鋼錠的結構及缺陷對鍛件質量的影響

摘 要：鋼鐵鍛件生產過程中環境友好成型技術要求對環境污染小、材料消耗少、生產成本低。文章結合鋼錠在凝固過程中形成的結構特點及組織缺陷，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構及缺陷對鍛件質量的影響。

關鍵詞：鋼錠；缺陷；鍛件質量

前言

隨著現代機械裝配制造業的發展，金屬材料鍛件的環境友好成型加工技術正在受到越來越多的重視。環境友好成型要求在金屬材料鍛件生產過程中具有對環境污染小、材料消耗少、生產成本低的技術優勢[1]。鋼錠是由冒口、底部、錠身組成。鋼錠表層為細小等軸結晶區，向里分別為柱狀結晶區、枝狀結晶區，心部為粗大等軸結晶區。大鑄錠下料屬于自由鍛，用自由鍛方法進行開坯，將錠料兩端切除，按一定尺寸將坯料分割[2]。鍛造生產的發展總趨勢是使鍛件形狀、表面質量、尺寸最大限度與產品相接近，以到少、無切削加工的目的。發展精密鍛造成形技術，發展高效的鍛壓設備有利于鍛件質量的提高。為適應大批量生產的需要，應發展專業化的連續生產線，利于進行技術改造及采用先進工藝，提高鍛件的內在質量，提高鍛造生產的機械化、自動化水平。鋼錠的結構及缺陷對鍛件質量影響較大，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，節約鋼材，保護環境，促進鍛造行業可持續發展。

1 鋼錠的結構特點及組織缺陷

在鍛造生產中，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，錠模內的結晶條件影響鋼錠內部組織結構，鋼鐵材料結晶的動力學條件和熱力學條件影響材料組織結構。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，在表層形成細小的晶粒區。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塊，導致鋼錠的內部化學成分、金屬結晶組織、以及結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。鋼錠的內部缺陷受到其在冒口、底部，或者中分布規律影響。鍛件生產中將縮孔集中的冒口區在鍛造中予以切除，作為廢料處理；鍛件的質量要求防止遺留在鍛件內部冒口而使鍛件成為廢品。根據鋼錠材料不同，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、特征及其分布特點對鋼錠的鍛件質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化學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的不均勻性稱為區域偏析。枝晶偏析和區域偏析是由于鋼錠凝固過程中的選擇性結晶、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元素受到固-液兩相選擇性結晶作用、溶解度發生變化、結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構和組織變化。各種化學反應不均勻和引起鋼錠成分在微觀區域的分布不均，偏析造成力學性能不均勻形成裂紋缺陷。減輕鋼錠生產中偏析和夾雜缺陷的防治措施有對熔煉技術進性改進，應用真空澆鑄新技術；應用控制凝固條件新技術；應用加冒口發熱劑新技術。對于枝晶偏析微觀區域的分布不均可以通過高溫擴散退火得到消除；區域偏析很難通過熱處理方法消除，對于反復鍛造拔變形工藝有利于其化學成分均勻化。

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，有的是化學反應產物形成的夾雜；非金屬夾雜常分為內在夾雜和外來夾雜。夾雜是一種異相質點，大多數硬度高、脆性大，夾雜物破壞了金屬基體的連續性，在夾雜物與金屬基體界面處容易產生應力集中，導致顯微裂紋，降低鍛件疲勞強度，對鍛造工藝過程和鍛件質量均有不良影響。低熔點夾雜物在鍛造時由于在晶界產生液相會引起熱脆現象；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利于防止其異質點落入錠身，改善夾雜；采用先進工藝設備優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部或皮下形成氣泡。鋼錠內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部夾雜。氫氣在鋼中的含量超過了一定極限值形成白點，產生氫脆缺陷，降低鋼的塑像。預防氣體和氣泡的措施是凈化鋼液，加強保護，優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生液態收縮、凝固收縮、固態收縮。如果得不到鋼液補充，凝固收縮后期，鋼錠內部某些地方形成空洞。在鋼錠頭部的軸心區域凝固最遲，縮孔缺陷就是因為沒有鋼液補充而造成。錠模結構影響縮孔的大小，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使得縮孔深入到錠身內部形成。正因為如此，為了防止鍛件的內部裂紋，鍛造時縮孔集中的冒口區在鍛造中予以切除，防止因為縮孔不能鍛合而造成鍛件的內部裂紋，導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性，降低材料的力學性能。將縮孔集中的冒口區在鍛造中予以切除是預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，加強防治措施對提高鍛件質量，減少浪費，節約鋼材具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]高寶寶，解念鎖.金屬材料環境友好成型加工技術研究[J].科技創新與應用，2016（10）：43-44.

[2]閆洪.鍛造工藝與模具設計[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3]解念鎖.結合材料工程專業特點培養學生環境意識[J].機械管理開發，2007（5）：144-146.