原材料和锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响

(―)原材料对组织和性能的影响
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、挤压及锻造加工后
形成的半成品。对铸锭子来说,炉料成分、冶炼方法及锻造工艺是决定其质量的重要环节。而轧制、挤压及锻造
加工过程,则是决定相应半成品质量的又一环节。
原材料在进入锻造过程之前,需经尺寸、表面质量、化学成分、高倍组织、低倍组织及机械性能的检验,
符合技术条件要求后方能投入生产。
原材料的化学成分、高倍组织、低倍组织及机械性能是保证锻件组织性能的基础,而原材料的尺寸和表面
质量直接影响锻件的工艺塑性及成形。此外,原材料的可锻性及其再结晶特点是确定锻造工艺参数的基础。
因此,原材料的良好质量是保证锻件质量的先决条件。
但是,原材料的质量检验具有一定的局限性(如:漏检和取样不具有代表性等等),原材料的技术条件规
定的检验方法,不可能把钢材内部的所有质量问题都暴露出来,如:内部成分与偏析等。因此,原材料存在的各
种缺陷,势必影响锻件的成形过程及锻件的最终质量。
原材料对锻件组织和性能的影响,主要有以下几个方面:
1 .化学成分及杂质元素的影响
在原材料的技术条件中,对化学元素皆规定了相应的成分范围,对杂质元素s、P、Cu、Sn、Pb等也有一定 的限制。化学元素超出规定的范围和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。
S、B、Cu、Sn等元素易形成低熔点相,使锻件易出现热脆。 含A1量对合金结构钢的本质晶粒度有一定影响。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 (如:A1酸 0.02P.04%).含铝量过少,起不到控制晶粒长大的作用;含铝量过多,压力加工时在形成纤维
组织的条件下易造木纹断口、撕痕状断口等,这些都会降低锻件的机械性能和使用性能。
在 lCrl8Ni9Ti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 时越易形成表面裂纹,并使零件有磁性。
原材料中的共晶相对锻件的形成及锻件质量有很大的影响,它使材料在锻前加热时容易过烧和降低材料的
塑性指标等。如:莱氏体工具钢中的一次共晶碳化物,铝合金挤压棒材中的树支状共晶化合物等。而钛合金原材
料中的粗大B 相直接影响锻件的常规机械性能。
2 .原材料内部缺陷的影响
原材料内部的缩管残余、皮下气泡、严重碳化物偏析、粗大的非金属夹杂物(夹渣)等缺陷,易使锻件产生裂纹。
原材料内部的树支状晶、严重疏松、非金属夹杂物、白点、翻皮、氧化膜、分层、偏析带及异金属混入等
缺陷,易引起锻件性能下降。微量的非金属夹杂物对冷轧辑及轴承钢的寿命也有较大的影响。
3.原材料表面缺陷的影响
原材料表面裂纹、折迭、结疤、粗晶环等易造成锻件的表面裂纹。
4.原材料流线的影响
供锻造和模锻的轧材、挤材及锻坯均具有纤维组织,因此其性能都具有方向性,这也是造成锻件性能呈方
向性的基本原因。其方向性的严重程度,既取决于原材料中S、P及其他杂质的含量、又取决于原材料的锻比。
因此,选择锻件的锻造方案时,应根据零件的受力情况,注意流线的正确分布。
原材料的可锻性及再结晶特点对锻件成形和锻件质量也有很大的影响。可锻性良好的材料成形性好。一般
来说碳钢和合金结构钢的工艺塑性较高,变形抗力较低,可锻性好。而高合金及高温合金的工艺塑性低,变形抗
力大,可锻性差。铝合金居中,各种合金都有一定的临界变形范围,当变形程度在此范围内时,晶粒特别粗大,
使锻件的机械性能降低,锻造时应避开这个临界变形范围。
(- )锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响
为获得良好组织性能的锻件,除了需要保证良好的原材料质量外,还需要有合理的锻造工艺过程和热处理
工艺。
锻造工艺过程一般有以下工序组成,即下料、加热、成形、锻后冷却、酸 洗 (腐蚀)及锻后热处理。成形
工序包括自由锻、模锻、切边和校正;自由锻包括徽粗、拔长、冲孔、弯曲及扭转等;模锻包括拔长、滚挤、预
锻、终锻和顶锻等。
从上述工序来看,锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响,最终可以归结为热力学因素的影响。
所谓热力学因素就是指变形温度、变形速度、冷却速度和应力状态等等。
选择合理的热力学因素,可以通过下列几方面来改善原材料的组织:
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 . 改善异相(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一相变强化等。
由于上述组织的改善,使锻件的塑性、冲击韧性、疲软强度及持久性能等也随之得到了改善,然后再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和组织。
