鋼錠的結(jié)構(gòu)及缺陷對鍛件質(zhì)量的影響

摘 要：鋼鐵鍛件生產(chǎn)過程中環(huán)境友好成型技術(shù)要求對環(huán)境污染小、材料消耗少、生產(chǎn)成本低。文章結(jié)合鋼錠在凝固過程中形成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組織缺陷，從偏析和夾雜缺陷及防治措施、氣體和氣泡缺陷及防治措施、縮孔和疏松缺陷及防治措施等方面論述了鋼錠的結(jié)構(gòu)及缺陷對鍛件質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：鋼錠；缺陷；鍛件質(zhì)量

前言

隨著現(xiàn)代機(jī)械裝配制造業(yè)的發(fā)展，金屬材料鍛件的環(huán)境友好成型加工技術(shù)正在受到越來越多的重視。環(huán)境友好成型要求在金屬材料鍛件生產(chǎn)過程中具有對環(huán)境污染小、材料消耗少、生產(chǎn)成本低的技術(shù)優(yōu)勢[1]。鋼錠是由冒口、底部、錠身組成。鋼錠表層為細(xì)小等軸結(jié)晶區(qū)，向里分別為柱狀結(jié)晶區(qū)、枝狀結(jié)晶區(qū)，心部為粗大等軸結(jié)晶區(qū)。大鑄錠下料屬于自由鍛，用自由鍛方法進(jìn)行開坯，將錠料兩端切除，按一定尺寸將坯料分割[2]。鍛造生產(chǎn)的發(fā)展總趨勢是使鍛件形狀、表面質(zhì)量、尺寸最大限度與產(chǎn)品相接近，以到少、無切削加工的目的。發(fā)展精密鍛造成形技術(shù)，發(fā)展高效的鍛壓設(shè)備有利于鍛件質(zhì)量的提高。為適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要，應(yīng)發(fā)展專業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)線，利于進(jìn)行技術(shù)改造及采用先進(jìn)工藝，提高鍛件的內(nèi)在質(zhì)量，提高鍛造生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化水平。鋼錠的結(jié)構(gòu)及缺陷對鍛件質(zhì)量影響較大，減少鋼錠缺陷有利于較少錠料兩端切除量，增大材料利用率，節(jié)約鋼材，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)鍛造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 鋼錠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及組織缺陷

在鍛造生產(chǎn)中，鋼錠是大中型自由鍛件的原材料。鋼錠是在金屬模具中冷卻凝固而成，錠模內(nèi)的結(jié)晶條件影響鋼錠內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，鋼鐵材料結(jié)晶的動力學(xué)條件和熱力學(xué)條件影響材料組織結(jié)構(gòu)。在鋼錠形成過程中，澆入金屬模中的鋼液受到低溫金屬模壁的冷卻，形核率增大，在表層形成細(xì)小的晶粒區(qū)。受到金屬模中金屬液體流動的影響，金屬液體在金屬模中各處的傳熱條件和冷卻很不均勻，在垂直于金屬模壁方向熱傳導(dǎo)塊，導(dǎo)致鋼錠的內(nèi)部化學(xué)成分、金屬結(jié)晶組織、以及結(jié)晶后鋼錠中非金屬夾雜物分布也不均勻。比重較大的非金屬夾雜物沉積在鋼錠下部。鋼錠的內(nèi)部缺陷受到其在冒口、底部，或者中分布規(guī)律影響。鍛件生產(chǎn)中將縮孔集中的冒口區(qū)在鍛造中予以切除，作為廢料處理；鍛件的質(zhì)量要求防止遺留在鍛件內(nèi)部冒口而使鍛件成為廢品。根據(jù)鋼錠材料不同，濺疤等缺陷較少，偏析、縮孔等缺陷較多，疏松，裂紋等缺陷隨著鋼液成分而定。這些缺陷的性質(zhì)、特征及其分布特點(diǎn)對鋼錠的鍛件質(zhì)量和鍛造工藝都有影響。

2 鋼錠常見組織缺陷及防治措施

2.1 偏析和夾雜缺陷及防治措施

鋼錠在凝固過程中形成的在晶粒大小范圍內(nèi)化學(xué)成分的不均勻性稱為枝晶偏析；鋼錠在凝固過程中形成的鋼錠在宏觀范圍內(nèi)的不均勻性稱為區(qū)域偏析。枝晶偏析和區(qū)域偏析是由于鋼錠凝固過程中的選擇性結(jié)晶、密度差異、溶解度變化、鋼液流速不同造成的。鋼液中分布不均勻的化學(xué)元素受到固-液兩相選擇性結(jié)晶作用、溶解度發(fā)生變化、結(jié)晶過程的差別受到不同溫度梯度的影響，使得鋼錠從表層到心部，從底部到上部凝固過程中宏觀結(jié)構(gòu)和組織變化。各種化學(xué)反應(yīng)不均勻和引起鋼錠成分在微觀區(qū)域的分布不均，偏析造成力學(xué)性能不均勻形成裂紋缺陷。減輕鋼錠生產(chǎn)中偏析和夾雜缺陷的防治措施有對熔煉技術(shù)進(jìn)性改進(jìn)，應(yīng)用真空澆鑄新技術(shù)；應(yīng)用控制凝固條件新技術(shù)；應(yīng)用加冒口發(fā)熱劑新技術(shù)。對于枝晶偏析微觀區(qū)域的分布不均可以通過高溫?cái)U(kuò)散退火得到消除；區(qū)域偏析很難通過熱處理方法消除，對于反復(fù)鍛造拔變形工藝有利于其化學(xué)成分均勻化。

