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锻造过程中常见的失效形式与防止措施
锻造过程中常见的失效形式与防止措施（2021）
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（安全管理）
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锻造过程中常见的失效形式与防止措施（2021）
导语：
做好准备和保护，以应付攻击或者避免受害，从而使被保护对象处于没有危险、不受侵害、不出现事故的安全状态。
显而易见，安全是目的，防范是手段，通过防范的手段达到或实现安全的目的，就是安全防范的基本内涵。
1、氧化
（1）钢的氧化特征在氧化性气氛中加热时，钢与氧、二氧化碳、水蒸气、二氧化硫等发生互相作用生成铁的氧化物，在钢材表面形成了氧化铁皮。
在钢的氧化过程中，铁以离子状态由内层向外层表面扩散，氧化性气体则以原子状态由外表层经吸附后向内层扩散。
在外表面因氧的含量多，形成Fe2
O3
，而内部则形成FeO，即由外层至内层氧化程度逐渐减轻。
氧化皮与铁的膨胀系数不同，易从钢上剥离，从而加速了钢的氧化。
（2）氧化对锻件质量的影响氧化不仅烧损大量的钢材，而且表面粘结有氧化皮的钢，在拔丝、冲压、模锻时易引起模具损坏，切削加工晨易引起刀具磨损。
氧化对锻件质量也有—定的影响，如锻件表面粘结的氧化皮，不仅降低锻件（特别是精密模锻件）的表面质量和尺寸精度，而且在热处理时引起组织和性能不均匀。
（3）影响钢氧化的因素影响钢氧化的因素很多，主要是加热温度、加热时间、炉气成分和钢的化学成分等。
首先是加热温度与时间的影响，加热热越高，扩散速度越快，钢的氧化也越严重。
加热时间越长，氧化损失也越大。
其次是炉气成分的影响，当过剩系数控制在0.4~0.5时，可以形成保护性气氛，避免发生氧化。
低于800℃时，SO2
对钢的氧化作用不强。
但在1000~1200℃时，含0.1％SO2
就会使氧化速度增加两倍；再次是钢的化学成分的影响，当钢中含碳量大于0.3％时，随含碳量的增多，氧化速度减小。
另外。
一些元素如Cr、Ni、Si、Mo等在金属表面形成牢固致密的保护薄膜，阻止氧向内部扩散，使氧化速度减慢。
而当钢中铬及镍含量大于13％~20％时，实际上就很少发生氧化。
（4）防止氧化的措施减少金属与氧的接触时间，如采用快速加热、感应加热等，以减少金属在高温下保温停留的时间。
在保护性介质中加热，常用的保护性介质有：
①气体介质；②液体介质，例如在玻璃液中加热，在盐浴炉中加热；③固体介质，例如把金属埋在石墨粉中加热，涂抹玻璃润滑剂加热等。
采用先进加热技术，如在悬浮介质中加热（光亮加热）。
2、脱碳
（1）脱碳的特征脱碳是指钢加热时表层含碳量降低的现象。
脱碳的过程就是钢中的碳在高温下与氢或氧发生反应生成甲烷或一氧化碳。
脱碳时，一方面是氧向钢内扩散。
另一方面钢中的碳向外扩散。
脱碳层只有在脱碳速度超过氧化速度时才能形成，当氧化速度很大时。
可以不发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后，铁即被氧化而生成氧化皮。
因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，可形成较深的脱碳层。
脱碳层含碳量较正常组织低，渗碳体（Fe3
C）的数量较正常组织少，故其强度或硬变较低对大多数钢来说，脱碳会降低其性能。
对高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳是一种严重的失效。
（2）脱碳对钢性能的影响脱碳对锻造和热处理等工艺性能均有影响：
