鍛造對金屬組織、性能的影響與鍛件缺陷
2008-05-15（一）鍛造對金屬組織和性能的影響 鍛造生產(chǎn)中，除了必須保證鍛件所要求的形狀和尺寸外，還必須滿足零件在使用過程中所提出的性能要求，其中主要包括：強(qiáng)度指針、塑性指針、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌度和抗應(yīng)力腐蝕性能等，對高溫工作的零件，還有高溫瞬時(shí)拉伸性能、持久性能、抗蠕變性能和熱疲勞性能等。鍛造用的原材料是鑄錠、軋材、擠材和鍛坯。而軋材、擠材和鍛坯分別是鑄錠經(jīng)軋制、擠壓及鍛造加工后形成的半成品。鍛造生產(chǎn)中，采用合理的工藝和工藝參數(shù)，可以通過下列幾方面來改善原材料的組織和性能：1）打碎柱狀晶，改善宏觀偏析，把鑄態(tài)組織變?yōu)殄憫B(tài)組織，并在合適的溫度和應(yīng)力條件下，焊合內(nèi)部孔隙，提高材料的致密度；2）鑄錠經(jīng)過鍛造形成纖維組織，進(jìn)一步通過軋制、擠壓、模鍛，使鍛件得到合理的纖維方向分布；3）控制晶粒的大小和均勻度；4）改善第二相（例如：萊氏體鋼中的合金碳化物）的分布；5）使組織得到形變強(qiáng)化或形變——相變強(qiáng)化等。由于上述組織的改善，使鍛件的塑性、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度及持久性能等也隨之得到了提高，然后通過零件的Z后熱處理就能得到零件所要求的硬度、強(qiáng)度和塑性等良好的綜合性能。但是，如果原材料的質(zhì)量不良或所采用的鍛造工藝不合理，則可能產(chǎn)生鍛件缺陷，包括表面缺陷、內(nèi)部缺陷或性能不合格等。
（二）原材料對鍛件質(zhì)量的影響 原材料的良好質(zhì)量是保證鍛件質(zhì)量的先決條件，如原材料存在缺陷，將影響鍛件的成形過程及鍛件的Z終質(zhì)量。如原材料的化學(xué)元素超出規(guī)定的范圍或雜質(zhì)元素含量過高，對鍛件的成形和質(zhì)量都會(huì)帶來較大的影響，例如：S、B、Cu、Sn等元素易形成低熔點(diǎn)相，使鍛件易出現(xiàn)熱脆。為了獲得本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，鋼中殘余鋁含量需控制在一定范圍內(nèi)，例如Al酸0．02％～0．04％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。含量過少，起不到控制晶粒長大的作用，常易使鍛件的本質(zhì)晶粒度不合格；含鋁量過多，壓力加工時(shí)在形成纖維組織的條件下易形成木紋狀斷口、撕痕狀斷口等。又如，在1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼中，Ti、Si、Al、Mo的含量越多，則鐵素體相越多，鍛造時(shí)愈易形成帶狀裂紋，并使零件帶有磁性。如原材料內(nèi)存在縮管殘余、皮下起泡、嚴(yán)重碳化物偏析、粗大的非金屬夾雜物（夾渣）等缺陷，鍛造時(shí)易使鍛件產(chǎn)生裂紋。原材料內(nèi)的樹枝狀晶、嚴(yán)重疏松、非金屬夾雜物、白點(diǎn)、氧化膜、偏析帶及異金屬混人等缺陷，易引起鍛件性能下降。原材料的表面裂紋、折疊、結(jié)疤、粗晶環(huán)等易造成鍛件的表面裂紋。
（三）鍛造工藝過程對鍛件質(zhì)量的影響 鍛造工藝過程一般由以下工序組成，即下料、加熱、成形、鍛后冷卻、酸洗及鍛后熱處理。鍛造過程中如果工藝不當(dāng)將可能產(chǎn)生一系列的鍛件缺陷。加熱工藝包括裝爐溫度、加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、爐氣成分等。如果加熱不當(dāng)，例如加熱溫度過高和加熱時(shí)間過長，將會(huì)引起脫碳、過熱、過燒等缺陷。 對于斷面尺寸大及導(dǎo)熱性差、塑性低的坯料，若加熱速度太快，保溫時(shí)間太短，往往使溫度分布不均勻，引起熱應(yīng)力，并使坯料發(fā)生開裂。鍛造成形工藝包括變形方式、變形程度、變形溫度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)、工模具的情兄和潤滑條件等，如果成形工藝不當(dāng)，將可能引起粗大晶粒、晶粒不均、各種裂紋、折疊。寒流、渦流、鑄態(tài)組織殘留等。 鍛后冷卻過程中，如果工藝不當(dāng)可能引起冷卻裂紋、白點(diǎn)、網(wǎng)狀碳化物等。
