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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
碧螺春 正 举报 发表于 2009 年 06 月 15 日 16:54 阅读(53) 评论(0) 分类: 欢迎指

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。 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。 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。 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。 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。 (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。 (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。 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。 防止加热缺陷的对策是: l)严格执行正确的加热规范;

2)注意装炉方式,防止局部加热; 3)调准测温仪表,精心加热操作,控制炉温、炉气流 动,防止不均匀加热。 7.白点 白点是锻件在锻后冷却过程中产生的一种内部缺陷。其 形貌在横向低倍试片上为细发丝状锐角裂纹,断口为银白色 斑点。照片 6-13 为 Cr-Ni-Mo 钢锻件纵向断口上的白点。 其形状不规则,大小悬殊,最小长轴尺寸仅 2mm,最大的为 24mm。 白点实质是一种脆性锐边裂纹,具有极大的危害性,是马氏 体和珠光体钢中十分危险的缺陷。 白点成因是钢中氢在应力作用下向拉应力区富集,使钢 产生所谓氢脆,发生脆性断裂,所以氢和附加应力联合作用 是白点产生的原因。 防止白点的对策主要是: 1)降低钢中氢含量,如注意烘烤炉料,冶炼时充分沸 腾,真空除气,炉外精炼脱气等。 2)采用消除白点的热处理,主要任务是扩散钢中氢, 消除应力,如扩氢退火热处理等。详见锻造过程中常见的缺 陷中的锻后清理工艺不当常产生的缺陷。 8.组织性能不均匀 大型锻件因其尺寸大,工序多,周期长,工艺过程中不

均匀,不稳定因素多,所以常常造成组织性能严重不均匀, 以致在力学性能试验,金相组织检查和无损探伤时不能通 过。由于钢锭中化学成分偏析,夹杂物聚集,各种孔隙性缺 陷的影响;加热时温度变化缓慢,分布不均,内应力大,缺 陷较多;高温长时间锻造,局部受力局部变形,塑流状况、 压实程度、变形分布差别较大;冷却时扩散过程缓慢,组织 转变复杂,附加应力大。以上诸因素都可能导致组织性能严 重不均匀,质量不合格。 提高大型锻件均匀性的措施: 1)采用先进的冶铸技术,提高钢锭的冶金质量; 2)采用控制锻造,控制冷却技术,优化工艺过程,提 高大锻件生产的技术经济水平。 9.淬火裂纹与回火脆性 许多对力学性能与表面硬度要求高的大锻件,锻后要经 粗加工,再进行调质热处理或表面淬火。在热处理时,由于 温度急剧变化,将产生很大的温度应力。由于相变还产生组 织应力,和锻件存在的残余应力叠加,合成的拉应力值如果 超过材料的抗拉强度,并且没有塑性变形松弛,将会产生各 种形式的开裂和裂纹。例如纵向、横向、表面和中心裂纹, 表面龟裂和表层剥离等。由于大锻件截面尺寸大,加热、冷 却时温度分布不均匀,相变过程复杂,残余应力大,而且程 度不同地存在着各种宏观和微观缺陷,塑性差,韧性低,这

都能加剧裂纹萌生与扩展的过程,往往形成即时的或延时的 开裂破坏,甚至炸裂与自然置裂等,造成重大经济损失。 照片 6-14 是一支 9Cr2Mo 钢轧辊表面淬火横向裂纹,在 调质淬火加热时出现过热,而且回火不足,心部保留较高的 残余内应力,在以后的工频热处理表面淬火时,心部拉应力 与残余应力迭加,超过该钢的强度极限,引起断裂为三段。 图示断口表明:裂纹源于过热粗晶的心部,沿径向有放射状 的撕裂棱,表层为细瓷状的表淬层。 防止淬火裂纹的一般对策是: 1)采用合理的热处理规范,控制加热速度与冷却过程, 减少加热缺陷与温度应力; 2)避免锻件中存在严重的冶金缺陷与残余应力; 3)淬火后及时回火。 回火脆性系碳化物析出或磷、锡、锑、砷等有害微量元 素沿晶界聚集而引起的脆性增大的倾向。 防止回火脆性的对策是: 1)减少钢中有害元素的含量; 2)减少钢中偏析; 3)避免在回火脆性温度区热处理,适当快冷,防止有 害组元富集。


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