①2Crl3不锈钢加热温度过高、保温时间过长时，表层金属脱碳，促使高温占铁素体在表面过早地形成，使锻件表面塑性大大降低，模锻时容易开裂；②奥氏体锰钢表层脱碳以后，奥氏体组织不均匀，不仅使冷变形时的强度达不到要求，而且可能由于变形不均匀产生裂纹；③钢的表面脱碳以后，使表层与心部的组织和线膨胀系数不同，淬火时发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力；同时，由于表层脱碳后强度下降，淬火时零件表面甚至可能产生裂纹。
脱碳对零件性能也有影响，钢的表面脱碳后，淬火时不发生马氏体转变或马氏体转变不完全，就得不到所要求的硬度。
轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。
（3）影响钢脱碳的因素影响钢脱碳的因素主要有钢的化学成分、加热温度、保温时间和炉气成分等。
钢的化学成分对脱碳有很大影响。
钢中含碳量愈高，脱碳倾向愈大。
合金元素W、Al、Si、Co等元素都使钢脱碳倾向增加，而Cr等元素能阻止钢脱碳。
随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。
一般情况下，加热温度低于1000℃时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢。
但随着温度的升高，虽然氧化皮形成速度增加，但氧化皮下面碳的扩散速度也加快，达到某一温度后脱碳反而比氧化快，此时氧化皮失去保护能力。
加热时间愈长，加热次数愈多，脱碳层愈深。
但脱碳层并不与时间成正比增加。
例如，高速钢的脱碳层在1000℃加热0.5h，深度达0.4mm；加热4h达1.0mm；加热12h达1.2mm。
炉内氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力最强的介质是H2
O（汽），其次CO2
与O2
，最后是H2
；而CO和CH4
则使钢中增碳。
在中性介质中加热时，脱碳最少。
（4）防止脱碳的措施工件加热时，尽可能地降低加热温度及在高温下的停留时间，合理地选择加热速度，以缩短加热的总时间。
控制加热气氛，使之呈现中性或采用保护性气体加热，在脱氧良好的盐浴炉中加热，要比普通箱式炉中加热的脱碳倾向小。
热压力加工过程中，如果生产中断，应降低炉温，如停顿时间很长，则应将坯料从炉内取出或随炉降温。
进行冷变形成形时，尽可能减少中间退火次数及降低中间退火温度。
高温加热时。
钢的表面用覆盖物或涂料进行保护，以防止氧化与脱碳。
3、折叠
（1）折叠的特征折叠与周围金属的流线方向一致；折叠尾端一般成小圆角。
有时，折叠之前先有折皱，这时折叠尾端一般呈枝杈形；折叠两侧有较重的氧化、脱碳现象。
（2）折叠的类型和形成原因各种锻件的折叠形式和位置一般是有规律的，折叠的类型和形成原因有以下几种：
由两股（或多股）金属对流汇合而形成折叠；由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合而形成折叠；由于变形金属发生弯曲、回流而形成折叠；部分金属局部变形，被压入另一部分金属内形成折叠。
模锻过程中，如果某处金属充填慢，在其相邻部分均已基本充满时，该处仍缺少大量的金属而形成空腔，则相邻部分的金属在此处汇流而形成折叠。
模锻时，坯料尺寸不合适，打击速度过快，模具圆角、斜度不合适，或某处金属充填阻力过大都会产生折叠。
模锻时，弯轴和带枝权的锻件常易由两股金属汇合形成折叠。
环形锻件和齿轮锻件折叠形成的原因与工字形件类似。
细长（或扁薄锻件，先被压弯，然后发展成折叠。
由于金属回流形成弯曲，继续模锻时发展成折叠。
拔长坚，当送进量很小，压下量很大时，上、下两端金属局部变形形成折叠。
避免产生这种折叠的措施是增大送进量，使每次送进量与单边压缩量之比大于1~1.5。
模锻时，上、下模错移时，啃掉锻件上一块金属，再压入锻件，便形成了折叠。
（3）防止折叠的措施合理选择毛坯尺寸；清除毛坯上毛刺和氧化皮；提高模具光洁度；增大模具圆角半径；加强润滑；注意锻造时的送进量和操作方法等。
4、裂纹
（1）裂纹形成的原因分析材料的断裂一般有两种形式：
