一-、锻造过程质量控制教学内容

一、锻造过程质量控制

1,锻造

?什么叫做锻造：

□在加压设备及工（模具）的作用下，使坯料产生局部或全部的塑性变形，以获得一定的几何形状，形状和质量的锻件的加工方法称为锻造 .

?锻造的分类：

□自由锻造只用简单的通用性工具，或在锻造设备上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件.

模锻

利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法 .

□自由锻造的方法

镦粗：使毛坯高度减小，横断面积增大的锻造工序 .

局部镦粗：在坯料上某一部分进行的镦粗 .

镦粗的过程控制 :

1.为了防止镦粗时产生纵向弯曲,圆柱体坯料的高度与直径之比不应超过

2.5-3, 且镦粗前坯料端面应平整 ,并与轴心

线垂直 . 镦粗时要把坯料围绕着轴心线不断转动坯料发生弯曲时必须立即矫正。

芯棒拔长：

它是在空心毛坯中加芯棒进行拔长以减小空心处径（壁厚）而增加其长度的锻造工序，用于锻造长筒类锻件芯棒拔长的过程控制 :

1.芯棒拔长都应以六角形为主要变形阶段

即圆T六角T圆，芯棒拔长应尽可能在 V

型下砧或 110°下槽中进行 .

2.翻转角度要准确，打击量在均匀，发现有壁厚不均匀及两端面过度歪斜现象，应及时把芯棒抽出，用矫正镦粗法矫正

毛坯 .

3?芯棒加工应有1/100?2/100日锥度.

拔长：使毛坯横断面积减小，长度增加的

锻造工序?

拔长锻造工艺参数的选择就是要在保证质量的前提下提高效率

1. 每次锤击的压下量应小于坯料塑性所允许的数值，并避免产生折叠，因此每次压缩后的锻件宽度与高度之

比应小于2~2.5, b/h v 2~2.5，否则翻转90°再锻造时容易产生弯曲和折叠。

2?每次送进量与单次压下量之比应大于1~1.5，即L/ △ h/2 > 1~1.5生产中一般采用 L=（0.6~0.8） h （h为坯料高度）。如图

送进*

3.

为保证得到平滑的表面质量，每次送进量应小于（ 0.75~0.8） B （B 为砧宽）要避免在锻件的同一变形位置反复

锤击。

4. 方形坯料的对角线倒棱形锤击时

，应打击得轻一些可加大送进量（和砧宽相等）减小压下量。避免中心部

位产生裂纹。 5. 防止端部产生内凹和夹层，拔长坯料端部时，坯料端部应留出足够的长度或锻成圆鼓形。如图

园形断面 方形断面当B/H >1.5时，

A > 0.4B

当 B/H < 1.5 时，A > 0.5B

6. 为了提高生产率和保证锻件质量，拨长过程应以方形断面为主，如果坯料原始截面为圆形，最终断面也 是圆形，应按圆形T 方

形T 八角形T 圆形的顺序进行拨长，并以方形拨长为主要变形阶段。也可采用型 砧拨长，生产效率更高?

7. 上下砧的边缘应作出适当圆角，防止表面夹层

8. 对长坯料应从中间向面端拨长，可将疏松和偏折区挤到顶部去。短坯料可从一端开始拨长，向前推进

9?为保证锻件质量，避免出现折纹，每次送进后的打击压下量不能太大 ，应使单边压下量△ H/2小于送进量L 即2L/ △

A>0 . 3D

H > 1 如图》》

孔或不透孔的锻造工

序。

冲孔要求：

1?实心冲子冲孔，冲孔坯料尺寸应符合以下条件，以避免冲孔发生

走样”裂纹和孔冲偏等质量问题。如图所示:

当Do/di > 5时,可取Ho=H

当 Do / di v 5 时,应取 Ho= (1.1-1.2) H 3?冲子必须放正，打击方向应和冲头端面垂直

4?在冲子的冲孔内应撒上煤末或木炭粉，以便取出冲头

5?在冲孔过程中要不断地移动冲头并且让坯料绕轴心线传动，以避免孔位置偏斜

6?冲头要经常在水中冷却 ?

