第17章 锻造成形过程中的缺陷及产生原因

第17章 锻造成形过程中的缺陷及其防止方法

§17.1 钢锭和钢材中的缺陷及其防止方法

一、钢锭的缺陷

钢锭有下列主要的缺陷： （1）缩孔和疏松

钢锭中缩孔和疏松是不可避免的缺陷，但它们出现的部位可以控制。钢锭中顶端的保温冒口，造成钢液缓慢冷却和最后凝固的条件，一方面使锭身可以得到冒口中钢液的补缩，另一方面使缩孔和疏松集中于此处，以便锻造时切除。

（2）偏析

钢锭中各部分化学成分的不均匀性称为偏析。偏析分为枝晶偏析和区域偏析两种，前者可以通过锻造以及锻后热处理得到消除，后者只能通过锻造来减轻其影响，使杂质分散，使显微孔隙和疏松焊和。

（3）夹杂

不溶于金属基体的非金属化合物称为夹杂。常见的夹杂如硫化物、氧化物、硅酸盐等。夹杂使钢锭锻造性能变化，例如当晶界处低熔点夹杂过多时，钢锭锻造时会因热脆而锻裂。夹杂无法消除，但可以通过适当的锻造工艺加以破碎，或使密集的夹杂分散，可以在一定程度上改善夹杂对锻件质量的影响。

（4）气体

钢液中溶解有大量气体，但在凝固过程中不可能完全析出，以不同形式残存在钢锭内部。例如氧与氮以氧化物、氮化物存在，成为钢锭中夹杂。氢是钢中危害最大的气体，它会引起“氢脆”，使钢的塑性显著下降；或在大型锻件中造成“白点”，使锻件报废。

（5）穿晶

当钢液浇注温度较高，钢锭冷却速度较大时，钢锭中柱状晶会得到充分的发展，在某些情况下甚至整个截面都形成柱状晶粒，这种组织称为穿晶。在柱状晶交界处（如方钢锭横截面对角线上），常聚集有易熔夹杂，形成“弱面”，锻造时易于沿这些面破裂。在高合金钢锭中容易遇到这种缺陷。

（6）裂纹

由于浇注工艺或钢锭模具设计不当，钢锭表面会产生裂纹。锻造前应将裂纹消除，否则锻造时由于裂纹的发展导致锻件报废。

（7）溅疤

当钢锭用上注法浇注时，钢液冲击钢锭模底而飞溅到钢锭模壁上，这些附着的溅沫最后不能和钢锭凝固成一体，便成溅疤。溅疤锻造前必须铲除，否则会形成表面夹层。

二、轧制或锻制的钢材中的缺陷

轧制或锻制的钢材中往往存在如下缺陷： （1）裂纹和发裂

裂纹是由于钢锭缺陷未清除，经过轧制或锻造使之进一步发展造成的。由于轧制或锻造的工艺规范不当，在钢材内引起很大的内应力，也会造成裂纹。断面大、合金元素多的钢材容易产生裂纹。

发裂是深度为0.50～1.50mm的发状裂纹，它是轧制或锻造时由于钢锭皮下气泡沿变形方向被拉长或夹杂物沿变形方向伸长而形成。发裂一般需经酸洗后才能发现。

（2）伤痕和折叠

伤痕是钢材表面上深约0.2～0.30mm的擦伤、划伤细痕。

折叠一般由于轧制或锻造工艺不当造成。 （3）非金属夹杂和疏松

钢材中的非金属夹杂是直接由钢锭中的非金属夹杂物保留下来的。钢材锻造变形时，夹杂物聚集的部位会形成裂纹。

钢锭中的疏松，由于轧制工艺不当，仍会在钢材中保留下来。 （4）白点

含氢量高的大钢锭，轧制或锻造后由于冷却工艺不当，内部过饱和的氢原子析出聚集在疏松等间隙中成为氢分子，造成巨大的压力，并与钢相变时的组织应力相叠加，使钢材内部产生许多细小裂纹，即为“白点”。但“白点”仅出现在对“白点”敏感性较强的钢种上，例如40CrNi、35CrMo、GCr15等牌号的钢。

裂纹、发裂、伤痕和折叠是表面缺陷，这些缺陷在锻造变形时会进一步发展，使锻件报废，故事先必须清除。非金属夹杂、疏松和“白点”等是内部缺陷，有这方面缺陷的钢材根本不能使用。

