本文格式为Word版，下载可任意编辑第17章 锻造成形过程中的缺陷及产生原因 第17章 锻造成形过程中的缺陷及其防止方法 §17.1 钢锭和钢材中的缺陷及其防止方法 一、钢锭的缺陷 钢锭有以下主要的缺陷： （1）缩孔和疏松 钢锭中缩孔和疏松是不成制止的缺陷，但它们展现的部位可以操纵钢锭中顶端的保温冒口，造成钢液缓慢冷却和结果凝固的条件，一方面使锭身可以得到冒口中钢液的补缩，另一方面使缩孔和疏松集中于此处，以便锻造时切除 （2）偏析 钢锭中各片面化学成分的不平匀性称为偏析偏析分为枝晶偏析和区域偏析两种，前者可以通过锻造以及锻后热处理得到消释，后者只能通过锻造来减轻其影响，使杂质分散，使显微孔隙和疏松焊和 （3）夹杂 不溶于金属基体的非金属化合物称为夹杂常见的夹杂如硫化物、氧化物、硅酸盐等夹杂使钢锭锻造性能变化，例如当晶界处低熔点夹杂过多时，钢锭锻造时会因热脆而锻裂夹杂无法消释，但可以通过适当的锻造工艺加以破碎，或使密集的夹杂分散，可以在确定程度上改善夹杂对锻件质量的影响 （4）气体 钢液中溶解有大量气体，但在凝固过程中不成能完全析出，以不同形式残存在钢锭内部。
例如氧与氮以氧化物、氮化物存在，成为钢锭中夹杂氢是钢中危害最大的气体，它会引起“氢脆”，使钢的塑性显著下降；或在大型锻件中造成“白点”，使锻件报废 （5）穿晶 当钢液浇注温度较高，钢锭冷却速度较大时，钢锭中柱状晶会得到充分的进展，在某些处境下甚至整个截面都形成柱状晶粒，这种组织称为穿晶在柱状晶交界处（如方钢锭横截面对角线上），常聚集有易熔夹杂，形成“弱面”，锻造时易于沿这些面破碎在高合金钢锭中轻易遇到这种缺陷 （6）裂纹 由于浇注工艺或钢锭模具设计不当，钢锭外观会产生裂纹锻造前应将裂纹消释，否那么锻造时由于裂纹的进展导致锻件报废 （7）溅疤 当钢锭用上注法浇注时，钢液冲击钢锭模底而飞溅到钢锭模壁上，这些附着的溅沫结果不能和钢锭凝固成一体，便成溅疤溅疤锻造前务必铲除，否那么会形成外观夹层 二、轧制或锻制的钢材中的缺陷 轧制或锻制的钢材中往往存在如下缺陷： （1）裂纹和发裂 裂纹是由于钢锭缺陷未除掉，经过轧制或锻造使之进一步进展造成的由于轧制或锻造的工艺模范不当，在钢材内引起很大的内应力，也会造成裂纹断面大、合金元素多的钢材轻易产生裂纹。
发裂是深度为0.50～1.50mm的发状裂纹，它是轧制或锻造时由于钢锭皮下气泡沿变形方向被拉长或夹杂物沿变形方向伸长而形成发裂一般需经酸洗后才能察觉 （2）伤痕和折叠 伤痕是钢材外观上深约0.2～0.30mm的擦伤、划伤细痕 折叠一般由于轧制或锻造工艺不当造成 （3）非金属夹杂和疏松 钢材中的非金属夹杂是直接由钢锭中的非金属夹杂物留存下来的钢材锻造变形时，夹杂物聚集的部位会形成裂纹 钢锭中的疏松，由于轧制工艺不当，仍会在钢材中留存下来 （4）白点 含氢量高的大钢锭，轧制或锻造后由于冷却工艺不当，内部过饱和的氢原子析出聚集在疏松等间隙中成为氢分子，造成巨大的压力，并与钢相变时的组织应力相叠加，使钢材内部产生大量细小裂纹，即为“白点”但“白点”仅展现在对“白点”敏感性较强的钢种上，例如40CrNi、35CrMo、GCr15等牌号的钢 裂纹、发裂、伤痕和折叠是外观缺陷，这些缺陷在锻造变形时会进一步进展，使锻件报废，故事先务必除掉非金属夹杂、疏松和“白点”等是内部缺陷，有这方面缺陷的钢材根本不能使用 §17.2 加热过程中的缺陷及其防止方法 金属在锻造加热过程中可能产生的缺陷有氧化、脱碳、过热、过烧和开裂等。
