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1、轧材质量控制与深加工技术轧材质量控制与深加工技术第六讲第六讲锻造生产工艺过程的质量控制锻造生产工艺过程的质量控制(2008年年03月月12日，逸夫教学楼日，逸夫教学楼101)材料科学与工程学院材料科学与工程学院韩静涛韩静涛锻件的缺陷包括表面缺陷和内部缺陷。有的锻件缺陷会影响后续工序的加工质量，有的则严重影响锻件的性能，降低所制成品件的使用寿命，甚至危及安全。因此，为提高锻件质量，避免锻件缺陷的产生，应采取相应的工艺对策，同时还应加强生产全过程的质量控制。6.1 锻造对金属组织、性能的影响与锻件缺陷6.2 锻件质量检验的内容和方法6.3 锻件质量分析的一般过程6.1 锻造对金属组织、性能的影响与
2、锻件缺陷1) 锻造对金属组织和性能的影响2) 原材料对锻件质量的影响3) 锻造工艺过程对锻件质量的影响4) 锻件组织对最终热处理后的组织和性能的影响返回1) 锻造对金属组织和性能的影响锻造生产中，除了必须保证锻件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、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度和抗应力腐蚀性能等，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。锻造用的原材料是铸锭、轧材、挤材和锻坯。而轧材、挤材和锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工后形成的半成品。锻造生产中，采用合理的工艺和工艺参数，可以改善原材料的组织
3、和性能。1) 锻造对金属组织和性能的影响锻造生产中，除了必须保证锻件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、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度和抗应力腐蚀性能等，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。锻造用的原材料是铸锭、轧材、挤材和锻坯。而轧材、挤材和锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工后形成的半成品。锻造生产中，采用合理的工艺和工艺参数，可以改善原材料的组织和性能。1) 锻造对金属组织和性能的影响锻造生产中，除了必须保证锻件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
4、括：强度指标、塑性指标、冲击韧度、疲劳强度、断裂韧度和抗应力腐蚀性能等，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。锻造用的原材料是铸锭、轧材、挤材和锻坯。而轧材、挤材和锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工后形成的半成品。锻造生产中，采用合理的工艺和工艺参数，可以改善原材料的组织和性能。改善原材料的组织和性能打碎柱状晶，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；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；控制晶粒的大小和均匀度；改善第二相(例如：莱氏体钢中的合金碳化物
5、)的分布；使组织得到形变强化或形变相变强化等。由于组织的改善，锻件的塑性、冲击韧度、疲劳强度及持久性能等也随之得到提高，然后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。但是，如果原材料的质量不良或所采用的锻造工艺不合理，则可能产生锻件缺陷，包括表面缺陷和内部缺陷或性能不合格等。返回2) 原材料对锻件质量的影响原材料的良好质量是保证锻件质量的先决条件，如原材料存在缺陷，将影响锻件的成形过程及锻件的最终质量。如原材料的化学元素超出规定的范围或杂质元素含量过高，对锻件的成形和质量都会带来较大的影响，例如：S、B、Cu、Sn等元素易形成低熔点相，使锻件易出现热脆。为了获得本