§17.2 加热过程中的缺陷及其防止方法

金属在锻造加热过程中可能产生的缺陷有氧化、脱碳、过热、过烧和开裂等。正确的加热应尽量减少或根本防止这些缺陷的产生。

一、氧化

氧化是金属加热时炉气中的氧化性气体（如O2、CO2、H2O、SO2）与金属发生化学反应，在金属表面形成氧化皮的现象。 1、氧化皮的形成过程

钢材表层的铁以离子状态由里向外表面扩散，而氧化性气体中的氧以原子状态由钢材外表面经吸附后向里层扩散。

氧化皮分为三层，如图17.1所示。其最外层是含氧较高的Fe2O3，约占氧化皮厚度的10%；中间层是粗大颗粒的Fe3O4，约占氧化皮厚度的50%；最里层是含氧较低的FeO，约占氧化皮厚度的40%。

图17.1 氧化皮形成过程示意图

由于氧化皮的膨胀系数和钢材不同，因此较易脱落；同时氧化皮的熔点（1300～1350℃）较低，高温时易熔化。氧化皮的脱落和熔化，使新暴露的钢料表面继续氧化，增加金属的损耗。 2、氧化皮的危害

（1）它直接造成了金属的损耗（称为火耗）； （2）降低模锻件的表面质量；

（3）锻件表面附着氧化皮，热处理时导致锻件组织和性能的不均匀；

（4）氧化皮的硬度较高，模锻时会加速锻模型腔的磨损，机加工时会加速刀具的损坏；

（5）氧化皮呈碱性，脱落在加热炉的炉膛内会和酸性的耐火材料起化学反应，缩短加热炉寿命； （6）使模锻件增加酸洗或喷丸等清理工序。 3、防止和减少氧化的具体措施

火焰炉加热时为了防止或减少氧化皮的产生，可采取以下措施：

（1）在确保金属加热质量的前提下，尽量采用高温下装炉的快速加热方法，缩短金属在炉内的停留时间，特别是缩短金属在高温下的保温时间；

（2）严格控制进入炉内的空气量，在燃料完全燃烧的条件下，尽可能减少过剩空气量； （3）注意消除燃料中的水分，避免水蒸气对金属表面的氧化作用； （4）炉膛应保持不大的正压力，防止炉外冷空气吸入炉内； （5）操作上应做到少装炉、勤装炉及适时出炉； （6）采用少、无氧化火焰加热炉。

二、脱碳

脱碳是钢材表层的碳在高温下与氧化性炉气（如O2、CO2、H2O）和H2发生化学反应，生成CO和CH4等可燃气体而被烧掉，使钢材表层碳成分降低的现象。 1、脱碳的危害

（1）使锻件加工后的零件表面变软，强度和耐磨性降低；

（2）使锻件加工后的零件疲劳强度降低，零件在长期交变应力作用下易发生疲劳断裂。但是，如果脱碳层的厚度没有超过模锻件的机械加工余量，则脱碳层可随切屑除去而无危害。 2、防止脱碳的具体措施

坯料加热时应防止和减少脱碳，尤其对于弹簧钢、工具钢和轴承钢等锻件以及精密模锻件更应尽可能防止脱碳。

火焰炉加热时防止和减少脱碳的措施有：

（1）采用高温下装炉的快速加热方法，尤其应缩短坯料在加热炉内高温阶段的停留时间；

（2）加热前坯料表面涂刷上保护涂层，例如石墨粉与水玻璃混合剂、硼砂水浸液、玻璃粉涂料等。

三、过热

钢材在加热过程中的加热温度超过某一温度，或在高温下保温时间过长，导致奥氏体晶粒急剧粗大的现象，称为过热。

钢材的过热受到加热温度和保温时间两个因素的影响，其中前者对奥氏体晶粒的粗大有更大的影响。通常，将钢材加热时晶粒开始急剧长大的温度，称为晶粒长大的临界温度。

几种钢材加热时晶粒长大的临界温度见表17-1。

表17-1 几种钢材加热时晶粒长大的临界温度

钢号 晶粒长大的临界温度 （℃） 钢号 晶粒长大的临界温度 （℃） 25 45 T7 38CrA 1250 1200 1150 1200 12CrNi3A 38CrMoAlA 18CrNi4WA 1Cr18Ni9Ti 1150 1100 1200 1200

过热会引起以下问题：

（1）过热严重的钢材，锻造时边角可能产生裂纹；

（2）一般性过热的钢材，并不影响锻造；但过热的钢材锻造的锻件，其晶粒度比正常的锻件粗大，使锻件的冲击韧性、塑性和强度等机械性能降低；

（3）过热的钢材锻造的锻件在淬火过程容易引起变形和开裂。

过热的钢材，如果条件允许，可用热处理或再次锻造的方法使晶粒细化；但是有一些钢材过热后是无法用热处理改正的。所以，严格控制钢材的加热温度和保温时间，是防止过热的最好措施。

四、过烧

当钢材加热到接近熔点时，不仅奥氏体晶粒粗大，而且炉气中的氧化性气体渗入晶粒边界，使晶间物质Fe、C、S发生氧化，形成易熔的共晶体，破坏了晶粒间的联系，这种现象称为过烧。

