1.偏析
鋼中化學(xué)成分與雜質(zhì)分布的不均勻現(xiàn)象,稱為偏析。一般將高于平均成分者,稱為正偏析,低于平均成分者,稱為負(fù)偏析。尚有宏觀偏析,如區(qū)域偏析與微觀偏析,如枝晶偏析,晶間偏析之分。
大鍛件中的偏析與鋼錠偏析密切相關(guān),而鋼錠偏析程度又與鋼種、錠型、冶煉質(zhì)量及澆注條件等有關(guān)。合金元素、雜質(zhì)含量、鋼中氣體均加劇偏析的發(fā)展。鋼錠愈大,澆注溫度愈高,澆注速度愈快,偏析程度愈嚴(yán)重。
(1)區(qū)域偏析
它屬于宏觀偏析,是由鋼液在凝固過程中選擇結(jié)晶,溶解度變化和比重差異引起的。如鋼中氣體在上浮過程中帶動(dòng)富集雜質(zhì)的鋼液上升的條狀軌跡,形成須狀∧形偏析。頂部先結(jié)晶的晶體和高熔點(diǎn)的雜質(zhì)下沉,仿佛結(jié)晶雨下落形成的軸心∨形偏析。沉淀于錠底形成負(fù)偏析沉積錐。最后凝固上部區(qū)域,碳、硫、磷等偏析元素富集,成為缺陷較多的正偏析區(qū)。
圖片6-1為我國(guó)解剖的55t34CrMolA鋼錠縱剖面硫印低倍圖片及區(qū)域偏析示意圖。
1)降低鋼中硫、磷等偏析元素和氣體的含量,如采用爐外精煉,真空碳脫氧(VCD)處理及錠底吹氬工藝。
2)采用多爐合澆、冒口補(bǔ)澆、振動(dòng)澆注及發(fā)熱絕熱冒口,增強(qiáng)冒口補(bǔ)縮能力等措施。
3)嚴(yán)格控制注溫與注速,采用短粗錠型,改善結(jié)晶條件。
在鍛件橫向低倍試片上,呈現(xiàn)與錠型輪廓相對(duì)應(yīng)的框形特征,亦稱框形偏析。圖片6-2是30CrMnSiNiA鋼制模鍛件低倍試片上顯示的錠型偏析。因錠中偏析帶在變形時(shí),沿分模面擴(kuò)展而呈現(xiàn)為框形。偏析帶由小孔隙及富集元素構(gòu)成,對(duì)鍛件組織性能的均勻性有不良的影響。
電渣重熔以其純凈度高、結(jié)晶結(jié)構(gòu)合理,成為生產(chǎn)重要大鍛件鋼坯的方法,但是如果在重熔過程中電流、電壓不穩(wěn)定,則會(huì)形成波紋狀偏析。當(dāng)電流、電壓增高時(shí),鋼液過熱,結(jié)晶速度減緩,鋼液中的溶質(zhì)元素在結(jié)晶前沿偏聚形成富集帶;當(dāng)電流、電壓減小時(shí),熔質(zhì)元素偏聚程度減小,這種周期性的變化,便形成了波紋狀的偏析條帶,如圖片6-3所示。
區(qū)域偏析在橫向低倍酸浸試片上呈分散的深色斑點(diǎn)狀,稱之為點(diǎn)狀偏析。圖片6-4為分布于整個(gè)橫向截面上的點(diǎn)狀偏析
它屬于微觀偏析。樹枝狀結(jié)晶與晶間微區(qū)成分的不均勻性,可能引起組織性能的不均勻分布。采用掃描電鏡(SEM)、波譜儀(WDS)、能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)觀察和成分分析可以檢出并闡明原因,一般通過高溫?cái)U(kuò)散加熱,鍛壓合理變形與均勻化熱處理可以消除或減輕其不良影響。
2.夾雜物與有害微量元素
夾雜物按其來源可分為內(nèi)生夾雜與外來夾雜兩種。
常見的內(nèi)生夾雜物主要有硫化物、硅酸鹽、氧化物等。它們?cè)阡撝械臄?shù)量和組成與鋼的成分、冶煉質(zhì)量、澆注過程以及脫氧方法有關(guān)。熔點(diǎn)高的內(nèi)生夾雜,凝固先于基體金屬,結(jié)晶不受阻礙,呈現(xiàn)為有規(guī)則的棱角外形;熔點(diǎn)較低的內(nèi)生夾雜,由于受已凝固金屬的限制,形態(tài)多為球或條狀、枝晶狀沿晶界分布。硫化物與塑性較好的硅酸鹽組元,當(dāng)鋼錠經(jīng)鍛壓變形時(shí),沿主變形方向延伸,呈條帶狀。圖片6-5示出34CrNi3Mo轉(zhuǎn)子鋼中拉長(zhǎng)的MnS夾雜形狀。而氧化物及塑性較差的硅酸鹽夾雜,在鍛壓變形時(shí)被破碎成小顆粒,呈鏈球狀分布。圖片6-6為沿變形方向分布的鏈狀氧化物夾雜。尺寸細(xì)小,彌散分布的內(nèi)生夾雜,多為微觀缺陷,危害程度較小。而大片或密集云團(tuán)狀分布的夾雜構(gòu)成宏觀缺陷,對(duì)鍛件使用有極不良的影響,容易引發(fā)嚴(yán)重的失效事故
