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冶金因素對大鍛件質量的影響有哪些?
來源: | 作者:13963813331 | 發布時間: 2019-12-03 | 360 次瀏覽 | 分享到:
在制造業, 除了在其生產過程中不經熱變形加工而直接在鑄態使用的鑄鐵件、鑄鋼件以外,任何機械零件,不論其尺寸大小,在熱處理以前的制造工序均為煉鋼、澆注(鑄錠)和熱變形加工(鍛、擠、軋等)。對大鍛件來說,所謂冶金因素的影響,就是指冶煉、鑄錠和鍛造等工序中所產生的缺陷,如偏析、非金屬夾雜、未鍛合的疏松、鍛造內裂等,對它的質量的影響。
  在制造業, 除了在其生產過程中不經熱變形加工而直接在鑄態使用的鑄鐵件、鑄鋼件以外,任何機械零件,不論其尺寸大小,在熱處理以前的制造工序均為煉鋼、澆注(鑄錠)和熱變形加工(鍛、擠、軋等)。對大鍛件來說,所謂冶金因素的影響,就是指冶煉、鑄錠和鍛造等工序中所產生的缺陷,如偏析、非金屬夾雜、未鍛合的疏松、鍛造內裂等,對它的質量的影響。
模具鋼  
  冶金因素對大鍛件質量的影響主要表現為:上述缺陷無法通過熱處理加以消除,使大鍛件熱處理后難以達到力學性能要求,更為嚴重的是,這些缺陷在淬火過程中可能擴展甚至導致鍛件淬火開裂。由此可見,熱處理工作者應了解冶金因素對大鍛件質量影響的實質,在制訂熱處理工藝、分析大鍛件熱處理質量問題時充分考慮到冶金因素的不良影響。
  
  冶煉出優質鋼液是保證大鍛件質量的首要環節。所謂優質鋼液,除了化學成分符合要求外,主要是鋼液的純凈度要高,即盡可能降低硫、磷等有害元素的含量,盡量減少非金屬夾雜物以及氣體特別是氫的含量。在實際生產中,應根據大鍛件的股役條件、性能要求等情況,選用先進的真空冶煉、真空脫氣、鋼包精煉、自耗電極重熔、真空澆注、電渣重熔法煉鋼等(具體的冶煉工藝不予贅述),但不論采用何種冶煉方法,都必須盡可能提高鋼液的純凈度,特別是減少對鍛件質量影響顯著的非金屬夾雜物和氣體的含量。對重要的大鍛件還要求在降低氧含量的基礎上,降低Si和Mn的含量。
  
  鋼中的非金屬夾雜物
  
 ?。?)非金屬夾雜物及其特征
  
  非金屬夾雜物通常是指存在于鋼鐵等金屬材料中的非金屬化合物。對于鋼來說,是指冶煉和鑄錠過程中混入鋼液中的耐火材料氧化物、爐渣以及脫氧、脫硫等化學反應產物,后者是鋼中夾雜物的主要來源。
  
  非金屬夾雜物按尺寸大致可分為:
  
  1)宏觀夾雜物,肉眼可見,尺寸1mm以上,如夾渣等??赏ㄟ^超聲波探傷法進行檢測。
  
  2)顯微夾雜物,尺寸為1~10-4mm,可采用金相法檢測和評級。
  
  3)超顯夾雜物,尺寸小于10-4mm,難以用光學顯微鏡檢測。
  
  鋼錠經過鍛壓等熱變形加工后,夾雜物也會發生變形,根據其變形特征,可將夾雜物分為3類:
  
  1)鍛、軋等加工后產生塑性變形的,比如硫化物和多烽硅酸鹽等,在延伸方向呈長條狀存在于鋼中。
  
  2)鍛、軋等加工后呈不連續粒狀分布的,主要為氧化物。
  
  3)在鍛、軋加工中不變形的,大部分為氯化物、氮化物等,呈不規則的點狀分布。
  
 ?。?)鋼中非金屬夾雜物的危害
  
  1)夾雜物在熱處理過程中不能被消除,在鍛件加熱和冷卻時,由于夾雜物和基體金屬的熱膨脹特性不同,二者之間會產生很大的熱應力,有人計算可達754~1215MPa。這種熱應力的大小還與夾雜物的種類、大小和形狀有關,其中氧化鋁夾雜物產生的熱應力最大。顯然,這種熱應力將會對大鍛件的熱處理工藝性能以及產品的使用性能產生負面影響,甚至使鍛件淬火開裂。對于大鍛件,由于氫向夾雜物的空隙處擴散以及熱應力的作用,還可能導致白點的產生。
  
