锻造工艺对钢中组织偏析的改善
锻造工艺对钢中组织偏析的改善
锻件热处理后金属显微组织( 金相组织) 的优劣直接影响着锻件力学性能指标的好坏，而力学性能指标的好坏又直接决定着锻件的使用寿命。因此，金相组织分析常常被列为锻件技术要求中的重要检测项目之一和零件早期失效分析的重要手段之一［1］。
目前已发展起来的锻件产品种类繁多，单件重量也可从1kg 左右到几十吨不等。锻件组织是否均匀［2］ ( 即是否有组织偏析问题) 是评价锻件质量的重要指标之一。在金相组织上，又以某些大中型合金钢锻件热处理后出现不同程度的组织偏析问题较为典型( 大中型件的尺寸大小应因不同产品、不同材料而异，如船用柴油机连杆，单件重量在40 kg以上的就有可能出现组织偏析问题) ，该问题一度困扰着很多锻造企业，成为锻造企业生产大中型合金钢锻件和拓展其业务的一个较大瓶颈。
偏析是指化学成分的不均匀性。合金由于在凝固过程中有溶质的再分布，并且凝固过程往往未能扩散均匀，使凝固后相的成分不均匀，偏析便由此产生。因此原材料(钢锭或型材) 在不同程度上均存在偏析，这是由合金结晶的特点决定的［3］。
偏析分为宏观偏析和微观偏析［3］。宏观偏析是经浸蚀后由肉眼或低倍放大可见的偏析，它包括正常偏析、反偏析和比重偏析; 而微观偏析是经浸蚀后在显微镜下才能检视到的偏析，它包括胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。
偏析的存在会造成以下不良影响: (1) 严重的碳化物偏析容易引起锻件过热、过烧或开裂［4］;(2) 使热处理后工件各部分的组织转变类型和组织转变先后不一致，导致工件应力分布不均匀，最终增加热处理变形和淬火开裂的风险［5－6］; (3) 因偏析使工件热处理后各部分的组织不同，而使工件各部分的力学性能不一致，最后将导致工件在使用过程中从力学性能差的部位出现早期失效。
目前，国内很多钢厂和用户对锻件组织偏析的认识还不足，供需双方在签订原材料订货技术协议时，很多时候用户对偏析并不做特别的要求，即使有要求，也仅仅是参照有关标准规定宏观层面的偏析级别，如: 锭型偏析、一般点状偏析、边缘点状偏析［7］。虽然在原材料和锻件中还可能存在微观偏析，但关于微观偏析的详细介绍及其评级标准很少有文献提及，用户也因此很少提出对锻件热处理后的微观偏析量化指标，在实际生产应用中供需双方对金相组织中的偏析程度多是定性描述，而无定量指标。
既然偏析是指化学成分的不均匀性，那么解决偏析问题自然就成了解决化学成分的均匀性问题。若要解决化学成分的均匀性就必然涉及钢中偏析原子的扩散( 移动) ，而影响原子扩散系数的因素很多，其中温度是最主要因素，温度越高，原子的扩散系数越大［8］，原子越容易扩散。 3. 1 高温扩散退火解决偏析的局限性 若只考虑温度因素对原子扩散的影响，则可采用均匀化退火［4］，即扩散退火来解决偏析问题。但实践证明，扩散退火解决偏析有一定的局限性［5］，主要为以下原因: (1) 扩散退火只对偏析不太严重的微观偏析和由在扩散退火温度下扩散系数较大的元素引起的偏析有一定的效果，对宏观偏析(要使化学成分均匀化，原子需要做较长距离的移动) 、较严重的微观偏析和由在扩散退火温度下扩散系数较小的元素引起的偏析无能为力; (2) 由于扩散退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再补充进行细化晶粒、消除过热缺陷的热处理［4］; (3) 扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高［4］。 3. 2 通过锻造解决偏析的有效性 鉴于热处理扩散退火改善偏析的局限性，又考虑到锻造的专业特点，可通过锻造过程［4－6］来改善锻件的组织偏析，以下为改善锻件组织偏析的锻造工艺过程。 3. 2. 