大型锻件中常见的缺陷与对策

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1、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

2、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 状人形偏析。顶部先结晶

3、的晶体和高熔点的杂质下沉，仿佛结晶雨下落形成的 轴心V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“人”型偏析带“V”型偏析带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

4、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

5、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

6、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

7、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 500X图片6-6被变形破碎的氧化物夹杂LM未浸蚀500X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

8、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，

9、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；

10、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2Crl3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：提高冶炼钢水纯净度；铸锭缓慢冷却，减少热应力；采用良好 的发热剂与保温帽，增大补缩能力；采用中心压实锻造工艺。图片6-8轴心晶间

11、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982C,在1200C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11001200C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

12、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

13、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（900C ）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5tPCrNi3

14、Mo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，锻坯过烧报废图片6-11 PCrNi3Mo钢锻件过热组织100X图片6-12 GCr15SiMn钢锻件过烧组织100X防止加热缺陷的对策是：1）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

15、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。图片6-13 宏观断口上的白点形貌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

16、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

17、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

18、，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 细瓷状的表淬层图片 6-14 轧辊表面淬火时横向开裂 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。