  2)非金屬夾雜物在熱處理過程中會發生結晶化和從過飽和固溶體中析出等相變,如某些硅酸鹽由非穩定相轉變成穩定相等。夾雜物的這種變化必將危害大鍛件的熱處理工藝性能。
  
  3)非金屬夾雜物破壞了基體金屬的連續性,相當于存在于鍛件中的空穴和裂紋,在熱處理特別是淬火過程中,將在鄰近于夾雜物的基體金屬中和夾雜物本身產生應力集中,以致形成顯微裂紋,加之如上所述的由于基體金屬與夾雜物熱膨脹性能不同而形成的熱應力,不僅惡化了鍛件的力學性能,嚴重時將使鍛件淬火開裂。
  
  夾雜物對鍛件的力學性能的影響的大小與夾雜物種類、大小、形狀和分布、物理性質及鋼種等因素有關,其影響規律大致為:
  
  1)在靜拉伸試驗中,夾雜物對縱、橫向試樣的抗拉強度和屈服強度的影響很小,但明顯降低塑性特別是橫向試樣的斷面收縮率。
  
  2)夾雜物對缺口試樣的沖擊值影響較大,其規律與對斷面收縮率的影響相似。那些容易延伸的細長夾雜物如MsS和錳硅酸鹽等的影響更大。
  
  3)夾雜物對疲勞性能的影響很大,通常是隨著夾雜物數量增加和尺寸增大,鋼的疲勞強度尤其是橫向試樣的疲勞強度也隨之下降。夾雜物的平均直徑越大,鋼的疲勞強度越低。
  
  另外,在一些機械零件的斷裂等失效事例中發現,非金屬夾雜物往往是零件失效的破壞源,如軋輥的剝落失效等。因此,提高冶煉質量,即提高鋼的純凈度,減少夾雜物尤其是大尺寸夾雜物,對大鍛件顯得特別重要。
  
  鋼中的氣體
  
  在煉鋼過程中,會有氫、氧、氮等氣體溶入到鋼液中,導致成品鋼中殘留一定數量的氣體。
  
  在固態鋼中,氫以質子狀態溶解和存在于鋼中,也可能以分子狀態或氫化物形式存在。氮以及原子狀態溶入鋼液,在固態鋼中主要以氮化物形式存在。氧在液態鋼中主要以FeO形式存在,也可能以原子或陰離子形式存在;而在固態鋼中則以氧化物形式存在。
  
 ?。?)鋼液中氣體的來源
  
  1)由爐料(廢鋼、生鐵、鐵合金及造渣材料等)帶入。爐料中固有的氣體以及水分分解及鐵銹等雜質熱分解,將使大量的氫、氧和氮溶入鋼中,鐵合金和合金添加劑(鎳、鋁等)帶入鋼中的氫最多。
  
  2)由爐氣帶入。爐氣中的H2O、H2、N2、O2、CO2等經過爐渣或直接溶入鋼液中。
  
  3)由鋼包、鋼錠模及保溫帽的耐火材料帶入。
  
  4)由鋼液周圍的氣體溶入。
  
 ?。?)氣體對大鍛件質量的影響
  
  殘存于鋼錠和鍛件中的氧和氮在鋼中主要以氧化物和氮化物,即非金屬夾雜物的形式存在,所以它們對鍛件性能的影響就是上述夾雜物的影響。而氫則是鋼中危害最大的氣體,殘留于鍛件中的氫是形成白點的主要原因,而且還使鋼產生氫脆。由此可見,應從冶煉工藝著手,盡量減少鋼錠和鍛件中氣體的含量。
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