篇一：锻件缺陷的主要原因分析
引发锻件缺陷的主要原因
一、原材料的主要缺陷及其引起的锻件缺陷
锻造用的原材料为铸锭、轧材、挤材及锻坯。而轧材、挤材及锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工成的半成品。一般情况下，铸锭的内部缺陷或表面缺陷的出现有时是不可避免的。例如，内部的成分与组织偏析等。原材料存在的各种缺陷，不仅会影响锻件的成形，而且将影响锻件的最终质量。
根据不完全的统计，在航空工业系统中，导致航空锻件报废的诸多原因中，由于原材料固有缺陷引起的约占一半左右。因此，千万不可忽视原材料的质量控制工作。
由于原材料的缺陷造成的锻件缺陷通常有：
1.表面裂纹
表面裂纹多发生在轧制棒材和锻制棒材上，一般呈直线形状，和轧制或锻造的主变形方向一致。造成这种缺陷的原因很多，例如钢锭内的皮下气泡在轧制时一面沿变形方向伸长，一面暴露到表面上和向内部深处发展。又如在轧制时，坯料的表面如被划伤，冷却时将造成应力集中，从而可能沿划痕开裂等等。这种裂纹若在锻造前不去掉，锻造时便可能扩展引起 锻件裂纹。
2.折叠
折叠形成的原因是当金属坯料在轧制过程中，由于轧辊上的型槽定径不正确，或因型槽磨损面产生的毛刺在轧制时被卷入，形成和材料表面成一定倾角的折缝。对钢材，折缝内有氧化铁夹杂，四周有脱碳。折叠若在锻造前不去掉，可能引起锻件折叠或开裂（见实例4）。
3.结疤
结疤是在轧材表面局部区域的一层可剥落的薄膜。
结疤的形成是由于浇铸时钢液飞溅而凝结在钢锭表面，轧制时被压成薄膜，贴附在轧材的表面，即为结疤。锻后锻件经酸洗清理，薄膜将会剥落而成为锻件表面缺陷。
4.层状断口
层状断口的特征是其断口或断面与折断了的石板、树皮很相似。
层状断口多发生在合金钢（铬镍钢、铬镍钨钢等），碳钢中也有发现。这种缺陷的产生是由于钢中存在的非金属夹杂物、枝晶偏析以及气孔疏松等缺陷，在锻、轧过程中沿轧制方向被拉长，使钢材呈片层状。如果杂质过多，锻造就有分层破裂的危险。层状断口越严重，钢的塑性、韧性越差，尤其是横向力学性能很低，所以钢材如具有明显的层片状缺陷是不合格的，见实例46。
5.亮线（亮区）
亮线是在纵向断口上呈现结晶发亮的有反射能力的细条线，多数贯穿整个断口，大多数产生在轴心部分。
亮线主要是由于合金偏析造成的，见实例86。
轻微的亮线对力学性能影响不大，严重的亮线将明显降低材料的塑性和韧性。
6.非金属夹杂
非金属夹杂物主要是熔炼或浇铸的钢水冷却过程中由于成分之间或金属与炉气、容器之间的化学反应形成的。另外，在金属熔炼和浇铸时，由于耐火材料落入钢液中，也能形成夹杂物，这种夹杂物统称夹渣。在锻件的横断面上，非金属夹杂可以呈点状、片状、链状或团块状分布。严重的夹杂物容易引起锻件开裂或降低材料的使用性能，见实例47。
7.碳化物偏析
碳化物偏析经常在含碳高的合金钢中出现。其特征是在局部区域有较多的碳化物聚集。它主要是钢中的莱氏体共晶碳化物和二次网状碳化物，在开坯和轧制时未被打碎和均匀分布
造成的。碳化物偏析将降低钢的锻造变形性能，易引起锻件开裂。锻件热处理淬火时容易局部过热、过烧和淬裂。制成的刀具使用时刃口易崩裂，见实例37、38。
8.铝合金氧化膜
铝合金氧化膜一般多位于模锻件的腹板上和分模面附近。在低倍组织上呈微细的裂口，在高倍组织上呈涡纹状，在断口上的特征可分两类：其一，呈平整的片状，颜色从银灰色、浅黄色直至褐色、暗褐色；其二，呈细小密集而带闪光的点状物。
铝合金氧化膜是熔铸过程中敞露的熔体液面与大气中的水蒸气或其它金属氧化物相互作用时所形成的氧化膜在转铸过程中被卷人液体金属的内部形成的。
锻件和模锻件中的氧化膜对纵向力学性能无明显影响，但对高度方向力学性能影响较大，它降低了高度方向强度性能，特别是高度方向的伸长率、冲击韧度和高度方向抗腐蚀性能。