过烧的钢材，强度很低，失去塑性，不能锻造；若进行锻造，在锻造时一击便破裂成碎块，断口晶粒粗大，呈浅灰蓝色。可见，过烧的钢材是不可补救的废品，只有回炉重新冶炼。

钢材的过烧温度因钢种而不同。由表17-2可见，碳钢含碳量越高，过烧温度越低，越易过烧；低碳合金钢中含Mn、Ni、Cr等元素，使钢较易过烧。例如0.2%C的碳钢，过烧温度为1470℃；0.5%C的碳钢，过烧温度为1350℃；1.1%C的碳钢，过烧温度为1180℃。

表17-2 部分钢材的过烧温度 钢种 45钢 45Cr 30CrNiMo 4Cr10Si2Mo 50CrV 12CrNiA 60Si2Mn 60Si2MnBE GCr15

防止钢材过烧的措施有：

过烧温度 （℃） >1400 1390 1450 1350 1350 1350 1350 1400 1350 钢种 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 2Cr13 Cr12MoV T8 T12 GH135合金 GH136合金 过烧温度 （℃） 1360 1270 1180 1160 1250 1200 1200 1220 （1）严格控制加热温度和高温下的保温时间；

（2）控制炉内气体成分，尽量减少过剩的空气量，造成弱氧化性炉气；

（3）使钢材与喷火口保持一定的距离，严禁火焰与钢材直接接触，以防止局部过烧； （4）采用电阻炉加热时，钢材和电阻丝的距离不应小于100mm ，以免局部过烧。

五、开裂

如果金属在锻造加热过程的某一温度下，其内应力（一般指拉应力）超过它的强度极限，那么就要产生裂纹。通常内应力有温度应力、组织应力和残余应力。 1、温度应力

金属在加热时，其表面和中心部位之间存在温度差而引起不均匀膨胀，使表面受到压应力、中心部位受到拉应力；这种由于温度不均匀而产生的内应力叫温度应力。

温度应力的大小与金属的性质和断面温度有关。一般只有金属出现温度梯度，并处在弹性状态时，才会产生较大的温度应力并引起裂纹。

钢材在温度低于500～550℃时处在弹性状态，在这个温度范围以下，必须考虑温度应力的影响；当温度超过500～550℃时，钢的塑性比较好，变形抗力较低，通过局部塑性变形可以使温度应力得到消除，此时就不会产生温度应力。

温度应力一般都是处于三向拉应力状态。加热时圆柱坯料中心部位受到的轴向温度应力较径向和切向温度应力都大，因此金属加热时心部产生裂纹的倾向性较大。 2、组织应力

具有相变的钢材在加热过程中，表层首先发生相变，心部后发生相变，并且相变前后组织的比容发生变化，这样引起的内应力叫组织应力。

在钢材加热过程中，表层首先发生相变，珠光体变为奥氏体；由于比容的减小，在表层形成拉应力，心部为压应力。当温度继续升高时，心部也发生相变；这时心部为拉应力，表层形成压应力。由于相变时钢材已处在高温，其塑性较好，尽管产生组织应力，也会很快被松弛消失；因此在钢材的加热过程中，组织应力无危险性。 3、残余应力

金属在凝固和冷却过程中，由于外层和中心的冷却次序不同，各部分间的相互牵制将产生残余应力。外层冷却快，中心冷却慢，因此残余应力在外层为压应力，在中心部分为拉应力。当残余应力超过了金属的强度极限时，金属将产生裂纹。

综合上述，金属在锻造加热过程中，由于内应力引起的裂纹，主要是温度应力造成的。一般来讲，裂纹发生在加热低温阶段，且裂纹发生的部位在心部。因此，钢在500～550℃以下加热时，应避免加热速度过快，降低装炉温度。

§17.3 自由锻件的主要缺陷

在自由锻造生产中，锻件的缺陷产生与如下因素有关： （1）原材料及下料所产生的缺陷未加清除； （2）锻造加热不当；

（3）锻造操作不当或工具不合适； （4）锻后冷却或热处理不当等。 所以，在自由锻造生产过程应掌握各种情况下产生缺陷的特征，以便在发现锻件缺陷时进行综合分析，找出锻件产生缺陷的原因，采取改进锻造工艺等措施来防止缺陷的产生。

一、横向裂纹

1、表面横向裂纹

锻造时坯料表面出现较浅的横向裂纹，是由于钢锭皮下气泡暴露于空气中不能焊合而形成，其深度可达10mm以上。一些塑性较差的金属，相对送进量

l过大时也会产生这种缺陷。 h锻造时坯料表面出现较深的横向裂纹，是由于钢锭浇注不当所造成。例如，钢锭模内壁有缺陷，产生“挂锭”现象，冷却时便拉裂；高速、高温浇注，钢锭外皮成形较慢及钢锭模受到摆动；钢锭与锭模铸合等原因。

