大型铸锻件的组织缺陷及其国内外生产现状的研究.docx
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大型铸锻件的组织缺陷及其国内外生产现状的研究
学号0910131114
毕业设计
课题大型铸锻件的组织缺陷及其国内外生产现状的研究
学生姓名殷娟
系别机械工程系
专业班级09金属材料工程
指导教师陈峥
二0一三年五月
摘要
大型铸锻件是集材料、冶炼、锻造、热处理、焊接和检测为一体的高技术产品，其质量直接影响到成套装备的整体水平和运行可靠性，是衡量一个国家重工业发展水平的重要指标,因此，对我国未来发展起着重要的作用。
本文通过介绍大型铸锻件的生产现状以及常见的组织缺陷的方法来剖析我国大型铸锭的发展历史和如今的现状，和国内外大型铸锭进行比较，更能清楚的了解我国大型铸锭的一些情况。
本文也通过研究大型铸锭的常见组织缺陷，包括气孔、非金属夹杂物、疏松、裂纹等的研究。
为我国提高大型铸锭的生产和发展提出了更加宝贵的建议。
关键词:
大型铸锻件；生产状况；技术水平；市场需求；国内外；组织缺陷。
Abstract
Forgingisasetofmaterials,smelting,forging,heattreatment,weldingandtestingfortheintegrationofhigh-techproducts,itsqualitydirectlyaffectstheoveralllevelofoutfitandoperationalreliability,isameasureofacountry'sheavyindustry,animportantindicatorofthelevelofdevelopment,soonChina'sfuturedevelopmentplaysanimportantrole.
Thispaperdescribestheproductionoflargecastingsandforgingsstatusandcommonapproachtotheanalysisoftissuedefectsofthehistoryanddevelopmentoflargeingotsarenowthestatusquo,andtocomparedomesticandforeignlargeingot,moreclearunderstandingofsomeofourlargeingotsituation.
Thisarticlealsobystudyingthecommonorganizationoflargeingotdefects,includingporosity,inclusions,porosity,cracksandotherresearch.ForChinatoimprovetheproductionanddevelopmentoflargeingotsmademorevaluablesuggestions
Keywords:
Forging;productionstatus;technicallevel;marketdemand;abroad;tissuedefects.
目录
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………………
第一章大型铸锻件的生产流程概述1
1.1大型铸锻件的特点1
1.2大型铸锻件的生产工艺概述2
1.3铜与铜合金的熔炼和铸造的过程2
第二章大铸锭的常见组织缺陷及其改善措施5
2.1研究大铸锭的意义9
2.2大铸锭的常见组织缺陷9
2.3大铸锻件的改善措施12
第三章国外（欧美、日韩）主要装备制造业的大型铸锻件的生产能力及技术水平13
3.1大型钢锭国外生产概况13
3.2国外重要大锻件的发展13
第四章国内（一重、二重、上重、中信重机）大型铸锻件的生产概况及技术水平15
