線；高倍組織中的樹(shù)枝晶完整，主干支干互成90。。高溫合金的殘留鑄造組織，在低倍組織中為柱狀晶，枝干未破碎；高倍組織中的晶粒極為粗大，局部有破碎的細(xì)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(shí)伴有疏松針孔；高倍組織中有網(wǎng)狀組織、骨骼狀組織和顯微疏松。殘留鑄造組織產(chǎn)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復(fù)鍛造變形量不足或未采用多向鍛造、兩端面附近死區(qū)內(nèi)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復(fù)鐓拔，加強(qiáng)對(duì)原材料的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有鑄造組織就要在成形工藝中增加補(bǔ)充變形量。

折疊 表面形狀和裂紋相似，多發(fā)生在鍛件的內(nèi)圓角和尖角處。在橫截面上高倍觀察，折疊處兩面有氧化、脫碳等特征；低倍組織上看出圍繞折疊處纖維有一定的歪扭。鍛件上折疊的出現(xiàn)是由于自由鍛拔長(zhǎng)時(shí)，送進(jìn)量過(guò)小和壓下量過(guò)大，或砧塊圓角半徑太小；模鍛時(shí)模槽凸圓角半徑過(guò)小，制坯模槽、預(yù)鍛模槽和終鍛模槽配合不當(dāng)，金屬分配不合適，終鍛時(shí)變形不均勻等原因造成金屬回流而產(chǎn)生的。根據(jù)上述產(chǎn)生的原因而采取相應(yīng)的措施可以防止產(chǎn)生折疊。

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(xiàn)。坯料尺寸、形狀不合適，鍛造操作不當(dāng)，模具設(shè)計(jì)時(shí)圓角半徑選擇不合理都會(huì)出現(xiàn)上述缺陷。鍛造變形時(shí)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(xù)填充模槽時(shí)都會(huì)產(chǎn)生渦流。當(dāng)肋已充滿還有多余金屬由圓角處直接流向毛邊槽時(shí)，即形成穿流。若鍛造過(guò)程中打擊過(guò)重、金屬流動(dòng)激烈、穿流處金屬的變形程度和應(yīng)力超過(guò)材料的許可強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生穿流裂紋。鍛件腹板寬厚比大、肋底部的內(nèi)圓角半徑小、坯料余量過(guò)大、操作時(shí)潤(rùn)滑劑涂得過(guò)多和加壓太快，都易造成上述缺陷。對(duì)于此類模鍛件，采用預(yù)成形或頂鍛，加大頂部、根部及毛邊槽橋部與模槽連接處的圓角半徑，加大內(nèi)外模鍛斜度等措施，能有利于避免金屬流動(dòng)過(guò)程中急劇轉(zhuǎn)彎而造成上述缺陷。

裂紋 因鍛造變形溫度不當(dāng)而引起的高溫鍛裂和低溫鍛裂，在鍛件上表現(xiàn)為表面裂紋、內(nèi)部裂紋和毛邊裂紋等。

表面裂紋是因鍛造溫度過(guò)高或錘擊速度過(guò)快，使坯料發(fā)生過(guò)燒或過(guò)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(wú)關(guān)。高倍觀察裂紋沿晶界伸展，再結(jié)晶完全，無(wú)夾雜及其他冶金缺陷。鍛造溫度過(guò)低，錘擊過(guò)重時(shí)，在坯料側(cè)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，裂紋穿晶并有加工硬化現(xiàn)象。

內(nèi)部裂紋一種是在自由鍛時(shí)發(fā)生的。在圓截面坯料拔長(zhǎng)、滾圓時(shí)，由于送進(jìn)量太大，壓下量太小，金屬橫向流動(dòng)激烈而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，愈接近心部拉應(yīng)力愈大，引起內(nèi)部縱向裂紋。另一種內(nèi)部裂紋則是由合金內(nèi)部過(guò)分粗大的金屬間化合物或夾雜物在鍛造時(shí)阻礙著金屬的規(guī)則流動(dòng)，在其周圍引起的微裂紋。通常此種裂紋都要在鍛件加工后才能表露出來(lái)。前一種縱向裂紋的防止方法是在圓坯料拔長(zhǎng)時(shí)，先打四方后打八方最后滾圓，每次壓下量要大于20%。后一種裂紋的防止方法是要對(duì)鍛造毛坯嚴(yán)格檢查，控制組織不合格的坯料進(jìn)入車問(wèn)。

毛邊裂紋在錘上模鍛鋁合金時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)，通常在毛邊切除時(shí)沿分模線(見(jiàn)分模面)裂開(kāi)。這是由于鍛造溫度過(guò)高或者鍛造過(guò)程中快速連續(xù)打擊時(shí)，已充滿模槽的多余金屬在毛邊處被迫擠出來(lái)，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(dòng)困難處于靜止?fàn)顟B(tài)。真正發(fā)生流動(dòng)的金屬距模具表面有一定的深度。因此，在流動(dòng)與靜止的金屬之間，由于激烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生大量的熱，使這個(gè)范圍內(nèi)的金屬過(guò)熱，再加上多余的金屬擠壓毛邊槽時(shí)，在這個(gè)部位出現(xiàn)很大的剪應(yīng)力的作用下，毛邊處過(guò)熱部位產(chǎn)生裂紋。此外，還有模具設(shè)計(jì)不當(dāng)、肋的根部圓角半徑過(guò)小、淬火加熱時(shí)過(guò)燒等原因也能造成毛邊裂紋。為防止這類裂紋的出現(xiàn)要適當(dāng)降低鍛造溫度和錘擊速度，增大圓角半徑，減小剪切應(yīng)力等。

鈦合金α脆化層鈦合金鍛件表面去掉氧化皮后還存有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(shí)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(xiàn)為脆化層，其深度與鍛造或熱處理時(shí)加熱所用爐子類型、爐氣性質(zhì)、加熱溫度及保溫時(shí)間有關(guān)?？刂萍訜釙r(shí)爐氣性質(zhì)、加熱溫度及保溫時(shí)間，可減小α脆化層的厚度?？捎盟嵯础娚盎蚯邢骷庸さ确椒ㄈサ籀链嗷瘜?。

鍛件的過(guò)燒 坯料在鍛造或熱處理加熱時(shí)因爐溫控制失靈、爐內(nèi)溫度分布不均、局部爐溫過(guò)高而引起的。過(guò)燒鍛件對(duì)靜拉伸性能的影響不大明顯，對(duì)疲勞性能則影響明顯。鋁合金過(guò)燒后，表面呈暗黑色，有時(shí)表面起泡，高倍觀察晶粒粗大，出現(xiàn)復(fù)熔球，晶界變直發(fā)毛，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生三角晶界，沿晶界出現(xiàn)共晶體。這些現(xiàn)象不一定同時(shí)出現(xiàn)，只要出現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象就說(shuō)明材料已經(jīng)過(guò)燒。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李岳陽(yáng) - 副教授 - 江南大學(xué)