影响锻件质量主要因素

影响锻件质量主要因素一．原材料的化学成分：1.磷（P）能溶于铁素体中，其固溶强化能力很强，当其融入铁素体后使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低。磷还具有极大的偏析倾向。2硫（S）在钢中的溶解度很小，在钢锭的凝固过程中，硫聚集于最后凝固的地方，形成硫化物夹杂，严重影响钢的塑性。当硫以FeS形式存在时，FeS与Fe形成易熔共晶体，其熔点为985℃，分布于晶界。当钢在800-1200℃锻造时，由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发生熔化，而导致锻件开裂，这种现象称为热脆性。这种钢必须在1000℃以上长时间退火扩散才能锻造。若钢中含有足够数量的锰，可以消除硫的有害作用。3氮（N）在590℃时，溶解于铁素体的量为0.1%，但在室温时，则降至0.001%以下。当氮含量较高的钢自高温较快冷却时，铁素体中的氮呈过饱和状态，随后在室温或稍高温度下，氮将逐渐以Fe4N形式析出，使钢的强度、硬度增高，塑性和韧性大为下降，这种现象称为时效脆性。4氢（H）在钢中的溶解度随温度的降低而下降，当氢含量较高的钢锭，经锻、轧后较快冷却时，从固溶体析出的氢原子来不及向钢坯表面扩散，而集中在钢内缺陷处形成H2，产生相当大的压力，这种压力在组织应力和热应力的共同作用下，引起氢脆，而出现细微裂纹，即所谓白点。5氧（O）在铁素体的溶解度很小，以夹杂物形式存于钢中。氧化物熔点高、硬而脆，通常分布在晶粒边界，会严重影响钢的塑性，降低疲劳强度。氧化铁还会与其他夹杂物形成易熔共同体，分布于晶界处，造成钢的热脆性。6各种合金元素对钢的影响：a.镍（Ni）使钢具有很高的强度、塑性和抗蚀性。b.Cr能提高钢的强度和硬度，增加耐磨性和耐热性，还能显著提高钢的抗氧化性和抗蚀性。C.Mo能提高钢的强度和硬度，并略降低塑性和韧性，它最大的特点是使钢具有较高的耐热性。d.Si一般含量超过2.5%时锻造就比较困难。e.Mn会提高钢的强度，硬度增强耐磨性和抗磁性而降低韧性。二、钢锭的质量1.冶炼方式冶炼的方式：碱性平炉、酸性平炉和电炉冶炼。a碱性平炉：优点是对炉料要求不高，可排除大量的硫、磷夹杂元素，但氢的含量较高。钢中的非金属夹杂物主要是氧化物和硫化物。b酸性平炉：不易去除硫、磷，因此对原料要求较高，应预先进行精选。含氢量较低。钢中的非金属夹杂物主要是硅酸盐，且呈球状分布。c碱性电炉冶炼：与碱性平炉冶炼相似，但周期短,不受炉气污染的影响。e若以上的方法无法满足使用要求，可采用真空精炼法和电渣重溶法。2.我国锻造用大型钢锭有两种规格，一种是普通锻件用的4%锥度、高径比为1.8-2.3、冒口比例为17%的钢锭；另一种是优质锻件用的11-12%锥度、高径比为1.5左右、冒口比例为20%-24%的钢锭。3.锭身呈多角形的钢锭，凝固均匀，有效防止角偏析。钢锭愈大，锭身角数愈多，有八角形、十二角形和十四角形。锭身锥度的增加有利于钢液中的尖杂物和气体上浮，有利于凝固补缩和减少偏析程度。4.铸锭的过程对钢锭质量有很大的影响，钢液流入盛钢桶后，为了使夹杂上浮和排除气体，必须静置一段时间。浇注分为上浇注和下浇注，下注法容易混进夹杂，因此大型钢锭普遍采用上注法。5.钢锭底部和冒口占钢锭重量的5%-7%和18%-25%，对于合金钢，切除的冒口应占钢锭的25%-30%，底部占7%-10%。6.钢锭的几种缺陷a.偏析：钢锭内部化学成分和杂质分布的不均匀性称为偏析。偏析是钢液凝固时选择结晶的产物。偏析分为树枝状偏析（或称显微偏析）和区域偏析（或称低倍偏析）两种。树枝状偏析通过锻造和锻后热处理可以消除。b.夹杂：钢锭内部不溶解于基体金属的非金属化合物，经过热、冷处理仍不能消失。通常有：硅酸盐、硫化物和氧化物。夹杂物破坏金属的连续性，在应力作用下夹杂与基体金属间产生应力集中，并容易发生显微裂纹，必然要降低锻件的机械性能。c.