4.1国内大型铸锻件的生产概况15
4.2国内（一重、二重、上重、中信重机）大型铸锻件的技术水平16
4.3国内的重要大锻件生产的发展17
小结21
参考文献23
第1章大型铸锻件的生产流程概述
1.1大型铸锻件的特点
1.1.1大型铸锻件的定义
大型铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。
凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。
我国重型机械行业规定，凡是需要在10MN以上锻造压机或50KN以上自由锻锤上锻造的锻件，都被称为大型锻件。
大型铸锻件就是连铸再锻。
1.1.2大型铸锻件的需求性
近年来,原子能发电、航天、造船、石油化学工业、冶金工业的设备继续向大型化方向发展,大锻件的比重以及与之相应的大钢锭的需求量增加了,大锻件及大钢锭的等级也相应提高了,例如,功率为1300MN的核电站,需要用到250t以上的锻件,相应的钢锭重量在500t以上。
随着锻件重量的增加,锻件的质量要求也相应提高,不但要有更高的机械性能,而且要有更好的冶金性能。
这就使得进一步提高锻件用的钢锭的冶金质量成为十分迫切的要求。
当前,世界各国主要采取的措施是将氢氮、氧的含量控制在最低水平,尽可能地降低磷、硫元素和残余元素的含量,促使非金属夹杂大大减少,保证钢水具有良好的纯净度。
1.1.3大型铸锻件的质量控制
大型锻件一般安装在本机的关键部件，其受力复杂，工况特殊，对质量的要求是非常严格的。
随着各国技术的进步，大型锻件的内在质量的发展提出了更高的要求。
此外，高层次的大型锻件，其成品的形状和大小，节约材料和能源的要求是非常的高的。
当前，评价大锻件的内在质量和使用性能主要从如下方面考虑：
组织结构的致密性、均匀性、纤维流向和晶粒分布的合理性，以及最少的内部缺陷。
高质量的大锻件主要表现在：
（1）组织结构致密性良好，如压实粉碎的铸态结构，微孔被焊接在一起，晶粒细化等。
一般通过合理的变形温度，良好的压缩应力，充分的锻造，合理的塑性流动的充分的压实，从而获得良好的紧凑锻件。
通常钢质纯净，锻造合理，锻造致密性好。
（2）均匀性，主要是指整个组织性能各处都一样，没有所谓的组织不均，性能不佳的“弱面”，“弱带”，因为在这里力量容易损害。
对于大尺寸，工艺过程复杂的大锻件，它的均匀性的要求尤为重要。
均匀度可以控制变形温度和应变分布改善，任何重大纯净，应变场和温度场的均匀性，锻件组织性能应该是统一的。
为了避免锻造终锻大局部变形。
锥形砧锻件可用于一些特殊的方式与一些特殊的措施来改善变形均匀，如“人字”形砧拔长，镦粗，镦粗和反复拉伸变形金属流涡乱，变形困难区减小，使内部均匀变形。
（3）内部缺陷少或没有严重的缺陷。
一般材质纯净，金属加工较少的缺陷，减少偏析，裂纹和孔隙度小，锻造良好的质量缺陷，如水平，从而增加炼钢和铸造大型锻件的水平提高的重要保证。
近年来，广泛应用炉外精炼，使钢质纯净度大幅增加，很多过去不能生产高合金钢锻件，现在能够创建成功。
此外，在白点的预防上，减少扩散氢热处理周期和减少严重缺陷，并取得了骄人的成绩。
但是，由于大锻件形体尺寸大，工艺复杂，内裂缺陷时有发生。
大锻件内部存在裂纹或类孔隙性缺陷，超声波探伤不合格是造成废品的重要原因。
综上所述大锻件的质量是一涉及面广、影响因素多的关键课题，需要全面综合治理才能确保高质量。
但是目前大锻件生产中沿用“锻造比”作为质量评价指标，是不科学的、不合理的，应该建立新的评价体系。
1.2大型铸锻件的生产工艺概述
1.2.1大型铸锻件的生产工艺流程
大锻件的生产工艺流程一般为：
冶炼?
铸锭?
加热?
锻造?
锻后热处理?
粗机械加工?
产品热处理?
超声波探伤?
精机械加工?
性能组织检查?
超声波探伤?
锻件尺寸检查?
