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        鋼錠的結(jié)構(gòu)及缺陷對鍛件質(zhì)量的影響

        2016-12-31 00:00:00楊亮夏冬劉航
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年22期

        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擴(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,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。低熔點夾雜物在鍛造時由于在晶界產(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、氮氣、氫氣是在鋼錠中常見的殘存氣體。氧氣、氮氣在鋼錠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,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,縮孔缺陷就是因為沒有鋼液補(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。正因為如此,為了防止鍛件的內(nèi)部裂紋,鍛造時縮孔集中的冒口區(qū)在鍛造中予以切除,防止因為縮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,節(jié)約鋼材具有重要的現(xiàn)實意義。

        參考文獻(xiàn)

        [1]高寶寶,解念鎖.金屬材料環(huán)境友好成型加工技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(10):43-44.

        [2]閆洪.鍛造工藝與模具設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

        [3]解念鎖.結(jié)合材料工程專業(yè)特點培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境意識[J].機(jī)械管理開發(fā),2007(5):144-146.

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