扩孔：减小空心毛坯壁厚而增加其内、外径

冲头扩孔: 的锻造工序。

是利用冲头锥面引起的径向分力

而进行扩孔的一种方法。

冲头扩孔应注意以下几方面 ---

1 —— a

I

冲孔：在坯料上冲出透

1?冲头扩孔时，由于坯料切向受拉应力，容 易胀裂，每次扩孔量不宜太大。

匚目一扩孑L 冲子 ”■厂坯料

垫环

如图:

2?冲孔扩孔时坯料的高度尺寸：

H 仁1.05H （H1为扩孔前坯料 H 为扩孔后高度）. 3?为防止内孔胀裂，每次扩孔量不宜太大每次冲孔后允许扩孔

1~2次一般取20~40mm 当需要多次扩孔时应中间 加热，每次加热一次允许扩孔 2~3次? 4?马架扩孔时，芯轴应随孔径的扩大而逐步更换，芯轴直径应尽量可能选大

二、锻件缺陷分类

为了保证质量，对于金属锻件，必须进行质量检验。对检验出有缺陷的锻件，根据使用要求（检验标准） 和缺陷的程度，确

定其合格、报废或经过修补后使用。

锻件缺陷分类的方法很多，下面介绍比较实用的两种分类方法：

1，锻件缺陷表现形式分类

锻件的缺陷如按其表现形状来区分，可分为外部的、内部的、和性能的三种。

外部缺陷如几何尺寸和形状不符合要求，表面裂纹，折迭、缺肉、错差、模锻不足、表面麻坑、表面气 泡和桔皮状表面。这

类缺陷显露在锻件的外表面上，比较容易发现或观察到。

内部缺陷又可以细分为低倍缺陷和显微缺陷两类。前者如内裂、缩孔、疏松、白点、锻造流纹紊乱、偏 析、粗晶、石状断

口、异金属夹杂等；后者如脱碳、增碳、带状组织、铸造组织残留和碳化物偏析不符 合要求等，内部缺陷存在于锻件的内

部，原因复杂，不易辨认，常常给生产造成较大的困难。

反映在性能方面的缺陷，如温室强度、塑性、韧性或疲劳性能等不符合；或者高温瞬时强度，持久强度、 持久塑性、蠕变强

度不符合要求等。性能方面的缺陷，只有在进行了性能试验之后，才能确切知道。 值得注意的是，外部、内部和性能方面的

缺陷这三者之间，常常有不可分割的联系。例如，过热和过烧 表现于外部为裂纹的形式；表现于内部则为晶粒粗大或脱碳，

表现的性能方面则为塑性和韧性和降低。 因此，为了准确确定锻件缺陷的原因，除了必须辨明它们的形态和特征之外，还应

注意拭出它们之间的 内在联系。

按生产缺陷的工序或过程分类

锻件缺陷按其产生于那个过程来区分，可分为：原材料生产过程产生的缺陷、锻造过程产生的缺陷和热 处理过程产生的缺

陷。按照锻造过程中各工序的顺序，还可将锻造过程中产生的缺陷，细分为以下几类: 由下料产生的缺陷；由加热产生的缺

陷；由锻造产生的缺陷；由冷却产生的缺陷和由清理产生缺陷等。 不同的工序可以产生形式的缺陷，但是，同一种形式的缺

陷也可以来自不同的工序。由于产生锻件缺陷 的原因往往与原材料生产过程和锻造热处理过程有关。

三、引发锻件缺陷的主要原因造

一、原材料的主要缺陷及其引起的锻件缺陷 锻造用的原材料为铸锭、轧材、挤材及锻坯。而轧材、挤材及锻坯分别是铸锭经轧制、挤压及锻造加工成的半成 品。一般情况下，铸锭的内部缺陷或表面缺陷的出现有时是不可避免的。例如，内部的成分与组织偏析等。原材 料存在的各种缺陷，不仅会影响锻件的成形，而且将影响锻件的最终质量。