9.白点
白点的主要特征是在钢坯的纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，在横向断口上呈细小的裂纹。白点的大小不一，长度由1～20mm或更长。
白点在镍铬钢、镍铬钼钢等合金钢中常见，普通碳钢中也有发现，是隐藏在内部的缺陷。
白点是在氢和相变时的组织应力以及热应力的共同作用下产生的，当钢中含氢量较多和热压力加工后冷却（或锻后热处理）太快时较易产生。
用带有白点的钢锻造出来的锻件，在热处理时（淬火）易发生龟裂，有时甚至成块掉下。白点降低钢的塑性和零件的强度，是应力集中点，它像尖锐的切刀一样，在交变载荷的作用下，很容易变成疲劳裂纹而导致疲劳破坏。所以锻造原材料中绝对不允许有白点。关于白点的详细介绍请见第三章第七节和实例97。
10.粗晶环
粗晶环常常是铝合金或镁合金挤压棒材上存在的缺陷。
经热处理后供应的铝、镁合金的挤压棒材，在其圆断面的外层常常有粗晶环。粗晶环的厚度，由挤压时的始端到末端是逐渐增加的。若挤压时的润滑条件良好，则在热处理后可以减小或避免粗晶环。反之，环的厚度会增加。
粗晶环的产生原因与很多因素有关。但主要因素是由于挤压过程中金属与挤压筒之间产生的摩擦。这种摩擦致使挤出来的棒材横断面的外表层晶粒要比棒材中心处晶粒的破碎程度大得多。但是由于筒壁的影响，此区温度低，挤压时未能完全再结晶，淬火加热时未再结晶的晶粒再结晶并长大吞并已经再结晶的晶粒，于是在表层形成了粗晶环。
有粗晶环的坯料锻造时容易开裂，如粗晶环保留在锻件表层，则将降低零件的性能，见实例76。
有粗晶环缺陷的坯料，在锻造前必需将粗晶环车去。
11.缩管残余
缩管残余一般是由于钢锭冒口部分产生的集中缩孔未切除干净，开坯和轧制时残留在钢材内部而产生的。
缩管残余附近区域一般会出现密集的夹杂物、疏松或偏析。在横向低倍中呈不规则的皱折的缝隙。锻造时或热处理时易引起锻件开裂，见实例5。
二、备料不当产生的缺陷及其对锻件的影响
备料不当产生的缺陷有以下几种。
1.切斜
切斜是在锯床或冲床上下料时，由于未将棒料压紧，致使坯料端面相对于纵轴线的倾斜量超过了规定的许可值。严重的切斜，可能在锻造过程中形成折叠。
2.坯料端部弯曲并带毛刺
在剪断机或冲床上下料时，由于剪刀片或切断模刃口之间的间隙过大或由于刃口不锐利，使坯料在被切断之前已有弯曲，结果部分金属被挤人刀片或模具的间隙中，形成端部下垂毛刺。
有毛刺的坯料，加热时易引起局部过热、过烧，锻造时易产生折叠和开裂。
3.坯料端面凹陷
在剪床上下料时，由于剪刀片之间的间隙太小，金属断面上、下裂纹不重合，产生二次剪切，结果部分端部金属被拉掉，端面成凹陷状。这样的坯料锻造时易产生折叠和开裂。
4.端部裂纹
在冷态剪切大断面合金钢和高碳钢棒料时，常常在剪切后3～4h发现端部出现裂纹。主要是由于刀片的单位压力太大，使圆形断面的坯料压扁成椭圆形，这时材料中产生了很大的内应力。而压扁的端面力求恢复原来的形状，在内应力的作用下则常在切料后的几小时内出现裂纹。材料硬度过高、硬度不均和材料偏析较严重时也易产生剪切裂纹。
有端部裂纹的坯料，锻造时裂纹将进一步扩展。
5.气割裂纹
气割裂纹一般位于坯料端部，是由于气割前原材料没有预热，气割时产生组织应力和热应力引起的。
有气割裂纹的坯料，锻造时裂纹将进一步扩展。因此锻前应予以预先清除。
6.凸芯开裂
车床下料时，在棒料端面的中心部位往往留有凸芯。锻造过程中，由于凸芯的断面很小，冷却很快，因而其塑性较低，但坯料基体部分断面大，冷却慢，塑性高。因此，在断面突变交接处成为应力集中的部位，加之两部分塑性差异较大，故在锤击力的作用下，凸芯的周围容易造成开裂。
