鍛造失效分析及修復

摘 要：鍛造是工業生產的重要一環，其鍛件質量的好壞對于后續加工質量有著直接的影響。隨著我國經濟的快速發展以及工業需求的不斷加大，對于高質量、低成本的鍛件的需求在不斷的增加，在對鋼錠的性能進行分析并在此基礎上制定出合理的鍛造工藝以提高鍛件的質量是現今乃至今后一段時間鍛造企業發展的重點。文章將在分析鍛造工藝分類的基礎上對鍛造過程中容易產生的失效模式進行分析并提出相應的應對措施。

關鍵詞：鍛造；工藝分類；失效分析；應對措施

前言

鍛造是通過利用鍛壓機械來對鋼錠進行擠壓等機械作用使其產生一定的塑形變形從而獲得所需要的金屬機械性能的一種加工工藝，其中大型鍛件在大型機械、航空、航天、航海等都有著重要的應用。鍛件質量的好壞對于鍛件的機械性能有著極為重要的影響，需要根據不同的鍛件的材料性能選擇合適的鍛造工藝，在確保鍛件質量的同時降低鍛件的成本是鍛造企業的重要目標。

1 鍛造的分類與應用

鍛造主要是利用鍛壓機械對鋼錠等進行擠壓以使其金屬性能得到加強并同時形成后續加工所需要的形狀和尺寸的一種加工工藝。鍛造是機械加工制造的基礎工序，其鍛造質量的好壞對于機械加工后的工件的性能有著極為重要的影響。在對鋼錠的鍛造過程中可以有效的對鋼錠中的金屬鑄態疏松、焊合孔洞等予以消除，從而使得鍛造后的鍛件性能要遠遠高于相同材質的鑄件。根據鍛造加工時的加工溫度的不同可以將鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種不同的鍛造類型，其中冷鍛指的是對于鋼錠的加工處于室溫下進行的，而熱鍛則指的是對加熱后的鋼錠進行鍛造加工，加熱的溫度不超過鋼錠的再結晶溫度。根據鋼錠不同的成形方法可以將鍛造分為自由鍛、模鍛等多種不同的鍛造形式，其中，鋼料等在鍛壓時沒有其他外力限制的被稱為自由鍛，而其他的鍛造形式在鍛造的過程中會受到模具的限制，因此又多被稱為閉式鍛造。在鍛造的過程中主要使用過碳素鋼或是合金鋼作為主要的鍛材，此外可以使用鎂、鋁、銅、鈦等的合金來作為鍛造的材料。

在鍛造的過程中需要根據鍛材的力學性能以及需要得到的鍛件形狀等選擇合理的鍛造工藝。不同的鍛造方法有著不同的鍛造流程，在這些鍛造方法中以熱模鍛的工藝流程最長也最為繁瑣。在鍛造的過程中，鋼錠等材料會產生明顯的塑形變性從而產生所需要的力學性能或是鋼材形狀。