气体含量（纯净度）：氢、氧、氮等气体时通过炉料和炉气溶入钢液的，氧和氮在钢锭中是以氧化物和氮化物出现的，氢是以原子状态存在的。氢是钢锭中危害最大的气体。氢在钢中的溶解度随温度下降而减低，铸锭时在凝固过程中超过溶解度的氢来不及从钢锭中析出，仍以原子状态过饱和地固溶于钢中，随后部分地扩散到钢锭的孔隙内，并结合成分子，从而构成锻件产生白点的根本原因。自采用钢液真空处理技术以来，危害气体已基本能够消除。d.缩孔和疏松：缩孔在冒口区形成，由于没有钢液补充而造成不可避免的缺陷。锻造时应将冒口和缩孔一并切除，否则因缩孔不能锻合而造成内部裂纹。疏松是由于晶间钢液最后凝固收缩造成的晶间空隙和钢液凝固过程析出气体构成的显微孔隙。疏松使钢锭组织致密程度下降，影响锻件的机械性能，因此在锻造时要求增大变形程度，以便锻透钢锭，将疏松消除。三、锻造工艺1.在考虑锻造温度时，要考虑毛坯与工模具接触过程中的温降，要对工模具进行预热。2.对难变形合金程度高的合金，应尽量采用慢速变形，并控制每一锤击或压力机的每一行程变形量，一般控制在20%左右，对速度敏感的材料，选择变形速度要同时考虑温度效应。3.闭式模锻的塑性比开式模锻好，而开式模锻又比自由锻好，在自由锻工序中，型砧拔长和带圈的镦粗要比平砧拔长和不带圈镦粗更能发挥金属的塑性。4.低塑性拔长时，应注意选择合适的送进比，送进比太小时，变形集中在上下部，中心都锻不透，并沿轴向产生拉应力，导致内部横向裂纹产生。在镦粗时，常用软衬垫镦粗或叠镦（用于锻薄饼形零件），以改善变形的不均匀性，防止产生表面裂纹。5.在考虑锻造工艺时特别是最后一火的锻造时，应尽量避免在临界变形程度下进行，以免得到粗大晶粒组织。具体来说，高温下金属塑性好，变形抗力小，应采用远大于临界变形程度的较大变形量锻造；低温修正时采用低于临界变形程度的小变形量进行局部修整。6.若因温度和变形程度选择不当而得到粗大晶粒时，可利用热处理相变细化晶粒组织，但对于热处理中不发生相变的钢种，如奥氏体钢，就必须在锻造过程中获得细小而均匀的晶粒组织，因此对这样的材料在锻造时须加倍注意。7.由于热变形形成纤维组织，会使金属的力学性能出现异向性，即纵向力学性能指标中的A,Z,Ak比横向相应的指标大得多，两个方向上的强度Rm。Re差别不大。8.热变形对力学性能的提高是有限的，研究表明：当锻比不大于5时，金属的力学性能提高较快，而且金属力学性能的异向性不明显，而当锻造比大于5时，纤维组织造成的力学性能异向性将随着锻造比的加大越来越明显地表现出来，纵向力学性能提高甚微，横向力学性能则急剧下降。因此采用过大的变形程度对锻件质量有害无益。9.锻件的冷却：钢的化学成分越单纯，则允许的冷却速度越快，反之亦然。对于中小型碳钢和低合金钢锻件，在锻后均采取冷却速度较快的空冷方法。而合金成分复杂的合金钢锻件，在锻后则采取冷却速度缓慢的坑冷或炉冷的方法。a.对于含碳较高的钢（碳素工具钢，合金工具钢及轴承钢）如果锻后采取缓慢冷却，在晶界会析出网状碳化物，将严重影响锻件使用性能，因此这类钢的锻件冷却，在锻后先用空冷、鼓风或喷雾快速冷却到700度，然后再把锻件放入坑中或炉中缓慢冷却。b.对于没有相变的钢（奥氏体钢、铁素体钢），由于锻件的冷却过程无相变，可采用快速冷却。同时为了锻后获得单相组织，以及防止铁素体钢475度脆性，也要求快速冷却，所以这类钢的锻件冷却通常采用空冷方法。c.对于空冷自淬钢（如高速钢，不锈钢，高合金工具钢）因空冷就能发生马氏体的相变，会引起较大的组织应力而很容易产生冷却裂纹，所以这类钢锻后必须缓慢冷却。d.对于白点敏感的钢（如铬镍钢34CrNiMo）为了防止冷却过程产生白点，应按一定冷却规范进行炉冷。e.通常用钢材锻成的锻件在锻后的冷却速度比用钢锭锻成的锻件在锻后的冷却速度快。f.一般断面尺寸大的锻件，因冷却过程温度应力大，锻后应缓慢冷却，反之对于断面尺寸过小的锻件，锻后可以快速冷却。g.当锻件锻后冷却允许空冷，则不必采取中间冷却。10.合理制定加热保温规程并严格执行，防止产生过烧和过热等现象。