三、加热工艺不当常产生的缺陷
加热不当所产生的缺陷可分为：①由于介质影响使坯料外层组织化学状态变化而引起的缺陷，如氧化、脱碳、增碳和渗硫、渗铜等。②由内部组织结构的异常变化引起的缺陷，如过热、过烧和未热透等。③由于温度在坯料内部分布不均，引起内应力（如温度应力、组织应力）过大而产生的坯料开裂等。下面介绍其中几种常见的缺陷，其余的可见有关的实例。
1.脱碳
脱碳是指金属在高温下表层的碳被氧化，使得表层的含碳量较内部有明显降低的现象。 脱碳层的深度与钢的成分、炉气的成分、温度和在此温度下的保温时间有关。采用氧化性气氛加热易发生脱碳，高碳钢易脱碳，含硅量多的钢也易脱碳。
脱碳使零件的强度和疲劳性能下降，磨损抗力减弱。
2.增碳
经油炉加热的锻件，常常在表面或部分表面发生增碳现象。有时增碳层厚度达1.5～1.6mm，增碳层的含碳量达1％（质量分数）左右，局部点含碳量甚至超过2％（质量分数），出现莱氏体组织。
这主要是在油炉加热的情况下，当坯料的位置靠近油炉喷嘴或者就在两个喷嘴交叉喷射燃油的区域内时，由于油和空气混合得不太好，因而燃烧不完全，结果在坯料的表面形成还原性的渗碳气氛，从而产生表面增碳的效果。
增碳使锻件的机械加工性能变坏，切削时易打刀。
3.过热
过热是指金属坯料的加热温度过高，或在规定的锻造与热处理温度范围内停留时间太长，或由于热效应使温升过高而引起的晶粒粗大现象。
碳钢（亚共析或过共析钢）过热之后往往出现魏氏组织。马氏体钢过热之后，往往出现晶内织构，工模具钢往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织。钛合金过热后，出现明显的β相晶界和平直细长的魏氏组织。合金钢过热后的断口会出现石状断口或条状断口。过热组织，由于晶粒粗大，将引起力学性能降低，尤其是冲击韧度。
一般过热的结构钢经过正常热处理（正火、淬火）之后，组织可以改善，性能也随之恢复，这种过热常被称之为不稳定过热；而合金结构钢的严重过热经一般的正火（包括高温正火）、退火或淬火处理后，过热组织不能完全消除，这种过热常被称之为稳定过热。
4.过烧
过烧是指金属坯料的加热温度过高或在高温加热区停留时间过长，炉中的氧及其它氧化性气体渗透到金属晶粒间的空隙，并与铁、硫、碳等氧化，形成了易熔的氧化物的共晶体，破坏了晶粒间的联系，使材料的塑性急剧降低。过烧严重的金属，撤粗时轻轻一击就裂，拔长时将在过烧处出现横向裂纹。
过烧与过热没有严格的温度界线。一般以晶粒出现氧化及熔化为特征来判断过烧。对碳钢来说，过烧时晶界熔化、严重氧化工模具钢（高速钢、Cr12型钢等）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时出现晶界熔化三角区和复熔球等。锻件过烧后，往往无法挽救，只好报废。
5.加热裂纹
在加热截面尺寸大的大钢锭和导热性差的高合金钢和高温合金坯料时，如果低温阶段加热速度过快，则坯料因内外温差较大而产生很大的热应力。加之此时坯料由于温度低而塑性较差，若热应力的数值超过坯料的强度极限，就会产生由中心向四周呈辐射状的加热裂纹，使整个断面裂开。
6.铜脆
铜脆在锻件表面上呈龟裂状。高倍观察时，有淡黄色的铜（或铜的固溶体）沿晶界分布。
坯料加热时，如炉内残存氧化铜屑，在高温下氧化钢还原为自由铜，熔融的钢原子沿奥氏体晶界扩展，削弱了晶粒间的联系。另外，钢中含铜量较高[＞2％（质量分数）]时，如在氧化性气氛中加热，在氧化铁皮下形成富铜层，也引起钢脆。
四、锻造工艺不当常产生的缺陷
锻造工艺不当产生的缺陷通常有以下几种
1.大晶粒