合格出厂。
冶炼、铸锭、加热、锻造将是本文研究的重要本分，也是决定大锻件质量水平的关键环节之一，这些环节产生的某些缺陷，如非金属夹杂物、疏松、缩孔等，不可能通过后续工艺加以消除，甚至可导致锻件报废。
据统计，在锻件报废的诸多原因中，由铸锭和锻造引起的占到一半左右。
1.2.2铸造和锻造的概述
钢锭在凝固过程中,中心区不可避免地存在着缩孔和密集性疏松等缺陷。
随着钢锭吨位和截面积的增加,与金属结晶过程有关的缺陷,如非金属夹杂、偏析、琉松组织、缩孔等越明显。
因此为了完全消除钢锭内部缺陷、提高锻件质量,除了应配备足够能力的锻压设备处,还需要选择适当的锻造方法。
大型铸锻件的锻造工艺一般采用自由锻，这个环节有两个主要任务：
一是成形，锻造到模型的大致形状；二是改善锻件内部质量，来消除冶炼、铸锭环节所产生的缺陷，如破碎铸态组织、细化晶粒、均匀组织、锻合缩孔、疏松、气孔等缺陷。
锻造不当也会产生缺陷，如粗晶粒、晶粒不均匀、裂纹等。
1.3铜与铜合金的熔炼和铸造的过程
1.3.1铜和铜合金的分类
铜与铜合金按其化学成分可分为纯铜、青铜和白铜。
纯铜按其所含杂质数量，分为紫铜、无氧铜和脱氧铜。
铸造常用的为紫铜。
纯铜具有优良的导电和导热性能。
以铜为主要元素添加其他金属和非金属元素称为青铜，青铜又分为锡青铜和无锡青铜。
1.3.2铜与铜合金的特性
了解铜与铜合金的特性，对合理制定熔炼和铸造工艺，获得优良的铸件，减少废品损失，提高经济效益具有重要意义。
一般铜与铜合金的特性是易氧化性、吸气性、裂纹倾向性和偏析。
1.3.3纯铜的熔炼
1.3.3.1铜与铜合金的熔炼工艺要点
下面简要介绍纯铜的熔炼工艺。
纯铜铸件要求有高的导电和导热性能，微量的杂质能显著降低导电和导热性能，熔炼中吸气和氧化倾向大铸件易产生组织疏松和针孔。
（1）纯铜的熔炼要在氧化炉氛围下，快速熔炼，投入回炉料和电解铜并加木炭或米糠做覆盖剂。
严禁在升温时加焦炭。
（2）达到出炉温度（约1180℃左右）加入0.03%的锡以改善铸造性能，然后用0.3%~0.5%的磷铜（含磷10%）脱氧。
炉前进行含气检验，合格后立即浇注。
（3）最好提灌浇注。
如发现温度过高，应尽量冷却，再浇注。
1.3.3.2铜与铜合金的浇注温度
表1-1即为铜与铜合金的浇注温度
表1-1铜与铜合金的熔化和浇注温度
合金类型
熔化温度
浇注温度（厚度?
30mm）
浇注温度（厚度>30mm）
纯铜
1230-1280
1200-1230
1150-1200
锡青铜
1200-1250
1150-1200
1100-1180
铝青铜
1180-1250
1060-2250
1120-1200
铍青铜
1240-1300
1150-1200
1100-1150
锰青铜
1250-1300
1130-1170
1100-1140
硅青铜
1180-1220
1120-1150
1080-1120
铬青铜
1300-1350
1230-1260
1200-1230
普通黄铜
1120-1180
1060-1100
980-1040
特殊黄铜
1100-1150
1050-1080
980-1040
白铜
1350-1450
1260-1300
1200-1280
1.3.4铜与铜合金的铸造工艺
铜与铜合金铸造有砂型（湿型和干型）铸造、金属型铸造、离心铸造、连续铸造和熔模铸造。
这里只介绍常用的金属型铸造。
1.3.4.1铜与铜合金的金属型铸造
（1）浇注系统。
纯铜和磷青铜，高度较矮，壁厚大于50mm，水平开型的较大型铸件，采用上雨淋式浇注系统。
此时应避免合金液冲刷型壁和芯子，防止局部受热。
（2）金属型用涂料：
纯铜喷骨粉涂料；铝青铜和黄铜喷氧化锌涂料；磷青铜刷酒精松香；锡青铜棒料擦工业豆油或机油。
（3）金属型连续工作温度。