1 试验用的锻件 为了验证锻造工序改善锻件组织偏析的有效性，本文用经常出现组织偏析的某42CrMo的船用柴油机连杆和某17CrNiMo6的输入齿轮轴作为典型锻件来进行试验。锻件的形状及金相组织的取样位置如图1所示。 3. 2. 2 锻造工艺的优化方案 (1) 将锻造加热温度在锻造手册推荐温度的基础上提高。实际采用的加热温度可根据偏析的程度和不同的材料特性来确定，偏析越严重，则加热温度应越高，但必须保证提高温度不会导致坯料过烧和严重的过热( 实践证明，轻微的过热组织可在后续的锻压和热处理过程中消除或改善) 。提高加热温度是基于温度是影响扩散系数的最主要因素的原理，温度越高，原子的振动能越大，因此借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大［8］; 此外，温度升高，金属内部的空位浓度提高，这也有利于扩散［4］。此次试验用连杆加热温度为1250℃，输入齿轮轴为1280℃。 (2) 加大锻造的镦拔次数和镦拔比。锻造的作用，除了得到要求的形状外，另一个不容忽视的作用是改善铸锭的组织，其中就包括改善原材料的偏析，使成分均匀化［4］。高温下的锻造对原子扩散起了一个很好的催化剂作用，它通过锻造的压力作用强制原子进行移动，使在非压力下不易移动的原子在压力和高温的双重作用下能够移动，因此可使偏析部分清除。具体的镦拔次数和镦拔比，可根据原材料的偏析程度和零件的技术要求而定，偏析越严重或零件的技术要求越高，越要增加镦拔次数和镦拔比，实践证明，单向镦粗、单向拔长和少次数、小比例镦拔只适用于原材料偏析程度不大或偏析程度级别已接近零件的要求时。此次试验用的锻件( 连杆在自由锻放坯) 由以前的直接拔长成形改为三镦三拔后再成形。 (3) 在锻造加热温度下保温足够时间，以保证工件透烧。坯料的截面越大、加热炉的装炉量越大或材料的传热速度越慢，则保温时间越长。以往生产一线为了提高产量，工件一到保温温度便开始锻造的做法，使得工件温度表里不一、因心部温度偏低导致锻造时不易锻透，而使有偏析的坯料未得到充分形变的部位的金相组织达不到要求。此次试验用连杆的保温时间为2h，输入齿轮轴为2.5h。 3. 2. 3 试验结果 通过对比新旧锻造工艺的锻件金相组织变化(图2和图3) ，可以明显看出，优化后的锻造工艺已明显改善了锻件的组织偏析。 通过采用合理的锻造工艺来改善42CrMo、17CrNiMo6 钢中的组织偏析是有效的，该工艺方式同样适用于其他的很多材料，只是因材料特性、工件的外形差异和偏析程度的不同，造成所达到的效果可能有所不同。若想通过锻造工序来改善原材料所造成的组织偏析，必须使锻造的三个重要环节，即加热温度、保温时间、锻造比( 即高温、透烧、强压) 同时满足要求，才能达到一定的效果。 ［1 ］ 杨小垒，邓德伟，陈伟，等． 25Cr2Ni3Mo 叶轮开裂失效分析［J］． 锻压技术，2011，36 ( 6) : 4 － 6． ［2 ］ 霍中雪，高锦张，贾俐俐． 轴类零件冷镦成形的预成形工步设计及优化［J］． 锻压技术，2012，37 ( 4) : 22 － 29． ［3 ］ 蔡珣． 材料科学与工程基础［M］． 上海: 上海交通大学出版社，2010． ［4 ］ 中国机械工程学会锻压学会． 锻压手册［M］． 3 版． 北京:机械工业出版社，2002． ［5］ 毛萍莉． 材料成形技术［M］． 北京: 机械工业出版社，2007． ［6］ 袁江顺，刘全锋． 工程材料及热加工［M］． 武汉: 华中科技大学出版社，2006． ［7 ］ GB /T 3077—1999，合金结构钢［S］.GB /T 3077—1999，Alloy structural steel ［S］． ［8 ］ 崔忠圻，覃耀春． 金属学与热处理［M］． 北京: 机械工业出版社，2007．
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