表面横向裂纹往往在锻造时第一火即出现。一经发现，大型锻件可用吹氧除去，以免裂纹在以后锻造中扩大。

2、内部横向裂纹

这是锻件内部的缺陷，只能通过磁力探伤、超声波检查才能发现。

产生的原因是：冷钢锭加热时在低温区加热速度过快，中心引起较大拉应力造成；或者塑性较差的高碳钢、高合金钢在锻造操作时相对送进量

ll（或）过小造成。 hD二、纵向裂纹

1、表面纵向裂纹

在第一火拔长或镦粗时出现。

产生的原因是：钢锭模内壁有缺陷或新钢锭模使用前未很好退火；浇注操作不当，例如高温、高速浇注，引起凝固外皮破裂；钢锭脱模后冷却方式不当或脱模过早；倒棱时压下量过大；钢锭轧制时产生纵向划痕等。

表面纵向裂纹锻造时一经发现立即用吹氧除去，以免裂纹在以后锻造中扩大。 2、内部纵向裂纹

锻件内部纵向裂纹有三种情况：

（1）坯料近冒口端中心出现的纵向裂纹

这是由于钢锭凝固时缩孔未集中于冒口部分，或者锻造时冒口端的切头量过少，使坯料近冒口端存在二次缩孔或残余缩孔，锻造后引起内部纵向裂纹。

（2）坯料内部出现的中空纵向裂纹

这是由于平砧拔长圆截面坯料，中心部分金属受拉应力作用所致；或者由于坯料加热未透，内部温度过低，拔长时内部沿纵向开裂等。

（3）坯料内部出现的纵向“十字”裂纹

这是由于拔长时送进量过大，或在同一部位反复拔长所致。这种内部纵向“十字”裂纹多出现在高

合金钢中。

三、炸裂

系坯料在锻造前加热时或锻件在冷却、热处理后表面或内部炸开而形成的裂纹。

产生炸裂的原因是：由于坯料具有较高的残余应力，在未予消除的情况下，错误地采用快速加热或不适当的冷却所致。

四、自行开裂

系锻件在锻造或热处理后产生，或锻后经过长时间后发生。

发生的原因是：坯料在锻造过程中已形成微小裂纹，冷却或热处理使之加剧；或由于锻件内部有较大残余应力所致。

五、龟裂

系锻造时在锻件表面出现的“龟甲状”浅裂纹。

产生的原因是：由于钢中Cu、Sn、As、S的含量较多，或者在加热炉中加热铜料后未除尽炉渣，溶化的铜渗入钢坯的晶界，造成钢坯热脆； 或者是由于坯料始锻温度过高、开始锻造时锤击过重等原因造成。

钢坯表面较浅的龟裂裂纹应及时清除，清除后不妨碍继续锻造。

六、过烧

系加热时氧化性气体渗入钢坯的晶界，使Fe、C、S发生氧化，形成易熔共晶体氧化物，锻造时一锤击钢坯便破碎的现象。

过烧钢坯的断裂面，晶粒粗大，失去金属的光泽。

产生过烧的条件是加热温度过高，或加热时间过长，在这种条件下，易于使晶界氧化和熔融。

七、晶粒度局部粗大

系锻件表面或内部在局部区域发生的晶粒粗大现象。对于结构钢来说，是由于钢中残余铝的含量不够，影响钢坯的本质晶粒度（本质晶粒度是反映钢加热时奥氏体晶粒长大倾向的一个指标，一般冶炼时用铝脱氧的钢都是本质细晶粒钢）；或者是由于坯料加热温度过高，锻造比又较小，也会出现这种缺陷。对于奥氏体类高合金钢来说，锻造时变形不均匀、工具预热温度低、坯料与工具间接触摩擦大等原因，便会导致锻件晶粒度局部粗大的现象。

八、白点

系锻件内部银白色、灰白色的圆形裂纹，含Ni、Cr、Mo、W等元素的合金钢大型锻件中容易产生。 其产生原因是：钢中含氢量过高，而锻后的冷却或热处理工艺不恰当，便会产生这种缺陷。

九、疏松

系指沿钢锭中心的疏松组织锻造时未锻合。

其产生原因是：钢锭本身疏松较严重；或者是锻造比不适当、变形方案不佳；或者是相对送进量过小，不能锻透等。

十、非金属夹杂

锻件内部有较集中的非金属夹杂，是一个严重缺陷。有显微非金属夹杂是不可避免的，可不认为是缺陷。锻件内部非金属夹杂的含量和分布情况，与钢的精炼和铸锭有关；而锻件内部非金属夹杂的分散