大晶粒通常是由于始锻温度过高和变形程度不足、或终锻温度过高、或变形程度落人临界变形区引起的。铝合金变形程度过大，形成织构；高温合金变形温度过低，形成混合变形组织时也可能引起粗大晶粒
晶粒粗大将使锻件的塑性和韧性降低，疲劳性能明显下降。
2.晶粒不均匀
晶粒不均匀是指锻件某些部位的晶粒特别粗大，某些部位却较小。产生晶粒不均匀的主要原因是坯料各处的变形不均匀使晶粒破碎程度不一，或局部区域的变形程度落人临界变形区，或高温合金局部加工硬化，或淬火加热时局部晶粒粗大。耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感。晶粒不均匀将使锻件的持久性能、疲劳性能明显下降。
3.冷硬现象
变形时由于温度偏低或变形速度太快，以及锻后冷却过快，均可能使再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化（硬化），从而使热锻后锻件内部仍部分保留冷变形组织。这种组织的存在提高了锻件的强度和硬度，但降低了塑性和韧性。严重的冷硬现象可能引起锻裂。
4.裂纹
裂纹通常是锻造时存在较大的拉应力、切应力或附加拉应力引起的。裂纹发生的部位通常是在坯料应力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和内部有微裂纹、或坯料内存在组织缺陷，或热加工温度不当使材料塑性降低，或变形速度过快、变形程度过大，超过材料允许的塑性指针等，则在撤粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中都可能产生裂纹。
5.龟裂
龟裂是在锻件表面呈现较浅的龟状裂纹。在锻件成形中受拉应力的表面（例如，未充满的凸出部分或受弯曲的部分）最容易产生这种缺陷。引起龟裂的内因可能是多方面的：①原材料合Cu、Sn等易熔元素过多。②高温长时间加热时，钢料表面有铜析出、表面晶粒粗大、脱碳、或经过多次加热的表面。③燃料含硫量过高，有硫渗人钢料表面。
6.飞边裂纹
飞边裂纹是模锻及切边时在分模面处产生的裂纹。飞边裂纹产生的原因可能是：①在模锻操作中由于重击使金属强烈流动产生穿筋现象。②镁合金模锻件切边温度过低；铜合金模锻件切边温度过高。
7.分模面裂纹
分模面裂纹是指沿锻件分模面产生的裂纹。原材料非金属夹杂多，模锻时向分模面流动与集中或缩管残余在模锻时挤人飞边后常形成分模面裂纹。
8.折叠
折叠是金属变形过程中已氧化过的表层金属汇合到一起而形成的。它可以是由两股（或多股）金属对流汇合而形成；也可以是由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合而形成的；也可以是由于变形金属发生弯曲、回流而形成；还可以是部分金属局部变形，被压人另一部分金属内而形成。折叠与原材料和坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况及锻造的实际操作等有关。
折叠不仅减少了零件的承载面积，而且工作时由于此处的应力集中往往成为疲劳源。
9.穿流
穿流是流线分布不当的一种形式。在穿流区，原先成一定角度分布的流线汇合在一起形成穿流，并可能使穿流区内、外的晶粒大小相差较为悬殊。穿流产生的原因与折叠相似，是由两股金属或一股金属带着另一股金属汇流而形成的，但穿流部分的金属仍是一整体。 穿流使锻件的力学性能降低，尤其当穿流带两侧晶粒相差较悬殊时，性能降低较明显。
10.锻件流线分布不顺
锻件流线分布不顺是指在锻件低倍上发生流线切断、回流、涡流等流线紊乱现象。如果模具设计不当或锻造方法选择不合理，预制毛坯流线紊乱；工人操作不当及模具磨损而使金属产生不均匀流动，都可以使锻件流线分布不顺。流线不顺会使各种力学性能降低，因此对于重要锻件，都有流线分布的要求。