6、质细晶粒钢，钢中残余铝含量需控制在一定范围内，例如Al酸002一004(质量分数)。含量过少，起不到控制晶粒长大的作用，常易使锻件的本质晶粒度不合格；含铝过多，压力加工时在形成纤维组织的条件下易形成木纹状断口、撕痕状断口等。又如，在1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢中，Ti、Si、Al、Mo的含量越多，则铁素体相越多，锻造时愈易形成带状裂纹，并使零件带有磁性。如原材料内存在缩管残余、皮下起泡、严重碳化物偏析、粗大的非金属夹杂物、夹渣等缺陷，锻造时易使锻件产生裂纹。原材料内的树枝状晶、严重疏松、非金属夹杂物、白点、氧化膜、偏析带及异金属混入等缺陷，易引起锻件性能下降。原材料的表面裂纹、折叠、结疤、
7、粗晶环等易造成锻件的表面裂纹。返回3) 锻造工艺过程对锻件质量的影响锻造工艺过程一般由以下工序组成，即下料、加热、成形、锻后冷却、酸洗及锻后热处理。锻造过程中如果工艺不当将可能产生一系列的锻件缺陷。加热工艺包括装炉温度、加热温度、加热速度、保温时间、炉气成分等。如果加热不当，例如加热温度过高和加热时间过长，将会引起脱碳、过热、过烧等缺陷。对于断面尺寸大及导热性差、塑性低的坯料，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。锻造成形工艺包括变形方式、变形程度、变形温度、变形速度、应力状态、工模具的情况和润滑条件等，如果成形工艺不当，将可能引起粗大晶粒、晶粒不均
8、、各种裂纹、折迭、穿流、涡流、铸态组织残留等。锻后冷却过程中，如果工艺不当可能引起冷却裂纹、白点、网状碳化物等。返回4) 锻件组织对最终热处理后的组织和性能的影响奥氏体和铁素体耐热不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金等在加热和冷却过程中，没有同素异构转变的材料，以及一些铜合金和钛合金等，在锻造过程中产生的组织缺陷用热处理的办法不能改善。在加热和冷却过程中有同素异构转变的材料，结构钢和马氏体不锈钢等，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。举例说明有些锻件的组织缺陷，在锻后热处理时可以得到改善，锻件最终热处理后仍可获得满意的组织和性能。例如，在一般过
9、热的结构钢锻件中的粗晶和魏氏组织，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。有些锻件的组织缺陷，用正常的热处理较难消除，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。例如，低倍粗晶、9Crl8不锈钢的孪晶碳化物等。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。例如，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。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。例如，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、氮共渗和淬火后常引起马氏体针粗大和
10、性能不合格；高速钢中的粗大带状碳化物，淬火时常引起开裂。各种成形方法和各类材料锻件的主要缺陷不同成形方法，由于其受力情况不同，应力应变特点不一样，因而可能产生的主要缺陷也是不一样的。例如，坯料镦粗时的主要缺陷是侧表面产生纵向或45度方向的裂纹，锭料镦粗后上、下端常残留铸态组织等；矩形截面坯料拔长时的主要缺陷是表面的横向裂纹和角裂，内部的对角线裂纹和横向裂纹；开式模锻时的主要缺陷则是充不满、折迭和错移等。不同种类的材料，由于其成分、组织不同，在加热、锻造和冷却过程中，其组织变化和力学行为也不同，因而锻造工艺不当时，可能产生的缺陷也有其特殊性。例如，莱氏体高合金工具钢锻件的缺陷主要是碳化物颗粒粗大
