大型锻件中常见缺陷

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。

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。
    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。

    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。

    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。

    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。
    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。