由于原材料的缺陷造成的锻件缺陷通常有

1. 表面裂纹 表面裂纹多发生在轧制棒材和锻制棒材上，一般呈直线形状，和轧制或锻造的主变形方向一致。造成这种缺陷的 原因很多，例如钢锭内的皮下气泡在轧制时一面沿变形方向伸长，一面暴露到表面上和向内部深处发展。又如在 轧制时， 坯料的表面如被划伤， 冷却时将造成应力集中， 从而可能沿划痕开裂等等。 这种裂纹若在锻造前不去掉， 锻造时便可能扩展引起锻件裂纹。

▽

2.折叠折叠形成的原因是当金属坯料在轧制过程中，由于轧辊上的型槽定径不正确，或因型槽磨损面产生的毛刺在轧制时被卷入，

形成和材料表面成一定倾角的折缝。对钢材，折缝内有氧化铁夹杂，四周有脱碳。折叠若在锻造前不去掉，可能引起锻件折叠或开

裂。

3.结疤结疤是在轧材表面局部区域的一层可剥落的薄膜。

结疤的形成是由于浇铸时钢液飞溅而凝结在钢锭表面，轧制时被压成薄膜，贴附在轧材的表面，即为结疤。锻后锻件经酸洗清理，薄

膜将会剥落而成为锻件表面缺陷。

4.层状断口层状断口的特征是其断口或断面与折断了的石板、树皮很相似。

层状断口多发生在合金钢（铬镍钢、铬镍钨钢等），碳钢中也有发现。这种缺陷的产生是由于钢中存在的非金属夹杂物、枝晶偏析以及气孔疏松等缺陷，在锻、轧过程中沿轧制方向被拉长，使钢材呈片层状。如果杂质过多，锻造就有分层破裂的危险。层状断口越严重，钢的塑性、韧性越差，尤其是横向力学性能很低，所以钢材如具有明显的层片状缺陷是不合格的。

5.亮线（亮区）亮线是在纵向断口上呈现结晶发亮的有反射能力的细条线，多数贯穿整个断口，大多数产生在轴心部分。亮线主要

是由于合金偏析造成的。

轻微的亮线对力学性能影响不大，严重的亮线将明显降低材料的塑性和韧性。

6.非金属夹杂非金属夹杂物主要是熔炼或浇铸的钢水冷却过程中由于成分之间或金属与炉气、容器之间的化学反应形成的。另外，

在金属熔炼和浇铸时，由于耐火材料落入钢液中，也能形成夹杂物，这种夹杂物统称夹渣。在锻件的横断面上，非金属夹杂可以呈点状、片状、链状或团块状分布。严重的夹杂物容易引起锻件开裂或降低材料的使用性能。

7.碳化物偏析碳化物偏析经常在含碳高的合金钢中出现。其特征是在局部区域有较多的碳化物聚集。它主要是钢中的莱氏体共晶碳

化物和二次网状碳化物，在开坯和轧制时未被打碎和均匀分布造成的。碳化物偏析将降低钢的锻造变形性能，易引起锻件开裂。锻

件热处理淬火时容易局部过热、过烧和淬裂。制成的刀具使用时刃口易崩裂。

加热工艺不当常产生的缺陷

1.脱碳脱碳是指金属在高温下表层的碳被氧化，使得表层的含碳量较内部有明显降低的现象。

脱碳层的深度与钢的成分、炉气的成分、温度和在此温度下的保温时间有关。采用氧化性气氛加热易发生脱碳，高碳钢易脱碳，含硅量多的钢也易脱碳。

脱碳使零件的强度和疲劳性能下降，磨损抗力减弱。

2.增碳

经油炉加热的锻件，常常在表面或部分表面发生增碳现象。有时增碳层厚度达1.5?1.6mm，增碳层的含碳量达1%

（质量分数）左右，局部点含碳量甚至超过2％（质量分数），出现莱氏体组织。

这主要是在油炉加热的情况下，当坯料的位置靠近油炉喷嘴或者就在两个喷嘴交叉喷射燃油的区域内时，由于油和空气混合得不太好，因而燃烧不完全，结果在坯料的表面形成还原性的渗碳气氛，从而产生表面增碳的效果。增碳使锻件的机械加工性能变坏，切削时易打刀。