一种是断裂面平行于最大切应力或最大切应变方向的切断，另一种是断裂面垂直于最大正应力或最大正应变方向的正断。
材料以何种形式断裂，主要取决于所受正应力σ与切应力τ之比。
对高塑性材料的扭转，由于最大切应力与正应力之比σ
/
τ＝
1
，发生的破坏是剪切破坏；对低塑性材料由于不能承受大的拉应力。
扭转时则发生45°方向开裂。
对于某一定成分的材料，受力状态及周围介质对裂纹的发生和发展有很大的影响。
锻造生产中，除了由模具给工件施加压力外。
还有由于变形不均匀引起的附加应力、温度不均匀引起的热应力和因组织转变不同时进行而产生的组织应力，这些都可以使锻件产生裂纹。
1）由模具施加的外力引起的锻件裂纹。
如果工件的断面是矩形且边长相差较大，则沿窄边锻打时易发生弯曲，工件一侧受拉应力，另一侧受压应力。
当工件弯曲比较严重时，在随后的校正工序中凹的一面受拉应力，使工件开裂。
由于弯曲产生的拉应力不仅在自由锻时可以产生，在模锻中由于工件下部与模具不接触造成弯曲也可能拉裂。
如果工件变形时下表面不是自由弯曲，而受到一定的压应力，便不致引起开裂。
与铸铁冷压时易产生近45°的斜裂相似，镦粗时轴向虽受压应力，但与轴向成45°方向有最大剪应力而产生斜裂。
对于多数金属，尤其是塑性较高的金属，镦粗时一般不出现斜裂，而是出现纵裂，这与明显的鼓形而使工件几何形状改变造成应力改变有关。
呈凹形的试样镦粗时出现了45°的斜裂，而呈鼓肚形的锻件镦粗时则出现了纵裂。
这是因为沿锻件表层除了压应力外，、凹试件还受径向压应力分量的作用，阻止纵向开裂；而凸试件由于受径向拉应力产生的切向拉应力作用，促使表层纵向开裂。
2）由附加应力及残余应力引起的裂纹。
锻件变形时，伸长较多的部分和伸长较少的部分相互牵制，伸长较大的部位受到附加压应力作用，而伸长较少的部位则受到附加拉应力的作用。
当附加拉应力超过材料的变形极限时，就会产生裂纹。
矩形断面的坯料拔长时，如果送进量l
相对于坯料高度h
较小（l＜0.5h），则变形区与镦粗时形成的双鼓形类似，中间部分锻不透，上、下两部分金属强制其延伸，而使其受到拉应力，产生横向裂纹。
3）由热应力及组织应力引起的裂纹。
锻件在加热或冷却时，由于温度不均匀造成热胀或冷缩不均匀，引起内应力。
在降温较快或升温较慢处材料受拉应力，反之，则受到压应力的作用。
当组织转变不能同时发生时，则产生组织应力。
增加比容的转变区受压应力，减小比容的转变区则受拉应力。
当拉应力超过材料的强度极限时，锻件上就会产生裂纹。
奥氏体冷却时，发生马氏体转变的材料在冷却过程中形成的热应力和组织应力使工件在冷却过程中听形成的热应力和组织应力不断发生变化，其分布恰好相反，但并不能相互抵消。
热应力在高温时已经形成，而淬火组织应力则在较低的温度时才开始出现。
室温时，残余应力的大小与分布取决于热应力与组织应力的相互叠加的结果。
（2）裂纹的特征裂纹一般与流线成一定的夹角，尾部是尖的。
这与折叠不同，折叠与附近的流线平行，尾部呈圆角，对中高碳钢来说折叠表面有氧化脱碳现象。
具有裂纹的锻件加热后，裂纹附近有严重脱碳现象，冷却裂纹则没有这种现象。
由于冷校正及冷切边引起的裂纹。
在裂纹周围有滑移带等冷变形痕迹。
（3）防止裂纹产生的措施裂纹的产生与受力情况和材料的塑性有关。
当温度和应变速度一定时，由拉应力引起的开裂条件为：
C
σ≈a
—bp
+c
ε
由切应力引起的开裂条件为：
C
τ
≈A
—Bp
+C
ε
式中，p
为静水压力，即三个主应力的平均值，拉应力取正，压应力取负。
ε
是有效应变，代表加工硬化。
a
、b
、c
和A
、B
、C
为系数。
可见，防止裂纹产生的主要措施如下。
1）变形时尽量减小拉应力。
三向等压应力不仅不会使裂纹扩展，而且微小未被氧化的裂纹在高的三向压应力作用下被锻合。
低塑性材料采用反推力挤压及带套筒镦粗可防止开裂。
挤压和拔长时减小附加应力，是防止开裂的非常有效的措施。
2）选择合适的变形温度。
变形温度低，冷变形硬化严重，塑性下降；变形温度过高，则易引起过热与过烧。
3）控制应变速度。
