锻造零件缺陷分析

锻造零件缺陷分析

摘要：介绍了四种典型锻造缺陷案例并进行了详尽的追述，主要从锻造过程中金属流动和冶金缺陷的重新分布的角度对锻造缺陷产生原因作了比较全面的解析，提出了解决这些问题比较成熟的经验和方法。

关键词：锻造零件；缺陷分析；解决措施

1引言

锻件缺陷的产生有时往往呈批量性和阶段性，因此及时、准确找出缺陷原因是非常重要的。而实际锻造生产与理想规范的状态是有较大的出入，有些缺陷产生原因经常出人意料之外，问题的解决也比较周折。现列举几例来源于生产中比较有代表性的锻造裂纹及其解决办法，希望能给与同行有益的启示。

2案例分析

2.1连杆的分模面裂纹

2.1.1宏、微观检验

我厂生产的船用柴油机连杆(从形状分类属杆类锻件)，用45钢在10t模锻锤上锻成。锻造切边后经探伤均未发现裂纹，但在热处理调质或酸洗后发现裂纹，有时废品率高达30%左右。裂纹有规律地分布于杆部模面上，呈纵向分布，裂纹长度几乎等于连杆杆部长度(见图1)，深度约5～7mm。裂纹由粗渐细向深扩展，裂纹曲折，沿晶开裂，有分支细裂纹出现[1];裂纹两侧与基体组织一致，无脱碳现象发生，显微组织为回火索氏体+少量铁素体[2](见图2)，其硬度为311～319HB。将未裂的杆部横向切开热蚀(见图3)，锻件表层非常致密，心部较为疏松，分模面处流线向外凸出，纤维较粗且疏松严重。

图1分模面裂纹图2裂纹及组织100×

图3横截面流线

2.1.2裂纹分析

连杆杆部是呈工字型的，在模锻过程中，变形量较大。形变的初期，靠近表层的金属由于型腔的摩擦力而相对流动小，心部金属被挤压向四周而充满型腔，沿桥口横向挤出形成飞边量是比较少的。这种表层与心部的相对运动，势必造成金属分层，反映在分模面边界处有一道明显的致密与疏松的分界线(见图3);而且原材料的缺陷和夹杂物也都密集于飞边处，分模面的疏松最为严重;同时分模面切边处于流线横向位置，是很容易开裂的。因此淬火时的高应力致使产生分模面裂纹。

2.1.3解决办法

(1)从锻造工艺上进行调整，减少锻造飞边量也就减少了表层与心部的相对运动，实践也证明飞边流出越多，淬火时产生裂纹的倾向越大。为此可采取①连杆下料制坯尽量精确;②模具桥口设计取下限;③加大锻打力度，减少击打次数。

(2)从热处理工艺上进行调整。实践证明，只要热处理时不产生裂纹，则在使用过程中是不会开裂的。因此可以将正火温度提高到950℃，回火温度提高到650℃，淬水温度下降为820℃，能使连杆的分模面裂纹减少60%。

生产中只要出现有分模面裂纹倾向，则采用上述办法就可以避免。

2.2连杆头锻造表面龟裂

2.2.1宏观检验

来料加工的钢材未作进厂复验，投入锻造后，许多连杆的大、小头平面出现许多网状裂纹(从缺陷位置分类属表面缺陷)，严重处几乎脱落(见图4和图5)。仔细检查了锻造温度，未发现过烧现象。

图4大头表面龟裂图5小头表面龟裂

2.2.2裂纹分析

观察未经侵蚀的试样(平行于表面去除2mm制样)，发现晶界有氧化现象，在裂纹内腔有灰色的氧化物夹杂，沿晶界向内延伸;试样经4%HNO3侵蚀后，在裂纹两侧可见脱碳层，脱碳层深度0.15～0.2mm，在裂纹旁边的晶界上可以观察到部分黄色的自由铜沿晶界分布(见图6)。进一步分析了该连杆的化学成分，其中铜含量(质量分数)为0.374%。

据文献[3，4]介绍，铜含量>0.2%时，锻造时会产生龟裂现象。这批连杆产生表面龟裂，铜含量过高是主要原因，在锻造过程中易产生表面龟裂。

为什么表面龟裂只产生于连杆头部，而杆部没有呢?这是由于成型的难易不同造成的。将连杆小头与杆部作对比，从图7上看，它们都是靠心部的冲头下压将金属挤入型腔而成型的，由于h1/d1>h2/d2，b1>b2，而a1

图6晶界氧化及自由铜沿晶界分布70×图7头部与杆部的形状比较

(a)头部(b)杆部

2.2.3解决办法

(1)停止使用该材料，避免裂纹大量产生。

(2)适当增加连杆头部的拔模斜度、a及R值，使锻造过程中金属流动更流畅。

2.3球头螺杆中心凹陷孔洞

2.3.1宏、微观检验

锻造100t冲床球头螺杆(从形状分类属棒类锻件)，其拔长杆部的两头端面中心部位产生了裂纹和下侧孔洞。有裂纹和孔洞的共35件，占了该批锻件的66%。裂纹和孔洞深入心部30～50mm。端面中心部位严重凹陷。该批材料采用45钢，<180mm热轧钢材在自由锻单3t锤上一次直接锻成<100mm的圆材。整个拔长过程虽有工艺规定，但料坯的加热和锻打均凭经验进行(见图8)。

对原材料作热蚀试验、超声波探伤和非金属夹杂物检查，均未发现超标缺陷。对缺陷锻件取样作金相观察，裂纹两侧轻微脱碳0.10～0.15mm，裂纹开口处0.15～0.20mm，伴有少量氧化物存在，裂纹尾部粗钝，无分支裂纹。裂纹两侧分布着大小孔洞(见图9)，其组织为珠光体+铁素体，晶粒度6～7级(见图10)。

图8球头螺杆中心裂纹及孔洞图9裂纹及孔洞20×

图10孔洞周围显微组织100×

2.3.2裂纹分析

裂纹两侧组织为等轴正火组织，在铁素体中未发现有冷压力加工的迹象，故可以排除未烧透心部冷锻开裂的因素。正常拔长应头部凸出，而该锻件头部凹陷，说明锻件变形仅局限在表面变形，心部变形甚少。同时锻造方式为圆形→圆形，又是平砧锤头，锻件变形仅在与锤头接触的很小范围内，容易产生锻造缺陷，同时导致心部收缩跟不上表面变形而产生中心裂纹和孔洞。

2.3.3解决办法

(1)用双3t锤上锻造以加大锤击力，使心部充分变形。

(2)将锻造方式圆形→圆形改为圆形→方形→圆形，使内外变形更加均匀。

经过以上改进后锻件头部凸出，有效地杜绝了类似裂纹再次产生。

2.4<500mm行车车轮预锻破裂

<500mm行车车轮(从形状分类属饼类锻件)是用我厂生产的370mm方钢锭，材质为50钢，经炉前化学成分分析和冒口端低倍检查合格后，在16t模锻锤上锻造，预锻墩粗时崩裂成几块，断口呈萘状，蓝黑色。从未完全断开的坯料看，中心部位的裂纹开口是最大的。开裂的坯料占下料总数的20%，仔细检查了锻造温度及坯料表面和裂口处显