浇注完成后待浇口已凝固冒口开始下凹补缩即可开型取铸件，放在一旁继续缩补，这样可以提高效率，防止铸件过热。
纯铜和锡青铜控制在80~280℃以内。
如型温超过控制温度立即停止工作，利用风冷降温，切不可用水冷降温。
（4）铜合金金属型铸件主要缺陷及防止方法。
铜合金金属型铸件主要缺陷是尺寸超差、气孔和裂纹，其产生原因及防止方法见表1-2
表1-2铜合金金属型铸件主要缺陷产生原因及防止方法
缺陷种类
产生原因
防止方法
尺寸超差过大
金型设计错误；芯头定位间隙
修改设计；减小芯头间隙
气孔
排气道不畅；型温过高产生热呛；型温过低产生冷呛；芯子不干
疏通排气道；严格控制型温；芯子彻底烘干
裂纹
金型设计厚度不够；芯子过硬收缩受阻；浇注温度过高
增加金型厚度；增加芯子退让性，控制芯子的紧实度；降低浇注温度
冒锡
金型设计厚度较薄；浇注温度过高
增加金型厚度；适当降低浇注温度
第二章大铸锭的常见组织缺陷及其改善措施
2.1研究大铸锭组织缺陷的意义
钢铸生产过程中是一种多工序组合的较复杂的工艺过程，哪个环节连接处理不当，会影响最终的质量锭的质量。
很大的影响铸锭质量，往往是由于对不合格原料的质量，零件，结构或过程的计划是不合理，不恰当的生产经营，工厂管理不完善等原因，产生各种钢锭缺陷，甚至报废。
因此，铸锭缺陷的理解和识别，了解各种缺陷产生的原因，并采取有效措施，防止产生缺陷，为保证和提高铸锭质量，降低废品率起到了积极作用。
2.2大铸锭的常见组织缺陷
2.2.1常见组织缺陷的种类
铸件缺陷是导致铸件性能降低，使用寿命短，报废和失效的的重要原因。
消除或减少铸件缺陷是铸件质量控制的重要组成部分。
铸件缺陷种类繁多，形貌各异，为了统一其分类和名称，我国国家标准GB/T5611_1998《铸造术语》将铸件缺陷分为8大类100余种。
常见的几种有：
非金属夹杂、疏松、缩孔、气孔、裂纹、偏析、应力。
2.2.2非金属夹杂
2.2.2.1非金属夹杂的定义
混入铸锭中的熔渣或落入铸锭内的其他非金属夹杂称为非金属夹杂，俗称夹渣。
2.2.2.2非金属夹杂的组织特征
宏观组织特征为没有固定形状、黑色凹坑、非金属夹杂物常在球墨铸铁铸件上出现，如图2-1所示，一般分布在铸件的上表面，砂芯的下表面或铸件死角处，距铸件较近的多为一次非金属夹杂物，而下面的为二次非金属夹杂。
图2-1裂纹里的填充物（夹杂）
2.2.2.3非金属夹杂的形成机理
（1）浇注前未能将铁液中的熔渣除尽，熔渣随同铁液进入型腔；
（2）球墨铸铁一次夹渣形成原因同上，二次夹渣形成原因，在于铁液在运输、转包、浇注过程中不断翻滚、飞溅，使镁、稀土、硅、锰、铁等金属氧化物卷入铸件内部，并同铁液中的硫化物，游离石墨等一起上浮到铸件表面等。
2.2.2.4非金属夹杂的危害
非金属夹杂破坏了金属的连续性，是铸锭、板材等制品的裂纹源；板材中的夹杂还会引起分层；夹杂使制品的强度和伸长率降低；夹杂会破坏零件的气密度。
2.2.3疏松
2.2.3.1疏松的定义
熔体结晶时，由于基本树枝间液体金属补充不足或由于存在未排除的气体（主要是氢气），结晶后在枝晶内形成的微孔称为疏松。
一般将疏松分为收缩疏松和气体疏松两种。
2.2.3.2疏松的组织特征
疏松的宏观组织特征是，将铸锭试片车面或铣面，再经碱水溶液浸蚀后，用肉眼即可观察到式样表面上所存在的黑色针孔状疏松。
疏松断口的宏观特征是，断口组织粗糙、不致密，疏松严重时断口上有白色小亮点。
在微观组织中，疏松呈有棱角形的黑洞，疏松越严重，黑洞数量越多，尺寸也越大。
铸锭变形后，有的变成裂纹，有的仍然保持原貌。
不管试样浸蚀与否，疏松都能看见，不过还是浸蚀后容易观察。
2.2.3.3疏松的形成机理
收缩疏松产生的机理是，金属在铸造结晶时，从液态凝固成固态，体积收缩，在树枝晶枝杈间因液体金属补缩不足而形成空腔，这种空腔即为收缩疏松。