和破碎程度，与锻造时变形量和变形方案有关。

十一、化学成分不合适

锻件的化学成分不符合要求，是属于炼钢的问题，或由于备料时产生差错。

十二、机械性能达不到要求

锻件的强度不合格，主要与炼钢和热处理有关，不是锻造引起的。锻件的塑性指标和冲击韧性不合格，可能是由于钢冶炼时杂质太多；也可能由于锻造比不够大，例如锻件横向试件的塑性和冲击韧性不够，往往是由于锻造时镦粗比偏小造成。

十三、折叠

锻件表面的折叠缺陷，是金属不合理流动造成。

其形成原因是：砧子形状不适当，砧边圆角半径过小；拔长时送进量小于单边压下量等。

十四、歪斜和偏心

锻件的端部歪斜和中心线偏移等缺陷，是由于锻造工艺不合理、操作方法不当或坯料加热不均匀（例如有阴阳面）等原因造成。

十五、弯曲和变形

锻件产生弯曲或变形，主要是由于锻造时的修整工序没有做好，或由于锻后冷却或热处理工序操作不当所造成。

§17.4 模锻件的常见缺陷

在模锻生产中，锻件会产生各种各样的缺陷。而产生缺陷的原因，也是多方面的。例如原材料本身有缺陷，备料质量不好，模具设计不合理，模具加工不符合技术要求，加热、锻造、热处理、清理等操作不正确。所以，在分析模锻件缺陷时应从多方面来考虑缺陷产生的原因，以便采取正确的对策。

一、错移

错移是锻件沿分模面上半部对下半部产生了位移。 产生错移的原因有：

（1）锻锤导轨的间隙过大；

（2）上、下模安装调整不当或锻模检验角有误差；

（3）锻模紧固部分有问题，例如燕尾磨损、斜楔松动等。

在模锻成形过程中，锻模常易产生错移。因此，在模锻成形过程中，正确的找出锻模错移的原因，迅速而准确地调整好锻模，是非常重要的。

二、充不满

金属未完全充满锻模型腔，造成锻件局部地区“缺肉”的现象，称为充不满。 出现充不满的原因有：

（1）坯料尺寸偏小，体积不够；

（2）坯料放偏，造成锻件一边“缺肉”，另一边因料过多而形成大量飞边； （3）加热时间过长，火耗太大； （4）加热温度过低，金属流动性差； （5）锻造设备吨位不足，锤击力太小； （6）润滑不当；

（7）制坯、预锻型腔设计不合理，或终锻型腔飞边槽阻力小；

（8）操作方法不正确，例如滚挤时，操作者打击次数过少，没有达到滚挤的要求，或是误将坯料前后移动，使已经滚挤出来的大截面压扁压小，这样终锻时就充不满型腔；

（9）氧化皮清除不及时，例如滚挤型腔内氧化皮积存过多。使滚挤的坯料不能形成最大截面，终锻时就会充不满型腔；

（10）终锻型腔磨损严重。

三、锻不足

锻不足又称“欠压”，是指模锻件高度方向尺寸全部超过图纸的规定。 出现锻不足的原因有： （1）原坯料重量过大；

（2）设备吨位不足，锤击力太小； （3）加热温度偏低；

（4）制坯型腔设计不当或飞边阻力过大。

四、压伤

压伤是指模锻过程中锻件被局部压坏。 出现压伤的原因有：

（1）锤击中锻件跳出型腔被连击压坏；

（2）设备失控，单击时发生连击； （3）切边时锻件在凹模内未放正。

五、折叠

由于模锻时金属流动不合理在锻件表面形成重叠层的现象称为折叠，也称折纹或夹层。 产生折叠的原因有：

（1）拔长、滚挤时坯料未放正，放在型腔边缘，一锤击便形成压痕，再翻转锤击时便形成折叠； （2）拔长、滚挤时最初几次锤击过重，使坯料压扁展宽过长，随后翻转锤击时扁料便失稳而弯折，形成折叠；