2 鍛造失效模式分析

在鍛造的過程中由于鍛造工藝不當會使得鍛件產生以下類型的缺陷：（1）鍛件的金相中形成大晶粒。在鍛件中形成大晶粒多是由于始鍛造時溫度過高和鍛造壓力不足所造成的，鍛壓壓力低會使得鍛件的變形程度較低而溫度較高則會使得終鍛溫度超出鍛件的承受范圍，根據鍛件材質的不同其變形能力與鍛造時的溫度要求也不盡相同。鋁合金在鍛造變形的過程中會產生較大程度的變形從而形成相應的組織結構。而高溫合金在鍛造時如加熱溫度不到位將會在鍛件中形成混合變形組織從而產生粗大的晶粒組織結構。鍛件中形成粗大晶粒將會使得鍛件的力學、物理性能大幅下降。（2）鍛件中的金屬晶粒不均勻。造成這一鍛造缺陷的主要原因是由于鋼錠在鍛造的過程中各處所受到的力不均勻從而產生不均勻的變形。鍛件晶粒的不均勻將會使得鍛件的使用性能與金屬抗疲勞特性都大幅下降。（3）冷硬現象。在鍛造時由于溫度較低或是鍛件的變形速度過快使得鍛件快速冷卻從而在鍛件內形成再結晶現象，這一現象會在鍛件的內部形成一定的冷變形組織，這種組織的存在雖然提高了鍛件的強度和硬度，但是對于鍛件的塑性和韌性的影響較大，不利于鍛件的后續機械加工。（4）鍛造時鍛件產生裂縫，造成這一失效缺陷的主要原因是由于在鍛造的過程鋼錠承受了較大的拉應力、切應力或是其他應力所造成的。其中，鍛造所鍛件所產生的裂紋通常發生在鋼件的應力集中的位置。當鍛件中存在組織缺陷或是熱鍛時工作溫度不當都會使得鋼錠的塑形性能大幅下降從而極易產生裂縫從而影響鍛件的使用性能。（5）鍛件表面龜裂，在鍛造的過程中鍛件在鍛壓成形的過程中由于受到拉應力容易在鍛件表面形成龜裂缺陷，造成這一缺陷的原因是多方面的，如鍛件中含有較多的Cu、Sn等，在熱鍛過程中會由于鍛件的長時間加熱而導致Cu、Sn的析出或是表面晶粒的粗大等從而使得鍛件的性能下降，并在表面產生龜裂缺陷。（6）飛邊裂紋主要指的是在模鍛及切邊時在分模面處所產生的裂紋。造成這一裂紋產生的原因有以下幾點：a.在模鍛的過程中鍛件所承受的擠壓力超出鍛件所能承受的極限從而使得鍛件的金屬產生嚴重的穿筋問題。b.在對鎂合金進行模鍛時由于切邊溫度較低會在鍛件的模變產生飛邊裂紋現象。（7）分模面裂紋則是由于在鋼錠中含有較多的非金屬雜質從而使得在鍛造的過程中由于鍛壓的眼里使得分模面流動與集中或是縮管參與在模鍛是進入飛邊后所形成的分模面裂紋的存在會影響鍛件的使用性能。

3 鍛件缺陷修復

在鍛件的生產過程中如鍛件在再結晶溫度以上則鍛件的內部所產生的裂紋在拓展的同時也會產生一定的自我修復，在現今對于鍛造缺陷多使用的是常溫大變形量“鍛合”的方式來對鍛件的缺陷進行修復。在鍛件的修復過程中溫度是一個重要的工藝參數，溫度越高材料中的原子擴散遷移的活性越大則鍛件中的缺陷更容易得到修復從而使得鍛件中的孔隙性缺陷能夠在短時間內得到“鍛合”，但是如加熱的溫度過高將會使得鍛件出現晶粒化過大的缺陷影響鍛件的材料性能，經過試驗表明，當鍛件加熱到900℃時鍛件中的孔隙性缺陷盡管得到了一定的修復但是修復并不完全。當將鍛件的溫度加熱到1000℃時鍛件中的孔隙性缺陷得到了極大的修復。在溫度升高修復孔隙性缺陷的同時，在鍛件中的原孔隙性缺陷的組織將會出現再結晶，并在孔隙性缺陷修復的過程中出現了過渡區，同時隨著鍛件保溫時間的延長在鍛件缺陷區域所形成的新晶體組織將逐漸向基體組織進行轉變。通過對轉變后的組織進行顯微觀察可以發現，鍛件中的孔隙性缺陷經過修復正火后的組織與基體組織基本一致，都是鐵素體和珠光體的混合組織，因此，對于鍛件鍛造過程中所出現的孔隙性缺陷如采用合適的修復工藝則可以在完成對于鍛件修復的同時確保鍛件的材料性能。同時在對鍛件的孔隙性缺陷修復過程中發現，一定量的塑形變形對于缺陷的修復是有利的，在鍛件修復的過程中，盡管無變形量也能實現缺陷的自修復，但是自修復后仍存在有少量塑形變形的試件差。

通過大量的試驗表明，在鍛件孔隙性缺陷的自我修復過程中高溫擴散是其中的重要原因。同時冷變形在孔隙性缺陷的修復中隨著變形量的增加使得孔隙性缺陷的間距縮小減小了原子間的遷移距離，從而有利于在鍛件的孔隙性缺陷位置形成再結晶。冷變形在鍛件孔隙性缺陷的修復過程中對于一些缺陷較大且應力狀態不佳的鍛件有著極為重要的影響。

總體來說，對于鍛件在鍛造過程中所出現的孔隙性缺陷可以在高溫下進行一定的自修復，對于鍛件的自修復其主要是通過再結晶使得孔隙性缺陷的孔隙得以減小并最終在高溫下得以鍵合。

4 結束語

鍛造在工業生產中占據著重要的地位，其鍛造質量的好壞對于后續產品的質量起著決定性的作用。文章在分析鍛造工藝及分類的基礎上對鍛造過程中出現的孔隙缺陷的修復進行了分析闡述.

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