气体疏松产生的机理是，熔体中未除去的气体含量较高，气体被隐蔽在树枝晶枝杈间隙内，随着结晶的进行，树枝晶枝杈互相搭接形成骨架，枝杈间的气体和凝固时析出的气体无法逸出而集聚，结晶后这些气体占据的位置成为空腔，这些空腔就是由气体形成的气体疏松。
2.2.3.4疏松危害
疏松使铸锭密度减小，致密度减低，特别是降低高强铝合金的冲击韧性和横向伸长率。
有疏松的铸锭在热轧和铸造时会引起裂纹，其半成品在退火时会产生气泡。
2.2.4气孔
2.2.4.1气孔的定义
冶炼、铸锭过程中融入液态金属中的各种气体，随着温度下降，会因在金属中的溶解度显著降低而析出，未逸出的气体将以分子的形式残留在钢锭内部而形成气孔。
2.2.4.2气孔的组织特征
在铸锭试片上，气孔的宏观和微观特征都为圆孔状，如图2-2所示，在变形制品的纵向上有的被拉长变形，如图所示。
圆孔内表面光滑明亮，光滑的原因是结晶凝固时气泡内的压力很大，明亮的原因是气泡封闭在金属内，气泡内壁没被氧化。
与其他缺陷不同，铸锭或制品试片不浸蚀，也清晰可见气孔。
气孔在铸锭中分布没有规律，常常与疏松伴生。
图2-2铜材气孔组织的典型扫描电镜照片
2.2.4.3气孔形成机理和预防措施
气孔的形成机理和预防措施基本同于疏松。
2.2.5铸件的裂纹
2.2.5.1热裂的组织特征
铸件表面上可观察到的热裂，如图2-3所示，裂口的外形是曲折而不规律的。
由于产生热裂时金属的温度过高，裂口处的表面上呈氧化色；另一特征是裂口是沿晶界发展的。
以铸钢为代表的、以逐层凝固方式凝固的铸件，在铸件表面形成了坚硬的表层以后，如因应力作用，也可以形成不外露的裂纹，这种裂纹也称为“内裂纹”。
内热裂一般出现在铸件内部最后凝固的部位，有时出现在缩孔下面。
裂纹不规则，常常有许多分岔，这类裂纹只能借助于射线探伤或超声波才能发现。
图2-3样品表面的裂纹形态
2.2.5.2形成机理
（1）在合金方面
1）凡扩大有效结晶温度区间的元素都增加热裂倾向。
2）高温慢浇，增加热裂倾向。
这样会增加铸件温度梯度，增大内应力和热裂倾向。
3）提高合金的高强温度可减少热裂。
（2）在铸型方面
铸型和铸芯的溃散性好，铸件凝固收缩时受到的阻力小，形成热裂的可能性也小。
特别要重视铸型和型芯在铸件凝固即将结束的时刻，其溃散性如何。
一般来说，湿沙型比干沙型的溃散性好。
（3）在铸造工艺方面
1）浇冒口的位置设在拉应力集中的热节点上将促进热烈。
而应采用冷铁消除热节的影响。
2）浇注系统和冒口布局不合理，阻碍铸件收缩而引起热裂。
3）流经一个內浇道的金属液量过大，使内浇道附近金属和铸型温度而出现热裂。
应限制每个内浇道的金属液流入量，采用断面积小而数量多的内浇道，分散引入金属液可减少热裂倾向。
4）浇注温度和浇注的速度的影响没有明显的规律性，应以具体情况来断定。
对薄壁铸件，宜采用高温、快速浇注法，以达到同时凝固，减少内应力以防止热裂。
对厚壁铸件反为之。
（4）在铸件结构方面：
铸件结构设计不合理，容易引起热裂。
具体情况有：
1）薄壁悬殊。
2）薄厚过度突然。
3）壁与壁相交处，加转角、十字交接、多壁相交处等形成较大热节点。
4）圆角过小。
5）内壁过厚。
6）由于结构原因，铸件收缩严重受阻，在热节处易于形成裂纹。
2.2.6偏析
2.2.6.1偏析的定义
宏观偏析，又称长程偏析或区域偏析，是指较大尺寸范围内的化学成分不均匀，如图2-4和图2-5所示，主要是凝固时树枝晶溶质液体在固液两相区的流动产生的。
按性质不同可以分为：
正常偏析、逆偏析、V形偏析、逆V形偏析、带状偏析、密度偏析等。
宏观偏析的产生，使钢锭的力学性能和物理性能产生很大差异，要想消除宏观偏析是很困难的，只能尽量减少。