（四）鍛件組織對Z終熱處理后的組織和性能的影響 奧氏體和鐵素體耐熱不銹鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金等在加熱和冷卻過程中，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料，以及一些銅合金和鈦合金等，在鍛造過程中產(chǎn)生的組織缺陷用熱處理的辦法不能改善。在加熱和冷卻過程中有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料，如結(jié)構(gòu)鋼和馬氏體不銹鋼等，由于鍛造工藝不當(dāng)引起的某些組織缺陷或原材料遺留的某些缺陷，對熱處理后的鍛件質(zhì)量有很大影響。現(xiàn)舉例說明如下：
1）有些鍛件的組織缺陷，在鍛后熱處理時(shí)可以得到改善，鍛件Z終熱處理后仍可獲得滿意的組織和性能。例如，在一般過熱的結(jié)構(gòu)鋼鍛件中的粗晶和魏氏組織，過共析鋼和軸承鋼由于冷卻不當(dāng)引起的輕微的網(wǎng)狀碳化物等。
2）有些鍛件的組織缺陷，用正常的熱處理較難消除，需用高溫正火、反復(fù)正火、低溫分解、高溫?cái)U(kuò)散退火等措施才能得到改善。例如，低倍粗晶、9Cr18不銹鋼的孿晶碳化物等。
3）有些鍛件的組織缺陷，用一般熱處理工藝不能消除，結(jié)果使Z終熱處理后的鍛件性能下降，甚至不合格。例如，嚴(yán)重的石狀斷口和棱面斷口、過燒、不銹鋼中的鐵素體帶、萊氏體高合金工具鋼中的碳化物網(wǎng)和帶等。
4）有些鍛件的組織缺陷，在Z終熱處理時(shí)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，甚至引起開裂。例如，合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件中的粗晶組織，如果鍛后熱處理時(shí)未得到改善，在碳、氮共滲和淬火后常引起馬氏體針粗大和性能不合格；高速鋼中的粗大帶狀碳化物，淬火時(shí)常引起開裂。 鍛造過程中常見的缺陷及其產(chǎn)生原因在第二章中將具體介紹。應(yīng)當(dāng)指出，各種成形方法中的常見缺陷和各類材料鍛件的主要缺陷都是有其規(guī)律的。不同成形方法，由于其受力情況不同，應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)不一樣，因而可能產(chǎn)生的主要缺陷也是不一樣的。例如，坯料鐓粗時(shí)的主要缺陷是側(cè)表面產(chǎn)生縱向或45°方向的裂紋，錠料鐓粗后上、下端常殘留鑄態(tài)組織等；矩形截面坯料拔長時(shí)的主要缺陷是表面的橫向裂紋和角裂，內(nèi)部的對角線裂紋和橫向裂紋；開式模鍛時(shí)的主要缺陷則是充不滿、折疊和錯(cuò)移等。各主要成形工序中常見的缺陷將在第四章中詳細(xì)介紹。 不同種類的材料，由于其成分、組織不同，在加熱、鍛造和冷卻過程中，其組織變化和力學(xué)行為也不同，因而鍛造工藝不當(dāng)時(shí)，可能產(chǎn)生的缺陷也有其特殊性。例如，萊氏體高合金工具鋼鍛件的缺陷主要是碳化物顆粒粗大、分布不均勻和裂紋，高溫合金鍛件的缺陷主要是粗晶和裂紋；奧氏體不銹鋼鍛件的缺陷主要是晶間貧鉻，抗晶間腐蝕能力下降，鐵素體帶狀組織和裂紋等；鋁合金鍛件的缺陷主要是粗晶、折疊、渦流、穿流等。（來源：中鋁網(wǎng)）