（3）有轮毂、轮幅、轮缘的齿轮锻件，坯料中间镦粗的直径尺寸过小，终锻时会在轮缘转角处形成折叠；

（4）带有连皮或幅板的复杂模锻件，预锻型腔设计不当，模锻时造成金属回流，形成折叠。

六、表面凹坑

凹坑是指锻件表面形成的局部凹陷。 产生凹坑的原因有：

（1）坯料加热时间过长或粘上炉底熔渣，锻出的锻件清理后表面出现局部凹坑或麻点； （2）型腔氧化皮未除净，模锻时氧化皮压入锻件表面，经清理后出现凹坑。

七、尺寸不足

尺寸不足是指锻出的锻件尺寸偏差小于负公差。 出现尺寸不足的原因有：

（1）终锻温度过高或设计终锻型腔时考虑收缩率不足； （2）终锻型腔变形；

（3）切边模调整不当，锻件局部被切。

八、翘曲

翘曲是指锻件中心线发生弯曲，细长或扁薄的锻件一般易产生翘曲变形。 产生翘曲的原因有：

（1）锻件从型腔中撬起时发生弯曲变形； （2）切边时由于受力不均； （3）冷却时收缩不一致； （4）热处理操作不当。

九、氧化皮压入锻件

钢加热后在其表面都附有氧化皮，虽然经镦粗、拔长或滚挤工序后可以消除，但有时会将脱落的氧化皮吹入终锻模膛内，一经锻造就将氧化皮压入锻件表面，往往造成锻件的报废。

十、残余飞边

锻件切边未净，有残余飞边。 出现残余飞边的原因有：

（1）切边模与终锻型腔尺寸不符；

（2）切边模磨损或锻件切边时放置不正； （3）锻件本身错移量大。

十一、锻件流线分布不正确

由于操作者违反锻造工艺规程使锻件纤维组织的纤维分布紊乱，造成锻件达不到锻件技术条件上对锻件流线分布的规定，称为锻件流线分布不正确。

不是所有的零件都有流线要求，只是重要零件才有这种要求。所以在操作时要按照锻造工艺规程上规定的操作方法进行，否则会造成锻件流线分布不均匀或方向不正确而影响锻件机械性能，造成零件报废。

其产生原因有：

（1）毛坯镦粗方法不正确，如发动机上的齿轮就有流线要求，若违反了锻造工艺规程中的镦粗后终锻这一工序的要求，虽然也能得到外形轮廓完整的锻件，但其金属纤维分布紊乱或不正确，严重地影响锻件机械性能，造成锻件报废。

（2）毛坯在模膛中放歪，往往造成锻件流线分布紊乱不均，以至达不到零件质量要求。

十二、发裂和裂纹

锻件表面产生发裂和裂纹的原因有：

（1）钢锭皮下气泡被轧长，模锻及酸洗后呈现出细小长裂纹，即发裂；

（2）坯料剪切下料不当，造成端部裂纹，经模锻后裂纹不仅不能消除，而且可能发展； （3）原坯料的表面伤痕，经模锻后发展为裂纹； （4）合金钢锻件冷却或热处理不当。

十三、夹渣

夹渣是原材料断面上有夹渣造成。由于冶炼时耐火材料等杂质熔入钢液，轧制成钢材后内部就保留有夹渣。

十四、过热和过烧

坯料加热不当，轻则使坯料过热，得到晶粒粗大的锻件；重则使坯料过烧，锻出的锻件报废。

十五、晶粒粗大

锻件产生晶粒粗大的原因，除坯料加热时发生过热外，终锻温度过高也会使锻件在冷却过程中发生晶粒粗大。

§17.5 高速钢锻件的裂纹

高速钢的锻造缺陷主要是裂纹。

一、碎裂

碎裂的特征是初锻时便裂成碎块，如图17.2所示。其产生原因是加热温度过高或在高温下停留时间过长，使锻件发生过烧而造成的。

图17.2 碎裂

二、对角线十字裂纹

矩形截面坯料拔长时，在端面或内部产生的对角线十字裂纹，如图2.78（a）所示。其产生原因是平砧拔长时坯料截面对角线上产生剧烈的交变剪切变形（如图2.78（b）和图2.78（c）所示），如果坯料心部有疏松、偏析、夹杂等缺陷，加热时坯料心部已发生了过烧或过热，拔长送进量过大，锤击过重等，都可能使高速钢锻件产生对角线十字裂纹。

三、中心裂纹

这是一种出现在锻件内部和两端面中心位置上的裂纹，如图17.3所示。它产生于圆截面坯料开始拔长，即由圆形拔成方形时，或在拔长以后滚圆锻件时。其产生原因是由于在拔长、倒角或滚圆时坯料的水平方向出现拉应力（如图2.76所示），愈靠近轴心部分受到的拉应力愈大；再加上坯料本身心部有缺陷，或加热时心部已过烧或过热，或坯料温度过低等，都会造成中心裂纹。