11、、分布不均匀和裂纹，高温合金锻件的缺陷主要是粗晶和裂纹；奥氏体不锈钢锻件的缺陷主要是晶间贫铬，抗晶间腐蚀能力下降，铁素体带状组织和裂纹等；铝合金锻件的缺陷主要是粗晶、折迭、涡流、穿流等。返回6.2 锻件质量检验的内容和方法1) 锻件质量检验的内容2) 锻件质量检验的方法返回1) 锻件质量检验的内容锻件缺陷的存在，有的会影响后续工序处理质量或加工质量，有的则严重影响锻件的性能及使用，甚至极大地降低所制成品件的使用寿命，危及安全。因此为了保证或提高锻件的质量，除在工艺上加强质量控制，采取相应措施杜绝锻件缺陷的产生外，还应进行必要的质量检验，防止带有对后续工序(如热处理、表面处理、冷加工)及使用性能
12、有恶劣影响的缺陷的锻件流人后续工序。经质量检验后，还可以根据缺陷的性质及影响使用的程度对已制锻件采取补救措施，使之符合技术标准或使用的要求。因此，锻件质量检验从某种意义上讲，一方面是对已制锻件的质量把关，另一方面则是给锻造工艺指出改进方向，从而保证锻件质量符合锻件技术标准的要求，并满足设计、加工、使用上的要求。锻件质量的检验-1锻件质量的检验包括外观质量及内部质量的检验。外观质量检验主要指锻件的几何尺寸、形状、表面状况等项目的检验；内部质量的检验则主要是指锻件化学成分、宏观组织、显微组织及力学性能等各项目的检验。锻件的外观质量检验检查锻件的形状、几何尺寸是否符合图样的规定，锻件的表面是否有缺陷
13、，是什么性质的缺陷，它们的形态特征是什么。表面状态的检验内容是锻件表面是否有表面裂纹、折叠、折皱、压坑、桔皮、起泡、斑疤、腐蚀坑、碰伤、外来物、未充满、凹坑、缺肉、划痕等缺陷。锻件质量的检验-2内部质量的检验是检查锻件本身的内在质量，是外观质量检查无法发现的质量状况，它既检查锻件的内部缺陷，也检查锻件的力学性能，而对重要件、关键件或大型锻件还应进行化学成分分析。对于内部缺陷我们将通过低倍检查、断口检查、高倍检查的方法来检验锻件是否存在诸如内裂、缩孔、疏松、粗晶、白点、树枝状结晶、流线不符合外形、流线紊乱、穿流、粗晶环、氧化膜、分层、过热、过烧组织等缺陷。对于力学性能主要是检查常温抗拉强度、塑性
14、、韧性、硬度、疲劳强度、高温瞬时断裂强度、高温持久强度、持久塑性及高温蠕变强度等。由于锻件制成零件后，在使用过程中其受力情况、重要程度、工作条件不同，其所用材料和冶金工艺也不同，因此不同的部门依据上述情况并按照本部门的要求将锻件分出类别，不同的部门，不同的标准对锻件的分类也是不同的。总之，对于锻件质量检验的整体来说都是外观质量和内部质量的检验，只不过锻件的类别不同，其具体的检验项目、检验数量和检验要求不同罢了。例如，有的工业部门将结构钢、不锈钢、耐热钢锻件分成类进行检验，有的部门将铝合金锻件和模锻件按其使用情况分成类进行检验，还有的部门将铝合金、铜合金锻件分成类进行检验。上表是结构钢、不锈钢、
15、耐热钢锻件分成类的检验要求可见，锻件质量的检验除个别类别的个别项目外均具有抽检的性质，抽检合格，表示整个验收批的锻件质量合乎要求。对于有的类别的锻件规定了不检验项目，不能认为对该类锻件的这些项目不进行控制，而是由于在生产中都采取了相应的质量保证措施，如原材料复验制度、锻件定形制度、定期检验制度、工艺纪律检查制度及合理组批等措施，从而在保证锻件质量的前提下简化检验工序，并保证使用要求。总之，锻件质量检验的内容涉及的范围很广，项目也很多，在实际工作中应根据设计对产品的要求及技术标准所要求的项目进行锻件质量的检验。返回6.2 锻件质量检验的方法当今时代，人们对产品的使用要求更高了，相应对制造产品的锻件也提出了更高的要求。而锻件质量问题的表现形式又多而杂，某些类型的锻件缺陷又将严重地降低锻件的性能，威胁使用的安全性、可靠性，缩短了使用寿命，这类缺陷的存在其后果是严重的。因此对锻件质量的检验也提出了更高的要求，即绝不能将带有缺陷的锻件放过去，特别是不能放过那些严重影响使用性能的带有缺陷的锻件。要做到这一点，就要在进行锻件质量的检验和控制时，除充分地沿用常规的检测方法及手段外，也要采用反映当代水平的更快速更准确的检测手段和方法，使之对锻件质量的评估、锻件缺陷性质的判断、产生原因的判断及形成机理的分析更准确，更符合实际，从而保证不放过缺陷锻件，并能采取得当的解决措施来改进