3.过热过热是指金属坯料的加热温度过高，或在规定的锻造与热处理温度范围内停留时间太长，或由于热效应使温升过高而引起的

晶粒粗大现象。

碳钢（亚共析或过共析钢）过热之后往往出现魏氏组织。马氏体钢过热之后，往往出现晶内织构，工模具钢往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织。钛合金过热后，出现明显的B相晶界和平直细长的魏氏组织。合金钢过热后的断口会出现石状断口或条状断口。过热组织，由于晶粒粗大，将引起力学性能降低，尤其是冲击韧度。一般过热的结构钢经过正常热处理（正火、淬火）之后，组织可以改善，性能也随之恢复，这种过热常被称之为不稳定过热；而合金结构钢的严重过热经一般的正火（包括高温正火）、退火或淬火处理后，过热组织不能完全

消除，这种过热常被称之为稳定过热。

4.过烧

过烧是指金属坯料的加热温度过高或在高温加热区停留时间过长，炉中的氧及其它氧化性气体渗透到金属晶粒间

的空隙，并与铁、硫、碳等氧化，形成了易熔的氧化物的共晶体，破坏了晶粒间的联系，使材料的塑性急剧降低。过烧严重的金属，

撤粗时轻轻一击就裂，拔长时将在过烧处出现横向裂纹。

过烧与过热没有严格的温度界线。一般以晶粒出现氧化及熔化为特征来判断过烧。对碳钢来说，过烧时晶界熔化、严重氧化工模具钢（高速钢、 Cr12 型钢等）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时出现晶界熔化三角区和复熔球等。锻件过烧

后，往往无法挽救，只好报废。

5.加热裂纹在加热截面尺寸大的大钢锭和导热性差的高合金钢和高温合金坯料时，如果低温阶段加热速度过快，则坯料因内外温差较大而产生很大的热应力。加之此时坯料由于温度低而塑性较差，若热应力的数值超过坯料的强度极限，就会产生由中心向四周呈辐

射状的加热裂纹，使整个断面裂开。

锻造工艺不当常产生的缺陷

1.大晶粒大晶粒通常是由于始锻温度过高和变形程度不足、或终锻温度过高、或变形程度落人临界变形区引起的。铝合金变形程度过大，形成织构；高温合金变形温度过低，形成混合变形组织时也可能引起粗大晶粒晶粒粗大将使锻件的塑性和韧性降低，疲劳性能明显下降。

2.晶粒不均匀晶粒不均匀是指锻件某些部位的晶粒特别粗大，某些部位却较小。产生晶粒不均匀的主要原因是坯料各处的变形不均匀使晶粒破碎程度不一，或局部区域的变形程度落人临界变形区，或高温合金局部加工硬化，或淬火加热时局部晶粒粗大。耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感。晶粒不均匀将使锻件的持久性能、疲劳性能明显下降。

3.冷硬现象

变形时由于温度偏低或变形速度太快，以及锻后冷却过快，均可能使再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化（硬化），从而使热锻后锻件内部仍部分保留冷变形组织。这种组织的存在提高了锻件的强度和硬度，但降低了塑性和韧性。严重的冷硬现象可能引起锻裂。

4.裂纹裂纹通常是锻造时存在较大的拉应力、切应力或附加拉应力引起的。裂纹发生的部位通常是在坯料应力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和内部有微裂纹、或坯料内存在组织缺陷，或热加工温度不当使材料塑性降低，或变形速度过快、变形程度过大，超过材料允许的塑性指针等，则在撤粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中都可能产生裂

