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鍛造過程中常見的失效形式與防止措施

1、氧化

        （1）鋼的氧化特征 在氧化性氣氛中加熱時(shí)，鋼與氧、二氧化碳、水蒸氣、二氧化硫等發(fā)生互相作用生成鐵的氧化物，在鋼材表面形成了氧化鐵皮。在鋼的氧化過程中，鐵以離子狀態(tài)由內(nèi)層向外層表面擴(kuò)散，氧化性氣體則以原子狀態(tài)由外表層經(jīng)吸附后向內(nèi)層擴(kuò)散。在外表面因氧的含量多，形成Fe2O3，而內(nèi)部則形成FeO，即由外層至內(nèi)層氧化程度逐漸減輕。氧化皮與鐵的膨脹系數(shù)不同，易從鋼上剝離，從而加速了鋼的氧化。
        （2）氧化對(duì)鍛件質(zhì)量的影響  氧化不僅燒損大量的鋼材，而且表面粘結(jié)有氧化皮的鋼，在拔絲、沖壓、模鍛時(shí)易引起模具損壞，切削加工晨易引起刀具磨損。氧化對(duì)鍛件質(zhì)量也有—定的影響，如鍛件表面粘結(jié)的氧化皮，不僅降低鍛件（特別是精密模鍛件）的表面質(zhì)量和尺寸精度，而且在熱處理時(shí)引起組織和性能不均勻。
        （3）影響鋼氧化的因素 影響鋼氧化的因素很多，主要是加熱溫度、加熱時(shí)間、爐氣成分和鋼的化學(xué)成分等。
        首先是加熱溫度與時(shí)間的影響，加熱熱越高，擴(kuò)散速度越快，鋼的氧化也越嚴(yán)重。加熱時(shí)間越長，氧化損失也越大。其次是爐氣成分的影響，當(dāng)過剩系數(shù)控制在0.4~0.5時(shí)，可以形成保護(hù)性氣氛，避免發(fā)生氧化。低于800℃時(shí)，SO2對(duì)鋼的氧化作用不強(qiáng)。但在1000~1200℃時(shí)，含0.1％SO2就會(huì)使氧化速度增加兩倍；再次是鋼的化學(xué)成分的影響，當(dāng)鋼中含碳量大于0.3％時(shí)，隨含碳量的增多，氧化速度減小。另外。一些元素如Cr、Ni、Si、Mo等在金屬表面形成牢固致密的保護(hù)薄膜，阻止氧向內(nèi)部擴(kuò)散，使氧化速度減慢。而當(dāng)鋼中鉻及鎳含量大于13％~20％時(shí)，實(shí)際上就很少發(fā)生氧化。
        （4）防止氧化的措施 減少金屬與氧的接觸時(shí)間，如采用快速加熱、感應(yīng)加熱等，以減少金屬在高溫下保溫停留的時(shí)間。在保護(hù)性介質(zhì)中加熱，常用的保護(hù)性介質(zhì)有：①氣體介質(zhì)；②液體介質(zhì)，例如在玻璃液中加熱，在鹽浴爐中加熱；③固體介質(zhì)，例如把金屬埋在石墨粉中加熱，涂抹玻璃潤滑劑加熱等。采用先進(jìn)加熱技術(shù)，如在懸浮介質(zhì)中加熱（光亮加熱）。
 2 、脫碳
      （1）脫碳的特征 脫碳是指鋼加熱時(shí)表層含碳量降低的現(xiàn)象。脫碳的過程就是鋼中的碳在高溫下與氫或氧發(fā)生反應(yīng)生成甲烷或一氧化碳。脫碳時(shí)，一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散。另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散。脫碳層只有在脫碳速度超過氧化速度時(shí)才能形成，當(dāng)氧化速度很大時(shí)?？梢圆话l(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后，鐵即被氧化而生成氧化皮。因此，在氧化作用相對(duì)較弱的氣氛中，可形成較深的脫碳層。
        脫碳層含碳量較正常組織低，滲碳體（Fe3C）的數(shù)量較正常組織少，故其強(qiáng)度或硬變較低對(duì)大多數(shù)鋼來說，脫碳會(huì)降低其性能。對(duì)高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼，脫碳是一種嚴(yán)重的失效。