11.铸造组织残留
铸造组织残留主要出现在用铸锭作坯料的锻件中。铸态组织主要残留在锻件的困难变形区。锻造比不够和锻造方法不当是铸造组织残留产生的主要原因。
铸造组织残留会使锻件的性能下降，尤其是冲击韧度和疲劳性能等。
12.碳化物偏析级别不符要求
碳化物偏析级别不符要求主要出现于莱氏体工模具钢中。主要是锻件中的碳化物分布不均匀，呈大块状集中分布或呈网状分布。造成这种缺陷的主要原因是原材料碳化物偏析级别差，加之改锻时锻比不够或锻造方法不当具有这种缺陷的锻件，热处理淬火时容易局部过热和淬裂。制成的刃具和模具使用时易崩刃等。
13.带状组织
带状组织是铁素体和珠光体、铁素体和奥氏体、铁素体和贝氏体以及铁素体和马氏体
篇二：锻件的缺陷包括表面缺陷和内部缺陷
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
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。本章概要介绍三方面的问题：锻造对金属组织、性能的影响与锻件缺陷；锻件质量检验的内容和方法；锻件质量分析的一般过程。
(一)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：强度指针、塑性指针、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，可以通过下列几方面来改善原材料的组织和性能：
1)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；2)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；3)控制晶粒的大小和均匀度；4)改善第二相(例如：莱氏体钢中的合金碳化物)的分布；5)使组织得到形变强化或形变——相变强化等。由于上述组织的改善，使锻件的塑性、冲击韧度、疲劳强度及持久性能等也随之得到了提高，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能。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、内部缺陷或性能不合格等。
(二)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0.02%～0.04%(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；含铝量过多，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1Cr18Ni9Ti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、偏析带及异金属混人等缺陷，易引起锻件性能下降。原材料的表面裂纹、折叠、结疤、粗晶环等易造成锻件的表面裂纹。
(三)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、工模具的情兄和润滑条件等，如果成形工艺不当，将可能引起粗大晶粒、晶粒不均、各种裂纹、折叠。寒流、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。
(四)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，如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。现举例说明如下：
