在锻造生产过程中,锻造件表面裂纹是较为常见且棘手的问题,严重影响着产品质量与生产效率。深入了解其成因并找到有效解决方案,对技术人员而言至关重要。

成因一:原材料缺陷

部分原材料内部存在诸如残余缩孔、疏松、夹杂物等冶金缺陷。钢锭在凝固时,若结晶温度范围窄、线收缩系数大,冷凝补缩不足,易在轴心形成晶间裂纹,这些潜在裂纹在锻造时会进一步扩展。钢中的硫以FeS形式沿晶界析出,其熔点仅982℃,在1200℃锻造温度下,晶界FeS熔化呈液态薄膜包围晶粒,破坏晶粒间结合,产生热脆,轻微锻击便可能开裂。钢中含铜量过高,在特定温度与气氛下加热,表层形成富铜区,当铜以液态薄膜分布于晶界,会导致铜脆,使锻造无法正常进行。

解决方案:提升冶炼钢水纯净度,减少杂质与夹杂物;铸锭时缓慢冷却,降低热应力;采用优质发热剂与保温帽,增强补缩能力;运用中心压实锻造工艺,改善钢锭内部质量。对原材料进行严格检验,通过探伤等手段筛选出缺陷超标的材料,避免投入生产。

成因二:锻造温度不当

锻造温度是影响锻件质量的关键因素。若始锻温度过高,奥氏体晶粒会迅速长大,氧化性气体易渗入晶界,形成易熔共晶氧化物,导致过热、过烧,还会使脱碳现象加剧,坯料表面可能产生网状裂纹。终锻温度过低则会使材料塑性下降,变形抗力增大,锻造过程中易产生裂纹。例如高Cr转子,始锻温度超1250℃会析出硬而脆的δ铁素体,终锻温度低于850℃,大量片层状Cr析出,显著降低塑性,引发开裂。加热制度不合理同样会带来问题,冷钢锭直接快速升温或低温段保温时间不足,坯料内外温差大,产生的温度应力易使表面出现微裂纹甚至直接开裂。钢锭内部本身存在残余应力,加热过程中与温度应力、组织应力相互作用,增加了裂纹产生的风险。

解决方案:精准控制始锻温度,使其处于能让晶界碳化物溶解的奥氏体单相区,且低于形成δ铁素体的温度,保证材料良好塑性。合理设定终锻温度,略高于第二相质点溶入固溶体的温度和再结晶温度。对于锻造时间长、钢锭温度下降明显的火次,可在锻造前适当预热。依据钢锭或锻件表面温度,合理设置加热速度,在低温区充分保温,消除温度应力,确保心部与表层温度均匀。

成因三:变形量和变形方式问题

不同材料在各异的锻造温度下,出现裂纹的临界变形量有所不同。当变形量超出材料的临界变形量时,裂纹便会出现。在最佳锻造温度下,材料的临界变形量相对较大,而随着锻造温度降低,临界变形量减小。对于大变形火次,锻造后期锻件表面温降快,塑性变差,若继续进行大变形量锻造,极易出现裂纹。以高Cr材料为例,其锻造温度区间窄、变形抗力大、锻造时间长,随着温度降低,临界变形量降低,高温变形时位错增殖缠结,在薄弱处产生应力集中,进而引发裂纹。转子锻件常用的拔长压实方式有KD、WHF、FM法。KD法使用上、下V砧,轴向变形大,侧面鼓肚处易拉裂;WHF法用上、下平砧,横向变形大,轴向变形相对较小,不易拉裂;FM法上平砧、下平台,属于非对称变形,上砧压下量大易产生折伤,翻转90°后,折伤部位在轴向拉延时容易开裂。

解决方案:在锻造前,通过试验或参考相关资料,明确材料在不同温度下的临界变形量,合理规划锻造工艺,控制变形量。对于大变形火次,密切关注锻件温度,在温度降低、塑性变差时,及时调整变形量,避免过度锻造。依据锻件的形状、尺寸及材料特性,合理选择变形方式。例如,对于易在侧面鼓肚处拉裂的锻件,优先选用WHF法;对形状复杂、对变形均匀性要求高的锻件,综合考虑各种变形方式的优缺点,必要时可采用多种方式结合的方法。

成因四:模具问题

模具的表面质量对锻造件表面状态影响显著。若模具表面粗糙、有磨损痕迹或存在加工缺陷,在锻造过程中,锻件与模具表面接触时,金属流动会受到阻碍,导致局部应力集中,进而产生裂纹。模具的脱模斜度设计不合理,会使锻件脱模困难,脱模时需施加较大外力,这容易造成锻件表面拉伤甚至开裂。此外,模具的结构强度不足,在锻造过程中承受高压时发生变形,也会使锻件受力不均,引发表面裂纹。

解决方案:定期对模具进行维护和保养,采用打磨、抛光等工艺,确保模具表面光滑,减少表面缺陷。在模具设计阶段,根据锻件的形状和尺寸,精确计算并设计合理的脱模斜度,保证锻件能够顺利脱模。提高模具的制造精度,严格控制模具的加工质量,避免出现尺寸偏差和结构缺陷。选用高强度、高耐磨性的模具材料,并对模具进行适当的热处理,增强模具的结构强度和耐用性。

成因五:锻后处理不当

锻件锻造完成后,若冷却速度过快,尤其是对于一些对冷却速度敏感的材料,会在锻件内部产生较大的热应力和组织应力,当这些应力超过材料的强度极限时,就会导致表面裂纹的产生。锻后未及时进行适当的热处理,锻件内部的残余应力无法得到有效消除,在后续的加工或使用过程中,残余应力释放也可能引发裂纹。例如,一些合金钢锻件在锻造后若不及时回火,内部组织不稳定,容易产生裂纹。

解决方案:根据锻件的材料成分和尺寸,制定合理的冷却工艺。对于大型锻件或对冷却速度敏感的材料,可采用缓冷方式,如在砂中冷却、在炉中随炉冷却等,减小热应力和组织应力。锻造完成后,按照工艺要求及时对锻件进行热处理,如退火、正火、回火等,消除残余应力,改善锻件的组织和性能。加强对锻后处理过程的监控,确保冷却和热处理工艺的严格执行,避免因操作不当导致裂纹产生。

锻造件表面裂纹的产生是多种因素综合作用的结果。技术人员在生产过程中,需从原材料选择、锻造工艺制定、模具设计与维护、锻后处理等各个环节严格把控,才能有效减少裂纹的出现,提高锻造件的质量与生产效率。