      （2）脫碳對(duì)鋼性能的影響 脫碳對(duì)鍛造和熱處理等工藝性能均有影響：①2Crl3不銹鋼加熱溫度過高、保溫時(shí)間過長時(shí)，表層金屬脫碳，促使高溫占鐵素體在表面過早地形成，使鍛件表面塑性大大降低，模鍛時(shí)容易開裂；②奧氏體錳鋼表層脫碳以后，奧氏體組織不均勻，不僅使冷變形時(shí)的強(qiáng)度達(dá)不到要求，而且可能由于變形不均勻產(chǎn)生裂紋；③鋼的表面脫碳以后，使表層與心部的組織和線膨脹系數(shù)不同，淬火時(shí)發(fā)生的不同組織轉(zhuǎn)變及體積變化將引起很大的內(nèi)應(yīng)力；同時(shí)，由于表層脫碳后強(qiáng)度下降，淬火時(shí)零件表面甚至可能產(chǎn)生裂紋。
        脫碳對(duì)零件性能也有影響，鋼的表面脫碳后，淬火時(shí)不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變或馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，就得不到所要求的硬度。軸承鋼表面脫碳后會(huì)造成淬火軟點(diǎn)，使用時(shí)易發(fā)生接觸疲勞損壞；高速工具鋼表面脫碳會(huì)使紅硬性下降。
        （3）影響鋼脫碳的因素 影響鋼脫碳的因素主要有鋼的化學(xué)成分、加熱溫度、保溫時(shí)間和爐氣成分等。鋼的化學(xué)成分對(duì)脫碳有很大影響。鋼中含碳量愈高，脫碳傾向愈大。合金元素W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加，而Cr等元素能阻止鋼脫碳。隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般情況下，加熱溫度低于1000℃時(shí)，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴(kuò)散，脫碳比氧化慢。但隨著溫度的升高，雖然氧化皮形成速度增加，但氧化皮下面碳的擴(kuò)散速度也加快，達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化快，此時(shí)氧化皮失去保護(hù)能力。加熱時(shí)間愈長，加熱次數(shù)愈多，脫碳層愈深。但脫碳層并不與時(shí)間成正比增加。例如，高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達(dá)0.4mm；加熱4h達(dá)1.0mm；加熱12h達(dá)1.2mm。爐內(nèi)氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中脫碳能力最強(qiáng)的介質(zhì)是H2O（汽），其次CO2與O2，最后是H2；而CO和CH4則使鋼中增碳。在中性介質(zhì)中加熱時(shí)，脫碳最少。
        （4）防止脫碳的措施 工件加熱時(shí)，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時(shí)間，合理地選擇加熱速度，以縮短加熱的總時(shí)間。控制加熱氣氛，使之呈現(xiàn)中性或采用保護(hù)性氣體加熱，在脫氧良好的鹽浴爐中加熱，要比普通箱式爐中加熱的脫碳傾向小。熱壓力加工過程中，如果生產(chǎn)中斷，應(yīng)降低爐溫，如停頓時(shí)間很長，則應(yīng)將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫。進(jìn)行冷變形成形時(shí)，盡可能減少中間退火次數(shù)及降低中間退火溫度。高溫加熱時(shí)。鋼的表面用覆蓋物或涂料進(jìn)行保護(hù)，以防止氧化與脫碳。
3、折疊
（1）折疊的特征 折疊與周圍金屬的流線方向一致；折疊尾端一般成小圓角。有時(shí)，折疊之前先有折皺，這時(shí)折疊尾端一般呈枝杈形；折疊兩側(cè)有較重的氧化、脫碳現(xiàn)象。
（2）折疊的類型和形成原因 各種鍛件的折疊形式和位置一般是有規(guī)律的，折疊的類型和形成原因有以下幾種：由兩股（或多股）金屬對(duì)流匯合而形成折疊；由一股金屬的急速大量流動(dòng)將鄰近部分的表層金屬帶著流動(dòng)，兩者匯合而形成折疊；由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成折疊；部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)形成折疊。