图17.3 中心裂纹

因此，高速钢锻造成形过程中，开始拔长时或倒角、滚圆时应控制锤击力，滚圆最好在摔模里进行。

四、横向裂纹

横向裂纹是指在锻件内部存在的裂纹方向垂直于拔长坯料轴线方向的裂纹。横向裂纹有两种：横向内裂和横向外裂。如图17.4所示，如果拔长时送进量

L?0.5，则会由于坯料中心纵向拉应力造成h横向内裂；如果拔长时送进量

L?0.8，则会由于坯料外侧的切向拉应力造成横向外裂。 h

（a）拔长送进量

（c）横向外裂

Lh （b）横向内裂

图17.4 横向裂纹

五、角裂

角裂是反复镦拔时出现于与轴线方向垂直的表面裂纹，往往从棱角处开始产生，如图17.5所示。由于拔长锤击的印痕未压平，随后镦粗时沿印痕弯曲或皱折而引起裂纹；锤砧圆角半径太小，拔长时送进量小、压下量大，产生夹层。由于拔长棱角处温度容易下降，塑性降低，所以往往就从棱角处开始裂开。

图17.5 角裂

六、表面纵向裂纹

表面纵向裂纹常见于扁薄形锻件（如图17.6所示）。其产生原因是由于拔长扁方坯料时，如果宽度超过厚度3倍，则翻转90°锻造侧面时就产生弯曲现象，出现折叠，随后形成裂纹。

图17.6 表面纵向裂纹

七、萘状断口

萘状断口的特征是断口上呈鱼鳞状白亮闪点，晶粒粗大（如图17.7所示）。其产生原因是终锻温度过高（超过1000℃），终锻时变形量又小（??10%~15%），达到了临界变形程度的范围；此

时钢的韧性很低，使用时容易崩刃和折断。

这种缺陷热处理无法消除。只有将最后一火的终锻温度严格控制在930℃以下，并保证有足够的变形量，才能防止。

图17.7 萘状断口

§17.6 有色金属锻件的缺陷

除了充不满、变形等几何尺寸不合格外，有色金属锻件还会出现一些特殊缺陷。

一、铝合金锻件的缺陷

表17-3为铝合金锻件的主要缺陷、形成原因和防止方法。

表17-3 铝合金锻件的主要缺陷、形成原因及防止方法

缺陷名称 分模线裂纹 形成原因 1、加热质量不好； 2、飞边太薄； 3、模腔到飞边槽的出口半径小； 4、锻锤吨位过大。 1、筋太薄、筋间距太大； 2、筋与腹板连接半径小； 3、加热质量不好； 4、模具预热不好； 5、腹板太薄； 6、预锻件金属量过多。 由下列原因引起了金属的回流： 1、模具圆角半径小； 2、坯料放置不正； 3、棒料有粗晶环； 4、坯料过热； 5、坯料局部金属过多或过少。 防止方法 1、提高加热质量； 2、加厚飞边； 3、增大出口圆角半径； 4、选择吨位适当的锻锤。 1、增加筋的厚度； 2、增大连接半径； 3、提高加热质量； 4、模具充分预热； 5、加厚腹板； 6、改善预锻模腔形状，使之与终锻模腔配合适当。 1、坯料盖住筋的模腔，不使金属横向流动过多； 2、增大圆角半径； 3、正确放置坯料； 4、除去粗晶环； 5、严格控制加热温度在规范规定的范围内。 穿流或射穿 折叠 粗晶 1、温度过高、变形量偏小，造成锻件1、选择坯料时应使加厚处有必要的变形量； 加厚部分出现大晶粒； 2、变形大时要多次模锻，逐步成形； 2、飞边区附近和筋根部变形量太大； 3、抛光模腔表面，预热好模具，加强润滑。 3、表层变形程度太小。

二、铜合金锻件的缺陷

表17-4为铜合金锻件的主要缺陷、形成原因和防止方法。

表17-4 铜合金锻件的主要缺陷、形成原因及防止方法 缺陷名称 形成原因 HPb59-1等（???）两相黄铜的加热温度超过了?????转变温防止方法 加热温度控制在?????转变温度以下 “桔皮”表面

度 1、镦粗低塑性难变形铜合金时，变与锤击方向成45°形量过大； 裂口 2、终锻温度过低，坯料塑性严重下降。 镦粗毛坯侧表面纵向裂纹 1、镦粗变形量过大，侧表面上产生较大拉应力； 2、加热温度偏高，锤击过重。 铸锭或毛坯中心有偏析、疏松等冶金缺陷 1、锻件内有残余应力，在潮湿大气或含氨盐大气中引起应力腐蚀； 2、锻后未及时进行消除内应力退火。 1、减小镦粗时的变形量； 2、终锻温度不低于表4-13列出的数值。 1、减小变形量，及时消除侧表面上的不平度； 2、严格控制加热温度，锤击力量要适当（锤击要轻而快） 增大变形量，使锻件内各变形区均有较大的变形量（??15%） 1、锻件存放在干燥、洁净的空气中； 2、锻后及时在200℃～300℃温度退火。 分层 表面龟裂或密集细小裂纹 三、钛合金锻件的缺陷