圖片6-6 被變形破碎的氧化物夾雜LM未浸蝕 500× 外來夾雜系指混人鋼中的爐渣、保護(hù)渣、氧化膜、耐火材料和異金屬塊等。通常外來夾雜較粗大,嚴(yán)重分布將破壞鋼的連續(xù)性而報(bào)廢。
隨著高參數(shù),大型化機(jī)器設(shè)備的發(fā)展,對(duì)大鍛件的質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的要求,為此對(duì)鋼中鉛、銻、錫、鉍、砷等微量元素需要控制,以提高鍛件的強(qiáng)韌化水平。
降低鋼中夾雜的一般對(duì)策是:
1)鋼液真空處理,爐外精煉,控制鋼液質(zhì)量;
2)清潔澆注,防止外來夾雜污染與異金屬進(jìn)人;
3)合理鍛造變形,改善夾雜分布。
3.縮孔與疏松
該類孔隙性缺陷,破壞金屬連續(xù)性,形成應(yīng)力集中與裂紋源,屬于不允許的缺陷。
鋼錠開坯時(shí)切除量不夠,殘留縮孔及疏松,表現(xiàn)為鍛件端頭有管狀孔穴或者嚴(yán)重中心疏松。圖片6-7所示為9Cr2Mo鋼制冷軋輥,因鋼錠澆注溫度偏低,冒口補(bǔ)縮不良,縮孔深入到錠身區(qū),鍛造時(shí)未能完全切除而形成縮孔殘余。橫向試片上中心部位呈現(xiàn)出枝叉狀孔洞特征。進(jìn)一步解剖,末端存在疏松組織。
圖片6-7 鍛件中縮孔殘余橫向試片上的宏觀形貌 防止該類缺陷的對(duì)策是:
1)嚴(yán)格控制澆注溫度和速度,防止低溫慢速注錠;
2)采用發(fā)熱冒口或絕熱冒口,改善補(bǔ)縮條件使縮孔上移至冒口區(qū),防止縮孔深人到錠身處;
3)控制鍛造時(shí)鋼錠冒口切頭率,充分切凈縮松缺陷。合理鍛壓變形,壓實(shí)疏松缺陷。
4.氣泡
氣泡分內(nèi)部氣泡與皮下氣泡兩種:
鋼中氣體由爐料、爐氣、空氣進(jìn)人,當(dāng)冶煉時(shí)脫氧不良,沸騰排氣不充分,則鋼液中氣體含量過多,凝固過程中,隨溫度降低,氣體溶解度下降而由鋼液中析出,形成內(nèi)部氣泡。當(dāng)鋼錠模壁潮濕、銹蝕、涂料中含有水分或揮發(fā)性物質(zhì),在注人高溫鋼水時(shí)產(chǎn)生氣體向鋼錠表層滲透,形成皮下氣泡。
氣泡經(jīng)過鍛壓變形會(huì)壓扁或擴(kuò)展成裂紋。
防止氣泡的對(duì)策是:
1)充分烘烤爐料與澆注系統(tǒng);
2)冶煉時(shí)充分脫氣,并采用保護(hù)澆注工藝;
3)高溫?cái)U(kuò)散、鍛壓焊合孔洞缺陷;
4)及時(shí)燒剝表面裂紋。
5.鍛造裂紋
在大型鍛造中,當(dāng)原材料質(zhì)量不良或鍛造工藝不當(dāng)時(shí),常易產(chǎn)生鍛造裂紋。下面介紹幾個(gè)由于材質(zhì)不良引起鍛裂的情況。
(1)鋼錠缺陷引起的鍛造裂紋
大部分鋼錠缺陷,鍛造時(shí)都可能造成開裂,圖片6-8所示為2Cr13主軸鍛件中心裂紋。這是因?yàn)樵?SPAN lang=EN-US>6t鋼錠凝固時(shí)結(jié)晶溫度范圍窄,線收縮系數(shù)大。冷凝補(bǔ)縮不足,內(nèi)外溫差大,軸心拉應(yīng)力大,沿枝晶開裂,形成鋼錠軸心晶間裂紋,該裂紋在鍛造時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展而成主軸鍛件中已裂紋。該缺陷可通過下列措施予以消除:①提高冶煉鋼水純凈度;②鑄錠緩慢冷卻,減少熱應(yīng)力;③采用良好的發(fā)熱劑與保溫帽,增大補(bǔ)縮能力;④采用中心壓實(shí)鍛造工藝。