模鍛過程中，如果某處金屬充填慢，在其相鄰部分均已基本充滿時(shí)，該處仍缺少大量的金屬而形成空腔，則相鄰部分的金屬在此處匯流而形成折疊。模鍛時(shí)，坯料尺寸不合適，打擊速度過快，模具圓角、斜度不合適，或某處金屬充填阻力過大都會(huì)產(chǎn)生折疊。模鍛時(shí)，彎軸和帶枝權(quán)的鍛件常易由兩股金屬匯合形成折疊。
環(huán)形鍛件和齒輪鍛件折疊形成的原因與工字形件類似。
細(xì)長（或扁薄鍛件，先被壓彎，然后發(fā)展成折疊。由于金屬回流形成彎曲，繼續(xù)模鍛時(shí)發(fā)展成折疊。拔長堅(jiān)，當(dāng)送進(jìn)量很小，壓下量很大時(shí)，上、下兩端金屬局部變形形成折疊。避免產(chǎn)生這種折疊的措施是增大送進(jìn)量，使每次送進(jìn)量與單邊壓縮量之比大于1~1.5。
模鍛時(shí)，上、下模錯(cuò)移時(shí)，啃掉鍛件上一塊金屬，再壓入鍛件，便形成了折疊。
（3）防止折疊的措施 合理選擇毛坯尺寸；清除毛坯上毛刺和氧化皮；提高模具光潔度；增大模具圓角半徑；加強(qiáng)潤滑；注意鍛造時(shí)的送進(jìn)量和操作方法等。
 4 、裂紋
        （1）裂紋形成的原因分析 材料的斷裂一般有兩種形式：一種是斷裂面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向的切斷，另一種是斷裂面垂直于最大正應(yīng)力或最大正應(yīng)變方向的正斷。材料以何種形式斷裂，主要取決于所受正應(yīng)力σ與切應(yīng)力τ之比。對(duì)高塑性材料的扭轉(zhuǎn)，由于最大切應(yīng)力與正應(yīng)力之比σ/τ＝1，發(fā)生的破壞是剪切破壞；對(duì)低塑性材料由于不能承受大的拉應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)時(shí)則發(fā)生45°方向開裂。對(duì)于某一定成分的材料，受力狀態(tài)及周圍介質(zhì)對(duì)裂紋的發(fā)生和發(fā)展有很大的影響。
        鍛造生產(chǎn)中，除了由模具給工件施加壓力外。還有由于變形不均勻引起的附加應(yīng)力、溫度不均勻引起的熱應(yīng)力和因組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)進(jìn)行而產(chǎn)生的組織應(yīng)力，這些都可以使鍛件產(chǎn)生裂紋。
        1）由模具施加的外力引起的鍛件裂紋。如果工件的斷面是矩形且邊長相差較大，則沿窄邊鍛打時(shí)易發(fā)生彎曲，工件一側(cè)受拉應(yīng)力，另一側(cè)受壓應(yīng)力。當(dāng)工件彎曲比較嚴(yán)重時(shí)，在隨后的校正工序中凹的一面受拉應(yīng)力，使工件開裂。由于彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力不僅在自由鍛時(shí)可以產(chǎn)生，在模鍛中由于工件下部與模具不接觸造成彎曲也可能拉裂。如果工件變形時(shí)下表面不是自由彎曲，而受到一定的壓應(yīng)力，便不致引起開裂。

        與鑄鐵冷壓時(shí)易產(chǎn)生近45°的斜裂相似，鐓粗時(shí)軸向雖受壓應(yīng)力，但與軸向成45°方向有最大剪應(yīng)力而產(chǎn)生斜裂。對(duì)于多數(shù)金屬，尤其是塑性較高的金屬，鐓粗時(shí)一般不出現(xiàn)斜裂，而是出現(xiàn)縱裂，這與明顯的鼓形而使工件幾何形狀改變造成應(yīng)力改變有關(guān)。呈凹形的試樣鐓粗時(shí)出現(xiàn)了45°的斜裂，而呈鼓肚形的鍛件鐓粗時(shí)則出現(xiàn)了縱裂。這是因?yàn)檠劐懠韺映藟簯?yīng)力外，、凹試件還受徑向壓應(yīng)力分量的作用，阻止縱向開裂；而凸試件由于受徑向拉應(yīng)力產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力作用，促使表層縱向開裂。

失效種類	主要特征	產(chǎn)生的原因及影響