以下具体讨论热力学因素对锻件组织性能的影响。
1 .变形温度的影响
锻造加热不仅是为了保证锻造成形时有良好的塑性和低的变形抗力,而且对锻后的组织和性能也有很
大影响。对钢而言,由于锻造时的加热温度一般皆比零件的最终热处理温度高,因此高温下的晶粒大小及
随后的组织转变对锻件的质量会带来一定的影响。而不合适的加热温度总是给锻件造成种种缺陷。
若加热温度过高和加热时间过长,会引起脱碳、过热、过 烧 (尤其是高合金钢及含S i钢最易脱碳),如: 合金结构钢产生过热断口,马氏体不锈钢出现6 铁素体,奥氏体不锈钢出现铁素体,9Crl8轴承钢碳化物沿李晶 线析出,耐热合金出现晶粒粗大,钛合金出现B 组织粗化等。而渗碳钢的锻造过热,则使渗碳后出现粗大马氏体
和网状碳化物。上述各种组织缺陷使锻件的机械性能特别是韧性和疲劳性能下降。
锻造加热温度对a +B钛合金组织和性能的影响特别明显。锻造温度对a +p钛合金0 晶粒大小和室温机械 性能的影响,若加热温度过低,不仅易引起变形不均,使耐热合金及铝合金淬火加热后易出现粗晶或晶粒粗细不
均现象,使亚共析钢形成带状组织,而且在锻造时还会引起各种形式的裂纹。
2 . 变形程度和变形方式的影响
钢锭的锻比是影响锻坯机械性能的主要因素。锻比对钢锭中的孔隙度、非金属夹杂物和韧性的影响,
韧性开始有一定增加,然后逐渐减少,其原因是由于形成了纤维组织的结果。有纤维组织的钢材继续变形
时,由于纤维分布发生了改变,纵、横向的性能也随之而改变。沿钢材原来纤维方向的横向和纵向压缩时
性能指标发生变化的情况。热挤压的铝合金棒材的韧性具有很明显的方向性,纵向韧性最大而横向韧性最
小。如果模锻时产生横向或侧向流动,则横向韧性能得到改善。
采用合适的锻造工艺,可以使金属纤维沿零件的最大受力方向分布。流线均匀而连续地沿锻件的外形
分布,能使锻件的机械性能特别是疲劳性能和抗应力腐蚀性能得到提高。
最终成形工序的变形程度是影响锻件晶粒度的重要因素,这对于无同素异构转变的材料更是如此。当
最终工序的变形量处于临界变形区时,锻件的晶粒特别粗大,其机械性能下降。一般来说,变形程度大于
临界变形,可以获得细小晶粒。但是,变形程度过大所引起的织构现象,将使铝合金锻件产生粗大晶粒;
某些高温合金锻件因变形程度过大,使晶界碳化物破碎,也可能出现粗大晶粒。
采用反复徼拔的变形方式(单向徽拔,十字徼拔、双十字锁拔)和足够大的变形程度可以达到如下目
的:
①细化和均布高速钢、铭 12型钢、3Cr2W8V钢中的碳化物,提高其使用性能; ②消除铝合金、钛合金中组织和性能的方向性,提高组织和性能的均匀性。3 .变形速度的影响
一般来说,提高变形速度将使可锻性降低,即使金属的塑性下降,变形抗力增加。
变形速度还将影响到锻透性。在大变形程度下,变形速度越小,则锻透性越好,越有利于晶粒细化和再结
晶的进行,因而也有利于工艺塑性的提高。
4 .加热速度的影响
对于断面尺寸大及导热性差的坯料,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。如:高合金钢、高合金工具钢、高温合金等钢锭和锻坯常常因加热不当发生
开裂。坯料温度不均,还会引起变形和组织不均,产生附加应力,造型内部开裂等。
5 .冷却速度的影响
冷却速度不当,往往使锻件产生热应力、组织应力及第二相的析出。马氏体不锈钢、莱氏体钢(高速钢和
络 12型钢),若锻后冷却速度过快,往往由于马氏体组织转变引起组织应力,造成锻件表面开裂。但是,有些
材料锻后缓冷,将有第二相沿晶界析出,引起性能下降。如:轴承钢锻后缓冷将沿晶界析出碳化物等。
6 .应力状态的影响
应力状态对可锻性和金属流动有一定影响。三向压应力状态可以提高金属的塑性,但使变形力增加。
这是由于压应力能阻止晶间联系的破坏,有利于晶内滑移变形的发展。作用于滑移面上的平均压应力,提高了材
料塑性变形能力。
(三)锻件组织对最终热处理后的组织和使用性能的影响
锻造生产是冶金(原材料)与最终热处理之间的中间工序,所以锻件质量的好坏对最终热处理后的质
量和零件的使用性能有很大的影响。
正常的锻件组织经过合理的最终热处理后,可以获得所要求的组织和性能。但是,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获得改善,锻件最终热处理后仍可获得满意的组织和性
能。如:在一般过热的结构钢锻件中的粗晶和魏氏体组织,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。如:低倍粗晶,9Crl8不锈钢的李晶碳化物等。

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。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。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、氮共渗和淬火后引起马氏体粗大和性能不合格;高速钢
零件中的带状碳化物,淬火时常引起开裂。

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