圖片6-8 軸心晶間裂紋引起的鍛造開裂 (2)鋼中有害雜質(zhì)沿晶界析出引起的鍛造裂紋。
鋼中的硫常以FeS形式沿晶界析出,其熔點(diǎn)僅有982℃,在1200℃鍛造溫度下,晶界上FeS將發(fā)生熔化,并以液態(tài)薄膜形式包圍晶粒,破壞晶粒間的結(jié)合而產(chǎn)生熱脆,輕微鍛擊就會(huì)開裂。
鋼中含銅在1100~1200℃溫度下的過氧化性氣氛中加熱時(shí),由于選擇性氧化,表層會(huì)形成富銅區(qū),當(dāng)超過銅在奧氏體中溶解度時(shí),銅則以液態(tài)薄膜形式分布于晶界,形成銅脆,不能鍛造成形。如果鋼中還存在有錫、銻還會(huì)嚴(yán)重降低銅在奧氏體中的溶解度,加劇這種脆化傾向。圖片6-9為16Mn鋼鍛件網(wǎng)狀裂紋,因含銅量過高,鍛造加熱時(shí),表面選擇性氧化,使銅沿晶界富集,鍛造裂紋沿晶界富銅相生核并擴(kuò)展而形成
圖片6-9 16Mn鋼鍛造網(wǎng)狀裂紋LM4%稀硫酸水溶液浸蝕 (3)異相(第二相)引起的鍛造裂紋
鋼中第二相的力學(xué)性能往往和金屬基體有很大的差別,因而在變形流動(dòng)時(shí)會(huì)引起附加應(yīng)力導(dǎo)致整體工藝塑性下降,一旦局部應(yīng)力超過異相與基體間結(jié)合力時(shí),則發(fā)生分離形成孔洞。例如鋼中的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅酸鹽等等。假如這些相呈密集。鏈狀分布,尤其在沿晶界結(jié)合力薄弱處存在,高溫鍛壓就會(huì)開裂。圖片6-10是20SiMn鋼 87t錠因細(xì)小的 AlN沿晶界析出引起鍛造開裂的宏觀形貌,其表面已經(jīng)氧化,呈現(xiàn)多面體柱狀晶。微觀分析表明,鍛造開裂與細(xì)小的顆粒狀AlN沿一次晶晶界大量析出有關(guān)
圖片6-12 GCr15SiMn鋼鍛件過燒組織 100× 防止加熱缺陷的對(duì)策是:
l)嚴(yán)格執(zhí)行正確的加熱規(guī)范;
2)注意裝爐方式,防止局部加熱;
3)調(diào)準(zhǔn)測(cè)溫儀表,精心加熱操作,控制爐溫、爐氣流動(dòng),防止不均勻加熱。
7.白點(diǎn)
白點(diǎn)是鍛件在鍛后冷卻過程中產(chǎn)生的一種內(nèi)部缺陷。其形貌在橫向低倍試片上為細(xì)發(fā)絲狀銳角裂紋,斷口為銀白色斑點(diǎn)。照片6-13為Cr-Ni-Mo鋼鍛件縱向斷口上的白點(diǎn)。其形狀不規(guī)則,大小懸殊,最小長(zhǎng)軸尺寸僅2mm,最大的為24mm。
圖片6-13 宏觀斷口上的白點(diǎn)形貌 白點(diǎn)實(shí)質(zhì)是一種脆性銳邊裂紋,具有極大的危害性,是馬氏體和珠光體鋼中十分危險(xiǎn)的缺陷。
白點(diǎn)成因是鋼中氫在應(yīng)力作用下向拉應(yīng)力區(qū)富集,使鋼產(chǎn)生所謂氫脆,發(fā)生脆性斷裂,所以氫和附加應(yīng)力聯(lián)合作用是白點(diǎn)產(chǎn)生的原因。
防止白點(diǎn)的對(duì)策主要是:
1)降低鋼中氫含量,如注意烘烤爐料,冶煉時(shí)充分沸騰,真空除氣,爐外精煉脫氣等。