過熱	一般指金屬由于加熱溫度過高引起粗大晶粒的現(xiàn)象。碳鋼（亞共析鋼或過共析鋼）以出現(xiàn)魏氏組織為特征。工模具鋼（或高合金鋼）以一次碳化物角狀化為特征。一些合金結(jié)構(gòu)鋼過熱后除晶粒粗大外，沿晶界還有析出物，而且用一般熱處理辦法也不易消除	加熱溫度過高或在規(guī)定的鍛造與熱處理溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間太長引起的 過熱組織由于晶粒粗大，將使力學(xué)性能降低，尤其是沖擊性能
過燒	過燒嚴(yán)重的金屬，鐓粗時(shí)輕輕一擊就開裂，拔長時(shí)在過燒處出現(xiàn)橫向裂口 過燒部位的晶粒特別粗大。裂紋間的表面呈淺灰藍(lán)色。過燒的鋁合金鍛件，表面呈黑色或暗黑色，并且表面形成雞皮狀氣泡。從組織上看，一般以晶界出現(xiàn)氧化和熔化現(xiàn)象為特征	加熱溫度過高或高溫加熱時(shí)間過長引起的。爐中的氧及金屬晶粒間的空隙，并與鐵、硫、碳等氧化，形成了易熔相，破壞晶粒間的聯(lián)系
銅脆	鍛造時(shí)鍛件表面龜裂。高倍顯微鏡下觀察時(shí)，有淡黃色的銅（或銅的固溶體）沿晶界分布	爐內(nèi)殘余氧化銅屑，加熱時(shí)氧化銅還原為自由銅，銅在高溫下沿奧氏體晶界擴(kuò)展，削弱了晶粒間的聯(lián)系。另外，當(dāng)鋼中含銅量＞0.2%時(shí)，在氧化性氣氛中加熱，在氧化皮下形成富銅層，也引起銅脆
大晶粒	鍛件在低倍顯微鏡下觀察，晶粒粗大	始鍛溫度過高和變形程度不足；終鍛溫度過高；變形程度落入臨界變形區(qū)；鋁合金變形程度 過大，形成織構(gòu)；高溫合金變形溫度過低，形成混合變形組織等，均能形成粗大晶粒 粗晶使鍛件的塑性、韌性降低，疲勞性能明顯下降
晶粒不均勻	鍛件某些部位的晶粒特別粗大，某些部位卻較小，形成整個(gè)鍛件內(nèi)部晶粒大小不均 耐熱鋼及高溫合金對(duì)晶粒不均勻特別敏感	變形不均勻使晶粒破碎不一或局部區(qū)域變形程度落入臨界變形區(qū)，高溫合金局部加工硬化，淬火加熱時(shí)局部晶粒粗大  晶粒不均勻使鍛件的持久性能、疲勞性能等明顯下降
冷硬現(xiàn)象	熱鍛后鍛件內(nèi)部仍保留冷變形組織，鍛件強(qiáng)度和硬度比正常的熱鍛高，但塑性和韌性下降	變形時(shí)溫度偏低或變形速度過快以及鍛后冷卻速度過快，再結(jié)晶引起的軟化跟不上變形引起的強(qiáng)化，從而出現(xiàn)熱加工后的冷硬現(xiàn)象
脫碳層堆積	鍛件 上局部地方出現(xiàn)脫碳層堆積，該處硬度低于正常組織的硬度	這種缺陷是由于鍛造工藝不當(dāng)引起的。例如，圓棒料拔長時(shí)，由于錘擊過重和壓下量過大，翻轉(zhuǎn)90°壓縮時(shí)成雙鼓形，再拔長時(shí)，雙鼓形的一部分金屬向外流動(dòng)，增加寬度的同時(shí)，一部分金屬向中間部位流動(dòng)，形成了中間部位脫碳層堆積現(xiàn)象
龜裂	鍛件表面出現(xiàn)較淺的龜狀裂紋	原材料含Cu、Sn等易熔元素量過多；高溫長時(shí)間加熱時(shí)，鋼表面銅析出、表面晶粒粗大、脫碳，或經(jīng)多次加熱的表面；加熱時(shí)，燃料中含硫量過高，造成鍛件表面增硫；鍛件成形中受拉應(yīng)力的表面（例如，未充滿的凸出部分或受彎曲的部分）最容易產(chǎn)生這種缺陷
穿流	穿流是流線分布不當(dāng)?shù)囊环N形式。在穿流區(qū)，原先成一定角度分布的流線匯合在一起。穿流區(qū)內(nèi)、外晶粒大小常常相關(guān)較懸殊	穿流產(chǎn)生的原因與折疊相似，它是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而形成的，但穿流部分的金屬仍是一整體。穿流使鍛件的力學(xué)性能降低，尤其當(dāng)穿流帶兩側(cè)晶粒相差較懸殊時(shí)，性能降低較明顯
鍛件流線分布不當(dāng)	鍛件上發(fā)生流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現(xiàn)象	模具設(shè)計(jì)不當(dāng)或鍛造方法選擇不合理，預(yù)先毛坯流線紊亂；操作不當(dāng)及模具磨損使金屬產(chǎn)生不均勻流動(dòng)