应变速度对低塑性材料有很大的影响，应根据具体材料选用合适的锻造设备，以控制变形速度。
4）中间退火。
冷变形程度过大，往往引起锻件开裂，经过中间退火，可以消除硬化和变形引起的部分缺陷。
5）提高材料的塑性。
材料晶界上出现低熔点物质和脆性化合物，在锻造时易引起开裂，应尽量避免这些缺陷。
5、锻件其他常见的失效形式
锻造生产中，锻件其他常见的失效形式见表。
锻件其他常见的失效形式
失效种类
主要特征
产生的原因及影响
过热
一般指金属由于加热温度过高引起粗大晶粒的现象。
碳钢（亚共析钢或过共析钢）以出现魏氏组织为特征。
工模具钢（或高合金钢）以一次碳化物角状化为特征。
一些合金结构钢过热后除晶粒粗大外，沿晶界还有析出物，而且用一般热处理办法也不易消除
加热温度过高或在规定的锻造与热处理温度范围内停留时间太长引起的
过热组织由于晶粒粗大，将使力学性能降低，尤其是冲击性能
过烧
过烧严重的金属，镦粗时轻轻一击就开裂，拔长时在过烧处出现横向裂口
过烧部位的晶粒特别粗大。
裂纹间的表面呈浅灰蓝色。
过烧的铝合金锻件，表面呈黑色或暗黑色，并且表面形成鸡皮状气泡。
从组织上看，一般以晶界出现氧化和熔化现象为特征
加热温度过高或高温加热时间过长引起的。
炉中的氧及金属晶粒间的空隙，并与铁、硫、碳等氧化，形成了易熔相，破坏晶粒间的联系
铜脆
锻造时锻件表面龟裂。
高倍显微镜下观察时，有淡黄色的铜（或铜的固溶体）沿晶界分布
炉内残余氧化铜屑，加热时氧化铜还原为自由铜，铜在高温下沿奥氏体晶界扩展，削弱了晶粒间的联系。
另外，当钢中含铜量＞0.2%时，在氧化性气氛中加热，在氧化皮下形成富铜层，也引起铜脆
大晶粒
锻件在低倍显微镜下观察，晶粒粗大
始锻温度过高和变形程度不足；终锻温度过高；变形程度落入临界变形区；铝合金变形程度过大，形成织构；高温合金变形温度过低，形成混合变形组织等，均能形成粗大晶粒
粗晶使锻件的塑性、韧性降低，疲劳性能明显下降
晶粒不均匀
锻件某些部位的晶粒特别粗大，某些部位却较小，形成整个锻件内部晶粒大小不均
耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感
变形不均匀使晶粒破碎不一或局部区域变形程度落入临界变形区，高温合金局部加工硬化，淬火加热时局部晶粒粗大
晶粒不均匀使锻件的持久性能、疲劳性能等明显下降
冷硬现象
热锻后锻件内部仍保留冷变形组织，锻件强度和硬度比正常的热锻高，但塑性和韧性下降
变形时温度偏低或变形速度过快以及锻后冷却速度过快，再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化，从而出现热加工后的冷硬现象
脱碳层堆积
锻件上局部地方出现脱碳层堆积，该处硬度低于正常组织的硬度
这种缺陷是由于锻造工艺不当引起的。
例如，圆棒料拔长时，由于锤击过重和压下量过大，翻转90°压缩时成双鼓形，再拔长时，双鼓形的一部分金属向外流动，增加宽度的同时，一部分金属向中间部位流动，形成了中间部位脱碳层堆积现象
龟裂
锻件表面出现较浅的龟状裂纹
原材料含Cu、Sn等易熔元素量过多；高温长时间加热时，钢表面铜析出、表面晶粒粗大、脱碳，或经多次加热的表面；加热时，燃料中含硫量过高，造成锻件表面增硫；锻件成形中受拉应力的表面（例如，未充满的凸出部分或受弯曲的部分）最容易产生这种缺陷
穿流
穿流是流线分布不当的一种形式。
在穿流区，原先成一定角度分布的流线汇合在一起。
穿流区内、外晶粒大小常常相关较悬殊
穿流产生的原因与折叠相似，它是由两股金属或一股金属带着另一股金属汇流而形成的，但穿流部分的金属仍是一整体。
穿流使锻件的力学性能降低，尤其当穿流带两侧晶粒相差较悬殊时，性能降低较明显
锻件流线分布不当
锻件上发生流线切断、回流、涡流等流线紊乱现象
模具设计不当或锻造方法选择不合理，预先毛坯流线紊乱；操作不当及模具磨损使金属产生不均匀流动
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