1)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。
2)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、9Cr18不锈钢的孪晶碳化物等。
3)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。
4)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。锻造过程中常见的缺陷及其产生原因在第二章中将具体介绍。应当指出，各种成形方法中的常见缺陷和各类材料锻件的主要缺陷都是有其规律的。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°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、折叠和错移等。各主要成形工序中常见的缺陷将在第四章中详细介绍。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、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、折叠、涡流、穿流等。
篇三：大型锻件中常见的缺陷与对策
大型锻件中常见的缺陷与对策
大型锻件中的缺陷，从性质上分为化学成分、组织性能不合格，第二相析出，类孔隙性缺陷和裂纹五大类。从缺陷的产生方面可分为，在冶炼、出钢、注锭、脱模冷却或热送过程中产生的原材料缺陷及在加热、锻压、锻后冷却和热处理过程中产生的锻件缺陷两大类。
大型锻造中，由于锻件截面尺寸大，加热、冷却时，温度的变化和分布不均匀性大，锻压变形时，金属塑性流动差别大，加上钢锭大冶金缺陷多，因而容易形成一些不同于中小型锻造的缺陷。如严重偏析和疏松，密集性夹杂物，发达的柱状晶及粗大不均匀结晶，敏感开裂与白点倾向，晶粒遗传性与回火脆性，组织性能的严重不均匀性，形状尺寸超差等等。
大型锻件中常见的主要缺陷有；
1.偏析
钢中化学成分与杂质分布的不均匀现象，称为偏析。一般将高于平均成分者，称为正偏析，低于平均成分者，称为负偏析。尚有宏观偏析，如区域偏析与微观偏析，如枝晶偏析，晶间偏析之分。
大锻件中的偏析与钢锭偏析密切相关，而钢锭偏析程度又与钢种、锭型、冶炼质量及浇注条件等有关。合金元素、杂质含量、钢中气体均加剧偏析的发展。钢锭愈大，浇注温度愈高，浇注速度愈快，偏析程度愈严重。
（1）区域偏析
它属于宏观偏析，是由钢液在凝固过程中选择结晶，溶解度变化和比重差异引起的。如钢中气体在上浮过程中带动富集杂质的钢液上升的条状轨迹，形成须状∧形偏析。顶部先结晶的晶体和高熔点的杂质下沉，仿佛结晶雨下落形成的轴心∨形偏析。沉淀于锭底形成负偏析沉积锥。最后凝固上部区域，碳、硫、磷等偏析元素富集，成为缺陷较多的正偏析区。
图片6-1为我国解剖的55t34CrMolA钢锭纵剖面硫印低倍图片及区域偏析示意图。
图片6-1 钢锭区域偏析硫印示意图
①“∧”型偏析带②“∨”型偏析带③负偏析区
防止区域偏析的对策是：
1）降低钢中硫、磷等偏析元素和气体的含量，如采用炉外精炼，真空碳脱氧（VCD）处理及锭底吹氩工艺。
2）采用多炉合浇、冒口补浇、振动浇注及发热绝热冒口，增强冒口补缩能力等措施。
3）严格控制注温与注速，采用短粗锭型，改善结晶条件。
在锻件横向低倍试片上，呈现与锭型轮廓相对应的框形特征，亦称框形偏析。图片6-2是30CrMnSiNiA钢制模锻件低倍试片上显示的锭型偏析。因锭中偏析带在变形时，沿分模面扩展而呈现为框形。偏析带由小孔隙及富集元素构成，对锻件组织性能的均匀性有不良的影响。