2)采用消除白點(diǎn)的熱處理,主要任務(wù)是擴(kuò)散鋼中氫,消除應(yīng)力,如擴(kuò)氫退火熱處理等。詳見鍛造過程中常見的缺陷中的鍛后清理工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷。
8.組織性能不均勻
大型鍛件因其尺寸大,工序多,周期長(zhǎng),工藝過程中不均勻,不穩(wěn)定因素多,所以常常造成組織性能嚴(yán)重不均勻,以致在力學(xué)性能試驗(yàn),金相組織檢查和無損探傷時(shí)不能通過。由于鋼錠中化學(xué)成分偏析,夾雜物聚集,各種孔隙性缺陷的影響;加熱時(shí)溫度變化緩慢,分布不均,內(nèi)應(yīng)力大,缺陷較多;高溫長(zhǎng)時(shí)間鍛造,局部受力局部變形,塑流狀況、壓實(shí)程度、變形分布差別較大;冷卻時(shí)擴(kuò)散過程緩慢,組織轉(zhuǎn)變復(fù)雜,附加應(yīng)力大。以上諸因素都可能導(dǎo)致組織性能嚴(yán)重不均勻,質(zhì)量不合格。
提高大型鍛件均勻性的措施:
1)采用先進(jìn)的冶鑄技術(shù),提高鋼錠的冶金質(zhì)量;
2)采用控制鍛造,控制冷卻技術(shù),優(yōu)化工藝過程,提高大鍛件生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平。
9.淬火裂紋與回火脆性
許多對(duì)力學(xué)性能與表面硬度要求高的大鍛件,鍛后要經(jīng)粗加工,再進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理或表面淬火。在熱處理時(shí),由于溫度急劇變化,將產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力。由于相變還產(chǎn)生組織應(yīng)力,和鍛件存在的殘余應(yīng)力疊加,合成的拉應(yīng)力值如果超過材料的抗拉強(qiáng)度,并且沒有塑性變形松弛,將會(huì)產(chǎn)生各種形式的開裂和裂紋。例如縱向、橫向、表面和中心裂紋,表面龜裂和表層剝離等。由于大鍛件截面尺寸大,加熱、冷卻時(shí)溫度分布不均勻,相變過程復(fù)雜,殘余應(yīng)力大,而且程度不同地存在著各種宏觀和微觀缺陷,塑性差,韌性低,這都能加劇裂紋萌生與擴(kuò)展的過程,往往形成即時(shí)的或延時(shí)的開裂破壞,甚至炸裂與自然置裂等,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
照片6-14是一支9Cr2Mo鋼軋輥表面淬火橫向裂紋,在調(diào)質(zhì)淬火加熱時(shí)出現(xiàn)過熱,而且回火不足,心部保留較高的殘余內(nèi)應(yīng)力,在以后的工頻熱處理表面淬火時(shí),心部拉應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加,超過該鋼的強(qiáng)度極限,引起斷裂為三段。圖示斷口表明:裂紋源于過熱粗晶的心部,沿徑向有放射狀的撕裂棱,表層為細(xì)瓷狀的表淬層
圖片6-14 軋輥表面淬火時(shí)橫向開裂 防止淬火裂紋的一般對(duì)策是:
1)采用合理的熱處理規(guī)范,控制加熱速度與冷卻過程,減少加熱缺陷與溫度應(yīng)力;
2)避免鍛件中存在嚴(yán)重的冶金缺陷與殘余應(yīng)力;
3)淬火后及時(shí)回火。
回火脆性系碳化物析出或磷、錫、銻、砷等有害微量元素沿晶界聚集而引起的脆性增大的傾向。
防止回火脆性的對(duì)策是:
1)減少鋼中有害元素的含量;
2)減少鋼中偏析;
3)避免在回火脆性溫度區(qū)熱處理,適當(dāng)快冷,防止有害組元富集。