5.龟裂龟裂是在锻件表面呈现较浅的龟状裂纹。在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。引起龟裂的内因可能是多方面的：①原材料合Cu、Sn等易熔元素过多。②高温长时

间加热时，钢料表面有铜析出、表面晶粒粗大、脱碳、或经过多次加热的表面。③燃料含硫量过高，有硫渗人钢料表面。

6.飞边裂纹

飞边裂纹是模锻及切边时在分模面处产生的裂纹。飞边裂纹产生的原因可能是：①在模锻操作中由于重击使金属强烈流动产生穿筋现象。②镁合金模锻件切边温度过低；铜合金模锻件切边温度过高。

7.分模面裂纹分模面裂纹是指沿锻件分模面产生的裂纹。原材料非金属夹杂多，模锻时向分模面流动与集中或缩管残余在模锻时挤人飞边后常形成分模面裂纹。

8.折叠

折叠是金属变形过程中已氧化过的表层金属汇合到一起而形成的。它可以是由两股（或多股）金属对流汇合而形成；也可以是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，两者汇合而形成的；也可以是由于变形金属发生弯曲、回流而形成；还可以是部分金属局部变形，被压人另一部分金属内而形成。折叠与原材料和坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况及锻造的实际操作等有关。

折叠不仅减少了零件的承载面积，而且工作时由于此处的应力集中往往成为疲劳源。

9.局部充填不足

局部充填不足主要发生在筋肋、凸角、转角、圆角部位，尺寸不符合图样要求。产生的原因可能是：①锻造温度低，金属流动性差；

②设备吨位不够或锤击力不足；③制坯模设计不合理，坯料体积或截面尺寸不合格；④模膛中堆积氧化皮或焊合变形金属。

10.欠压

欠压指垂直于分模面方向的尺寸普遍增大，产生的原因可能是：①锻造温度低。②设备吨位不足，锤击力不足或锤击次数不足。

11.错移

错移是锻件沿分模面的上半部相对于下半部产生位移。产生的原因可能是：①滑块（锤头）与导轨之间的间隙过大；②锻模设计不合理，缺少消除错移力的锁口或导柱；③模具安装不良。

17.轴线弯曲

锻件轴线弯曲，与平面的几何位置有误差。产生的原因可能是：①锻件出模时不注意；②切边时受力不均；③锻件冷却时各部分降温速度不一；④清理与热处理不当。

锻件缺陷的主要特征及产生原因

1.偏心

主要特征 : 对多台阶齿轴锻件表现为各直径段中心不一致，对齿轮类锻件表现为内外孔中心偏移

产生原因 :

1.加热温度不匀

2.锻造工艺或操作不当

3.冲孔前冲子没放正

2.弯曲

主要特征 : 齿轴锻件的中心线弯曲变形

产生原因 :

1.锻造矫直不当

2.热处理操作不当

3.端面不平

主要特征 : 圈类及饼类锻件端面变形

产生原因 :

1.锻造工艺或操作不当

2.热处理操作不当

4.折叠

主要特征 : 在外观上与裂纹相似，实际上是金属流线产弯曲

产生原因 :

1.砧子圆角不合适

2..送进量小于压下量

5.表面横向裂纹

主要特征 :

横向较浅裂纹

产生原因 :

1.钢锭皮下气泡暴露于表面不能焊合

2.拔长时相对送进量过大

6.表面纵向裂纹

主要特征 : 第一和拔长时或镦粗时出现的沿钢锭纵向出现的裂纹产生原因 :

1.钢锭模内壁有缺陷，新钢锭模使用前热处理不当

2.钢水浇铸操作不当

3.钢锭脱模后冷却不当

4.倒棱时压下量过大

7.表面龟裂

主要特征 : 锻件表面出现龟甲状较浅裂纹产生原因 :

1.钢中铜、锡、砷、碳含量过高

2.始锻温度过高

8.内部裂纹

主要特征 : 裂纹出现于锻件中心区域产生原因 :