电渣重熔以其纯净度高、结晶结构合理，成为生产重要大锻件钢坯的方法，但是如果在重熔过程中电流、电压不稳定，则会形成波纹状偏析。当电流、电压增高时，钢液过热，结晶速度减缓，钢液中的溶质元素在结晶前沿偏聚形成富集带；当电流、电压减小时，熔质元素偏聚程度减小，这种周期性的变化，便形成了波纹状的偏析条带，如图片6-3所示。
区域偏析在横向低倍酸浸试片上呈分散的深色斑点状，称之为点状偏析。图片6-4为分布于整个横向截面上的点状偏析。
图片6-2 30CrMnSiNiA钢模锻件模向低倍试片上显示的区域偏析
1:1盐酸水溶液热蚀
图片6-3 30CrMnSiNiA电渣重熔钢锻坯上的波纹状偏析
1:1盐酸水溶液热蚀
图片6-4 45钢锻件模向低倍试片上的点状偏析
1:1盐酸水溶液热蚀
（2）枝晶偏析
它属于微观偏析。树枝状结晶与晶间微区成分的不均匀性，可能引起组织性能的不均匀分布。采用扫描电镜（SEM）、波谱仪（WDS）、能谱仪（EDS）进行微区观察和成分分析可以检出并阐明原因，一般通过高温扩散加热，锻压合理变形与均匀化热处理可以消除或减轻其不良影响。
2.夹杂物与有害微量元素
夹杂物按其来源可分为内生夹杂与外来夹杂两种。
常见的内生夹杂物主要有硫化物、硅酸盐、氧化物等。它们在钢中的数量和组成与钢的成分、冶炼质量、浇注过程以及脱氧方法有关。熔点高的内生夹杂，凝固先于基体金属，结晶不受阻碍，呈现为有规则的棱角外形；熔点较低的内生夹杂，由于受已凝固金属的限制，形态多为球或条状、枝晶状沿晶界分布。硫化物与塑性较好的
硅酸盐组元，当钢锭经锻压变形时，沿主变形方向延伸，呈条带状。图片6-5示出34CrNi3Mo转子钢中拉长的MnS夹杂形状。而氧化物及塑性较差的硅酸盐夹杂，在锻压变形时被破碎成小颗粒，呈链球状分布。图片6-6为沿变形方向分布的链状氧化物夹杂。尺寸细小，弥散分布的内生夹杂，多为微观缺陷，危害程度较小。而大片或密集云团状分布的夹杂构成宏观缺陷，对锻件使用有极不良的影响，容易引发严重的失效事故。
图片6-5 变形后的MnS夹杂形态SEM 500×图片6-6 被变形破碎的氧化物夹杂LM未浸蚀 500×外来夹杂系指混人钢中的炉渣、保护渣、氧化膜、耐火材料和异金属块等。通常外来夹杂较粗大，严重分布将破坏钢的连续性而报废。
随着高参数，大型化机器设备的发展，对大锻件的质量提出了更为严格的要求，为此对钢中铅、锑、锡、铋、砷等微量元素需要控制，以提高锻件的强韧化水平。
降低钢中夹杂的一般对策是：
1）钢液真空处理，炉外精炼，控制钢液质量；
2）清洁浇注，防止外来夹杂污染与异金属进人；
3）合理锻造变形，改善夹杂分布。
3.缩孔与疏松
该类孔隙性缺陷，破坏金属连续性，形成应力集中与裂纹源，属于不允许的缺陷。
钢锭开坯时切除量不够，残留缩孔及疏松，表现为锻件端头有管状孔穴或者严重中心疏松。图片6-7所示为9Cr2Mo钢制冷轧辊，因钢锭浇注温度偏低，冒口补缩不良，缩孔深入到锭身区，锻造时未能完全切除而形成缩孔残余。横向试片上中心部位呈现出枝叉状孔洞特征。进一步解剖，末端存在疏松组织。
图片6-7 锻件中缩孔残余横向试片上的宏观形貌
防止该类缺陷的对策是：
1）严格控制浇注温度和速度，防止低温慢速注锭；
2）采用发热冒口或绝热冒口，改善补缩条件使缩孔上移至冒口区，防止缩孔深人到锭身处；
3）控制锻造时钢锭冒口切头率，充分切净缩松缺陷。合理锻压变形，压实疏松缺陷。
4.气泡
气泡分内部气泡与皮下气泡两种：
钢中气体由炉料、炉气、空气进人，当冶炼时脱氧不良，沸腾排气不充分，则钢液中气体含量过多，凝固过程中，随温度降低，气体溶解度下降而由钢液中析出，形成内部气泡。当钢锭模壁潮湿、锈蚀、涂料中含有水分或挥发性物质，在注人高温钢水时产生气体向钢锭表层渗透，形成皮下气泡。