鋼錠中不溶解于金屬基體的非金屬化合物稱夾雜。硫化物、氧化物、硅酸鹽等是常見的非金屬夾雜。非金屬夾雜有的在冶煉和澆注時(shí)形成，有的鋼液中硅酸鹽耐火材料、砂子等夾雜物，有的是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物形成的夾雜；非金屬夾雜常分為內(nèi)在夾雜和外來夾雜。夾雜是一種異相質(zhì)點(diǎn)，大多數(shù)硬度高、脆性大，夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，在夾雜物與金屬基體界面處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致顯微裂紋，降低鍛件疲勞強(qiáng)度，對鍛造工藝過程和鍛件質(zhì)量均有不良影響。低熔點(diǎn)夾雜物在鍛造時(shí)由于在晶界產(chǎn)生液相會引起熱脆現(xiàn)象；硬度高、脆性大夾雜會降低材料鍛造性能，降低鍛后零件的力學(xué)性能。鋼液在澆注前靜置鋼包有利于改善夾雜；防止鋼液二次氧化有利于改善、減少夾雜；對冒口渣殼和保溫帽予以保護(hù)利于防止其異質(zhì)點(diǎn)落入錠身，改善夾雜；采用先進(jìn)工藝設(shè)備優(yōu)化澆注工藝有利于改善、減少夾雜[3]。

2.2 氣體和氣泡缺陷及防治措施

鋼液溫度高，流動性大，溶解有大量的氫、氮、氧等元素。不同的氣體元素在鋼液中的溶解度不同，鋼液在冷卻過程中氣體元素在鋼液中的溶解度變化較大，造成大量的氣體析出，一些氣體仍然殘留在鋼錠內(nèi)部或皮下形成氣泡。鋼錠內(nèi)部的氣泡只要不是敞開的，均可以通過鍛造使得氣體鍛合，但皮下氣泡容易引起裂紋。氧氣、氮?dú)?、氫氣是在鋼錠中常見的殘存氣體。氧氣、氮?dú)庠阡撳V中形成氧化物和氮化物等鋼錠內(nèi)部夾雜。氫氣在鋼中的含量超過了一定極限值形成白點(diǎn)，產(chǎn)生氫脆缺陷，降低鋼的塑像。預(yù)防氣體和氣泡的措施是凈化鋼液，加強(qiáng)保護(hù)，優(yōu)化熔煉工藝和澆鑄工藝。

2.3 縮孔和疏松缺陷及防治措施

鋼錠在凝固的過程中發(fā)生液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮。如果得不到鋼液補(bǔ)充，凝固收縮后期，鋼錠內(nèi)部某些地方形成空洞。在鋼錠頭部的軸心區(qū)域凝固最遲，縮孔缺陷就是因?yàn)闆]有鋼液補(bǔ)充而造成。錠模結(jié)構(gòu)影響縮孔的大小，鋼錠澆注工藝影響縮孔的位置。二次縮孔是由于錠模不適當(dāng)使得縮孔深入到錠身內(nèi)部形成。正因?yàn)槿绱耍瑸榱朔乐瑰懠膬?nèi)部裂紋，鍛造時(shí)縮孔集中的冒口區(qū)在鍛造中予以切除，防止因?yàn)榭s孔不能鍛合而造成鍛件的內(nèi)部裂紋，導(dǎo)致有缺陷鍛件而報(bào)廢。顯微孔隙是由于鋼液最后凝固在晶粒間收縮，鋼液凝固過程中析出氣體構(gòu)成。疏松和針孔是顯微孔隙大小、分布不同所致。疏松破壞了金屬材料基體的連續(xù)性，降低材料的力學(xué)性能。將縮孔集中的冒口區(qū)在鍛造中予以切除是預(yù)防縮孔和疏松的措施；采用大錐度錠型有利于減少縮孔和疏松；應(yīng)用絕熱性的保溫帽延緩冒口頂部的金屬凝固時(shí)間，有利于鋼液的補(bǔ)充，減少縮孔；合理的澆注速度、較高的澆注溫度也有利于減少縮孔和疏松。減少鋼錠常見組織缺陷，加強(qiáng)防治措施對提高鍛件質(zhì)量，減少浪費(fèi)，節(jié)約鋼材具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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