正确的加热应尽量裁减或根本防止这些缺陷的产生 一、氧化 氧化是金属加热时炉气中的氧化性气体（如O2、CO2、H2O、SO2）与金属发生化学回响，在金属外观形成氧化皮的现象 1、氧化皮的形成过程 钢材表层的铁以离子状态由里向外外观分散，而氧化性气体中的氧以原子状态由钢材外外观经吸附后向里层分散 氧化皮分为三层，如图17.1所示其最外层是含氧较高的Fe2O3，约占氧化皮厚度的10%；中间层是粗大颗粒的Fe3O4，约占氧化皮厚度的50%；最里层是含氧较低的FeO，约占氧化皮厚度的40% 图17.1 氧化皮形成过程示意图 由于氧化皮的膨胀系数和钢材不同，因此较易脱落；同时氧化皮的熔点（1300～1350℃）较低，高温时易熔化氧化皮的脱落和熔化，使新暴露的钢料外观持续氧化，增加金属的损耗 2、氧化皮的危害 （1）它直接造成了金属的损耗（称为火耗）； （2）降低模锻件的外观质量； （3）锻件外观附着氧化皮，热处理时导致锻件组织和性能的不平匀； （4）氧化皮的硬度较高，模锻时会加速锻模型腔的磨损，机加工时会加速刀具的损坏； （5）氧化皮呈碱性，脱落在加热炉的炉膛内会和酸性的耐火材料起化学回响，缩短加热炉寿命； （6）使模锻件增加酸洗或喷丸等清理工序。
3、防止和裁减氧化的概括措施 火焰炉加热时为了防止或裁减氧化皮的产生，可采取以下措施： （1）在确保金属加热质量的前提下，尽量采用高温下装炉的快速加热方法，缩短金属在炉内的停留时间，更加是缩短金属在高温下的保温时间； （2）严格操纵进入炉内的空气量，在燃料完全燃烧的条件下，尽可能裁减过剩空气量； （3）留神消释燃料中的水分，制止水蒸气对金属外观的氧化作用； （4）炉膛应保持不大的正压力，防止炉外冷空气吸入炉内； （5）操作上应做到少装炉、勤装炉及适时出炉； （6）采用少、无氧化火焰加热炉 二、脱碳 脱碳是钢材表层的碳在高温下与氧化性炉气（如O2、CO2、H2O）和H2发生化学回响，生成CO和CH4等可燃气体而被烧掉，使钢材表层碳成分降低的现象 1、脱碳的危害 （1）使锻件加工后的零件外观变软，强度和耐磨性降低； （2）使锻件加工后的零件疲乏强度降低，零件在长期交变应力作用下易发生疲乏断裂但是，假设脱碳层的厚度没有超过模锻件的机械加工余量，那么脱碳层可随切屑除去而无危害 2、防止脱碳的概括措施 坯料加热时应防止和裁减脱碳，尤其对于弹簧钢、工具钢和轴承钢等锻件以及细致模锻件更应尽可能防止脱碳。
火焰炉加热时防止和裁减脱碳的措施有： （1）采用高温下装炉的快速加热方法，尤其应缩短坯料在加热炉内高温阶段的停留时间； （2）加热前坯料外观涂刷上养护涂层，例如石墨粉与水玻璃混合剂、硼砂水浸液、玻璃粉涂料等 三、过热 钢材在加热过程中的加热温度超过某一温度，或在高温下保温时间过长，导致奥氏体晶粒急剧粗大的现象，称为过热 钢材的过热受到加热温度和保温时间两个因素的影响，其中前者对奥氏体晶粒的粗大有更大的影响通常，将钢材加热时晶粒开头急剧长大的温度，称为晶粒长大的临界温度 几种钢材加热时晶粒长大的临界温度见表17-1 表17-1 几种钢材加热时晶粒长大的临界温度 钢号 晶粒长大的临界温度 （℃） 钢号 晶粒长大的临界温度 （℃） 25 45 T7 38CrA 1250 1200 1150 1200 12CrNi3A 38CrMoAlA 18CrNi4WA 1Cr18Ni9Ti 1150 1100 1200 1200 过热会引起以下问题： （1）过热严重的钢材，锻造时边角可能产生裂纹； （2）一般性过热的钢材，并不影响锻造；但过热的钢材锻造的锻件，其晶粒度比正常的锻件粗大，使锻件的冲击韧性、塑性和强度等机械性能降低； （3）过热的钢材锻造的锻件在淬火过程轻易引起变形和开裂。