气泡经过锻压变形会压扁或扩展成裂纹。
防止气泡的对策是：
1）充分烘烤炉料与浇注系统；
2）冶炼时充分脱气，并采用保护浇注工艺；
3）高温扩散、锻压焊合孔洞缺陷；
4）及时烧剥表面裂纹。
5.锻造裂纹
在大型锻造中，当原材料质量不良或锻造工艺不当时，常易产生锻造裂纹。下面介绍几个由于材质不良引起锻裂的情况。
（1）钢锭缺陷引起的锻造裂纹
大部分钢锭缺陷，锻造时都可能造成开裂，图片6-8所示为2Cr13主轴锻件中心裂纹。这是因为该6t钢锭凝固时结晶温度范围窄，线收缩系数大。冷凝补缩不足，内外温差大，轴心拉应力大，沿枝晶开裂，形成钢锭轴心晶间裂纹，该裂纹在锻造时进一步扩展而成主轴锻件中已裂纹。该缺陷可通过下列措施予以消除：①提高冶炼钢水纯净度；②铸锭缓慢冷却，减少热应力；③采用良好的发热剂与保温帽，增大补缩能力；④采用中心压实锻造工艺。
图片6-8 轴心晶间裂纹引起的锻造开裂
（2）钢中有害杂质沿晶界析出引起的锻造裂纹。
钢中的硫常以FeS形式沿晶界析出，其熔点仅有982℃，在1200℃锻造温度下，晶界上FeS将发生熔化，并以液态薄膜形式包围晶粒，破坏晶粒间的结合而产生热脆，轻微锻击就会开裂。
钢中含铜在1100～1200℃温度下的过氧化性气氛中加热时，由于选择性氧化，表层会形成富铜区，当超过铜在奥氏体中溶解度时，铜则以液态薄膜形式分布于晶界，形成铜脆，不能锻造成形。如果钢中还存在有锡、锑还会严重降低铜在奥氏体中的溶解度，加剧这种脆化倾向。图片6-9为16Mn钢锻件网状裂纹，因含铜量过高，锻造加热时，表面选择性氧化，使铜沿晶界富集，锻造裂纹沿晶界富铜相生核并扩展而形成。
图片6-9 16Mn钢锻造网状裂纹LM4%稀硫酸水溶液浸蚀
（3）异相（第二相）引起的锻造裂纹
钢中第二相的力学性能往往和金属基体有很大的差别，因而在变形流动时会引起附加应力导致整体工艺塑性下降，一旦局部应力超过异相与基体间结合力时，则发生分离形成孔洞。例如钢中的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅酸盐等等。假如这些相呈密集。链状分布，尤其在沿晶界结合力薄弱处存在，高温锻压就会开裂。图片6-10是20SiMn钢 87t锭因细小的 AlN沿晶界析出引起锻造开裂的宏观形貌，其表面已经氧化，呈现多面体柱状晶。微观分析表明，锻造开裂与细小的颗粒状AlN沿一次晶晶界大量析出有关。
图片6-10 AlN引起的锻造开裂
防止因氮化铝沿晶析出引起锻造开裂的对策是：
1）限制钢中加铝量，去除钢中氮气或用加钛法抑制AlN析出量；
2）采用热送钢锭，过冷相变处理工艺；
3）提高热送温度（＞900℃）直接加热锻造；
4）锻前进行充分的均匀化退火，使晶界析出相扩散。
6.过热、过烧与温度不均
加热温度过高或高温停留时间过长时易引起过热、过烧。过热使材料的塑性与冲击韧性显著降低。过烧时材料的晶界剧烈氧化或者熔化，完全失去变形能力。
当加热温度分布严重不均匀，表现为锻坯内外、正反面、沿长度温差过大，在锻造时引起不均变形，偏心锻造等缺陷，亦称欠热。
图片6-11是5tPCrNi3Mo钢锻坯过热组织，因加热温度太高引起的过热特征。试样用10％（体积分数）硝酸水溶液和10％（体积分数）硫酸水溶液腐蚀，金相显微镜（LM）观察，晶粒粗大，晶界呈黑色，基体灰白色，显示为过热特征。
图片6-12所示为轴承钢GCr15SiMn锻件过烧引起的裂纹，晶界上有熔化痕迹及低熔点剧相，裂纹沿晶界扩展。试样用4％（体积分数）硝酸酒精溶液侵蚀后呈黑色晶界，明显烧坏，锻坯过烧报废。
《锻件缺陷分析与对策》
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