图2-4偏析区的金相组织（铁素体约占32%）
图2-5正常区的金相组织（铁素体约占13%）
2.2.6.2组织特征
逆偏析组织特征不能用金相显微镜观察，只能用化学分析方法确定。
2.2.6.3形成机理
传统解释认为，随着熔体凝固的进行，残余液体中溶质富集，由于凝固壳的收缩或残余液体中析出的气体压力，使溶质富集相穿过形成凝壳的树枝晶的枝干和分支间隙，向铸锭表面移动，使铸锭边部溶质高于铸锭中心的。
2.2.6.4危害
逆偏析使铸锭及其压力加工制品在力学性能和物理性能方面产生很大差异。
逆偏析严重的区域，可能造成化学成分超出标准，或造成力学性能不符合标准而报废。
2.2.7应力
2.2.7.1应力的定义
铸件在凝固及冷却过程中，由于线收缩及固态相变会引起体积的收缩或膨胀。
而这种变化往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由的进行，于是在产生变形的同时还产生应力，这种应力称为铸造应力。
2.2.7.2应力的形成机理
铸件在凝固和其后的冷却过程中，由于各部分冷却速度不同，造成同一时刻收缩量的不一致，导致内部彼此制约而产生的应力。
2.3大铸锻件的改善措施
2.3.1非金属夹杂的防止措施
保持炉料的清洁，将原、辅材料中的油污、泥土、灰尘和水分等彻底清除干净。
炉子、流槽、虹吸箱要处理干净；认真精炼扒渣，精炼温度在铸造温度的上限，保证静置时间，并在流盘内采用玻璃丝布过滤；尽可能缩短转注距离，建立良好的转注条件，封闭流槽、流盘、漏斗中的敞露落差，防止金属液面波动，尽可能采用同水平铸造；提高铸造温度，以增加金属流动性，使渣子上浮
2.3.2疏松的改善措施
缩小合金开始凝固温度与凝固终了温度差；精炼剂、熔铸工具要彻底干燥，精炼气体中水分含量应符合要求，精炼除气彻底；
（3）防止熔体过热和液体停留时间过长。
（4）加强对熔体的覆盖，尤其高含量镁合金，防止熔体吸收大量气体。
（5）提高铸造温度，降低铸造速度，适当增大水压，提高铸锭冷却强度。
（6）降低结晶器有效高度。
2.3.3防止热裂的措施
（1）提高合金的抗热裂能力方面：
选用抗热裂性能好的合金成分（凝固温度范围小、凝固收缩小）。
1）控制铸件结晶，使初晶细化。
2）减少金属中的有害杂质，从而提高抗裂能力。
（2）改进工艺方面
改进浇注系统：
用多內浇道分散浇注，内浇道位置不设在热节处；改用弯曲的横浇道减轻收缩阻力；厚壁件宜用低温、慢浇法。
（3）改进铸件结构设计方面
1）铸件断面不应过厚和有大的热节。
2）薄厚相接应逐渐过渡，避免突变。
3）壁与壁相交应有圆角
4）铸件内壁应薄于外壁。
5）注意减小收缩阻碍。
如将带轮、飞轮等的轮辐设计成弯曲形状。
2.3.4防止冷裂的措施
（1）铸件设计壁厚力求均匀，避免突然变化，拐角处做成圆角，厚实部位，放置冷铁，易产生拉应力集中处设防裂筋；
（2）浇冒口形状和位置不要阻碍铸件收缩；
（3）铁液中硫、磷含量应控制在规定范围内，消除脆性组织；
（4）铸件要及时进行时效处理，减少或消除残余应力等。
2.3.5减轻微观偏析的措施
（1）细化晶粒。
通过提高冷却速度，变质处理细化晶粒等方法，细化晶粒和晶内结构，缩小微观偏析的范围。
（2）提高结晶过程中溶质原子在熔体中的扩散速度。
（3）降低和控制结晶速度。
通过降低冷却速度减轻偏析程度。
（4）对铸锭长时间均匀化处理，也可减轻或消除晶内偏析。
2.3.6预防宏观偏析的措施
逆偏析程度取决于过渡带的形状和尺寸，因此可以通过控制过渡带的形状和尺寸，把元素的偏析程度控制在允许的范围内，具体方法有：
（1）增大冷却强度，或采用低液位铸造，使结晶前沿变得平缓，
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