1.加热未烧透，内部温度过低

2.在平砧上拔长圆形件

3.V 型砧角度过大

9.缩孔残余

主要特征 : 在低被试片上呈不规则褶皱状缝隙，为深褐色或灰白色产生原因 :

1.锭模设计不合理，浇铸过程控制不当

2.锻造时切头不足

10.过热、过烧与温度不均匀加热温度过高或高温停留时间过长时易引起过热、过烧。过热使材料的塑性与冲击韧性显著降低。过烧时材料的晶界剧烈氧化或者熔化，完全失去变形能力。

当加热温度分布严重不均匀，表现为锻坯内外、正反面、沿长度温差过大，在锻造时引起不均变形，偏心锻造等缺陷，亦称欠热。过热

过烧

图片（1）是钢锻坯过热组织，因加热温度太高引起的过热特征。试样用10% （体积分数）硝酸水溶液和10% （体积分数）硫酸水溶液腐蚀，金相显微镜（ LM ）观察，晶粒粗大，晶界呈黑色，基体灰白色，显示为过热特征。

图片（2）所示为轴承钢 GCr15SiMn锻件过烧引起的裂纹，晶界上有熔化痕迹及低熔点剧相，裂纹沿晶界扩展。

试样用4% （体积分数）硝酸酒精溶液侵蚀后呈黑色晶界，明显烧坏，锻坯过烧报废采取措施

1）严格执行正确的加热规范；

2）注意装炉方式，防止局部加热；

3）调准测温仪表，精心加热操作，控制炉温、炉气流动，防止不均匀加热。

11.疏松

主要特征：

沿钢锭中心的疏松组织未锻合，多与非金属夹杂等并存

产生原因：

1?锭型选择不当

2?锻造比不合适，变形方案不当

3?相对送给量过小

4?工具形状不合适

12.白点

主要特征：

白点是锻件在锻后冷却过程中产生的一种内部缺陷。其形貌在横向低倍试片上为细发丝状锐角裂纹，断口为

银白色斑点。照片 6-13为Cr— Ni - Mo钢锻件纵向断口上的白点。其形状不规则，大小悬殊，最小长轴尺寸仅

2mm，最大的为24mm。

白点

上图片宏观断口上的白点形貌白点实质是一种脆性锐边裂纹，具有极大的危害性，是马氏体和珠光体钢中十分危险的缺陷。

白点成因是钢中氢在应力作用下向拉应力区富集，使钢产生所谓氢脆，发生脆性断裂，所以氢和附加应力联合作用是白点产生的原因。

*防止白点的对策主要是：

1）降低钢中氢含量，如注意烘烤炉料，冶炼时充分沸腾，真空除气，炉外精炼脱气等。

2）采用消除白点的热处理，主要任务是扩散钢中氢，消除应力，如扩氢退火热处理等。

3）控制锻后冷却

13.非金属夹杂物

主要特征：

在锻件内部呈被拉长状或已被破碎的金属夹杂物

产生原因：

炼钢过程中的生成物或耐火材料沙子等落入钢液

14.组织性能不均匀

大型锻件因其尺寸大，工序多，周期长，工艺过程中不均匀，不稳定因素多，所以常常造成组织性能严重不均匀, 以致在力学性能试验，金相组织检查和无损探伤时不能通过。由于钢锭中化学成分偏析，夹杂物聚集，各种孔隙性缺陷的影响；加热时温度变化缓慢，分布不均，内应力大，缺陷较多；高温长时间锻造，局部受力局部变形，塑流状况、压实程度、变形分布差别较大；冷却时扩散过程缓慢，组织转变复杂，附加应力大。以上诸因素都可能导致组织性能严重不均匀，质量不合格。

提高锻件均匀性的措施：

1）采用先进的冶铸技术，提高钢锭的冶金质量；

2）采用控制锻造，控制冷却技术，优化工艺过程，提高大锻件生产的技术经济水平。