过热的钢材，假设条件允许，可用热处理或再次锻造的方法使晶粒细化；但是有一些钢材过热后是无法用热处理改正的所以，严格操纵钢材的加热温度和保温时间，是防止过热的最好措施 四、过烧 当钢材加热到接近熔点时，不仅奥氏体晶粒粗大，而且炉气中的氧化性气体渗入晶粒边界，使晶间物质Fe、C、S发生氧化，形成易熔的共晶体，破坏了晶粒间的联系，这种现象称为过烧 过烧的钢材，强度很低，失去塑性，不能锻造；若举行锻造，在锻造时一击便破碎成碎块，断口晶粒粗大，呈浅灰蓝色可见，过烧的钢材是不成补救的废品，只有回炉重新冶炼 钢材的过烧温度因钢种而不同由表17-2可见，碳钢含碳量越高，过烧温度越低，越易过烧；低碳合金钢中含Mn、Ni、Cr等元素，使钢较易过烧例如0.2%C的碳钢，过烧温度为1470℃；0.5%C的碳钢，过烧温度为1350℃；1.1%C的碳钢，过烧温度为1180℃ 表17-2 片面钢材的过烧温度 钢种 45钢 45Cr 30CrNiMo 4Cr10Si2Mo 50CrV 12CrNiA 60Si2Mn 60Si2MnBE GCr15 防止钢材过烧的措施有： 过烧温度 （℃） >1400 1390 1450 1350 1350 1350 1350 1400 1350 钢种 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 2Cr13 Cr12MoV T8 T12 GH135合金 GH136合金 过烧温度 （℃） 1360 1270 1180 1160 1250 1200 1200 1220 （1）严格操纵加热温度和高温下的保温时间； （2）操纵炉内气体成分，尽量裁减过剩的空气量，造成弱氧化性炉气； （3）使钢材与喷火口保持确定的距离，严禁火焰与钢材直接接触，以防止局部过烧； （4）采用电阻炉加热时，钢材和电阻丝的距离不应小于100mm ，以免局部过烧。
五、开裂 假设金属在锻造加热过程的某一温度下，其内应力（一般指拉应力）超过它的强度极限，那么就要产生裂纹通常内应力有温度应力、组织应力和剩余应力 1、温度应力 金属在加热时，其外观和中心部位之间存在温度差而引起不平匀膨胀，使外观受到压应力、中心部位受到拉应力；这种由于温度不平匀而产生的内应力叫温度应力 温度应力的大小与金属的性质和断面温度有关一般只有金属展现温度梯度，并处在弹性状态时，才会产生较大的温度应力并引起裂纹 钢材在温度低于500～550℃时处在弹性状态，在这个温度范围以下，务必考虑温度应力的影响；当温度超过500～550℃时，钢的塑性对比好，变形抗力较低，通过局部塑性变形可以使温度应力得到消释，此时就不会产生温度应力 温度应力一般都是处于三向拉应力状态加热时圆柱坯料中心部位受到的轴向温度应力较径向和切向温度应力都大，因此金属加热时心部产生裂纹的倾向性较大 2、组织应力 具有相变的钢材在加热过程中，表层首先发生相变，心部后发生相变，并且相变前后组织的比容发生变化，这样引起的内应力叫组织应力 在钢材加热过程中，表层首先发生相变，珠光体变为奥氏体；由于比容的减小，在表层形成拉应力，心部为压应力。
当温度持续升高时，心部也发生相变；这时心部为拉应力，表层形成压应力由于相变时钢材已处在高温，其塑性较好，尽管产生组织应力，也会很快被松弛消散；因此在钢材的加热过程中，组织应力无危害性 3、剩余应力 金属在凝固和冷却过程中，由于外层和中心的冷却次序不同，各片面间的相互牵制将产生剩余应力外层冷却。