表17-5为钛合金锻件的主要缺陷、形成原因和防止方法。

表17-5 钛合金锻件的主要缺陷、形成原因及防止方法

缺陷名称 形成原因 1、加热温度过高或时间过长，形成了较厚的?脆化层； 2、表面缺陷未清除干净。 防止方法 1、严格控制加热温度和时间； 2、在惰性气体中加热； 3、用金刚砂砂轮将缺陷除净。 用超声波探伤或?射线透射检查，找出1、减轻锤击或在压力机上锻造； 2、终锻温度不要低于表12-6的数据； 3、预热工具到较高温度（200℃～250℃）。 表面裂纹 内部裂纹 1、铸锭中心有冶金缺陷； 2、润滑剂在挤压过程中被挤入棒材。 不合格的毛坯 1、合金工艺塑性低； 2、锻造温度偏低； 3、锻造时毛坯局部变冷了。 裂缝或裂口 夹杂 1、铸锭中有冶金缺陷：Cr、W、Mo用超声波探伤或?射线透射检查，找出等夹杂物，氧化膜； 2、熔炼用的回炉料中带进了其他成分有夹杂物的毛坯 的夹杂物。 1、没有充分锻透； 2、锻造温度偏高； 3、合金在锻造时发生过热； 4、加热时合金没有均匀透热。 1、采用两次或三次镦拔，变换侧面和棱角，使锻造温度从?相区温度逐渐降到（???）相区温度，在（???）相区温度终结锻造； 2、锤击要轻，或改用压力机锻造。 组织粗大不均匀或机械性能偏低、不均匀 ?脆性（过热） 1、加热温度偏高，或毛坯靠近加热炉1、严格控制加热温度，规定炉内装料区的碳化硅棒太近； 域； 2、变形量太大，变形热效应使坯料温2、减小设备每次行程的变形量。 度升高过多，超过了?转变温度。 §17.7 锻件的质量检验

锻件的质量检验包括锻件的外观检验、机械性能检验和内部质量检验等。为了保证锻件的质量，除在生产过程中要随时对锻件作外观检验外，对锻后的锻件还必须根据技术要求进行外观、机械性能或内部质量的检验。至于检验的数量，应根据锻件的重要性、批量大小因素而定，进行100％检验或一定数量的抽查。

一、锻件的外观检验

锻件的外观检验包括表面质量检验及尺寸和形状的检验。 1、表面质量检验

表面质量的检验方法是用肉眼或5～10倍放大镜观察锻件表面有无裂纹、折叠、凹坑、“缺肉”、压坏、表面过烧等缺陷。如有裂纹、折叠、凹坑等缺陷，经打磨后按锻件图技术要求判断验收与否。

为了便于发现表面缺陷，最好将锻件进行酸洗或喷砂清理后检验。 2、尺寸和形状的检验

锻件尺寸和形状的检验，应以锻件图为依据。 一般锻件尺寸和形状的检验，采用通用的测量工具或专用的测量工具进行。通用的测量工具有钢尺、卡钳、游标卡尺、深度尺、角尺等。专用的测量工具有卡规、塞规、样板及各种检验夹具等。

其检验内容和方法如下：

（1）锻件长、宽、高尺寸和直径的检验

可用卡钳、卡尺等进行检验，也可使用样板、卡规等进行检验。图15.1表示用样板检验台阶轴锻件的长度尺寸。图15.2表示用卡规检验锻件的直径或高度。

（2）锻件内孔的检验

无斜度时可用卡尺、卡钳等，有斜度时可用塞规。 （3）锻件弯曲的检验

通常将锻件放在平台上滚动，或用两个支点将锻件支起并转动锻件，用千分表或划线盘测量其弯曲的数值，如图15.3所示。

（4）锻件翘曲度的检验

就是检验锻件一平面与另一平面是否在同一平面上或保持一定的位置。通常是将锻件放在平台上，将它的一端放平，测量另一端翘起的高度?，如图15.4所示。

（5）锻件特殊曲面的检验

例如叶片的型线部分，可用专门的型线样板检验。 （6）锻件错差的检验 就是检验锻件的错移量。对于简单的锻件，可凭经验或借助于简单工具观察其错差是否在允许的范围之内，也可以用样板检验，如图15.5所示。对于复杂的锻件，可用划线检验方法。

形状复杂的模锻件，其尺寸和形状的检验，可用划线检验方法。由于模锻件的划线检验工作量较大，一般只用于新锻模（或锻模修磨后）的首件检验，以便确定锻件是否合格及新锻模的制造精度；在

锻模使用过程中以及生产到最后的几个锻件，也使用划线检验，用以检验锻件的尺寸形状及了解锻模型腔的磨损情况。

划线检验除使用通用测量工具及一些专用测量工具外，还需用划线平台、方箱、V形块、划线盘等。划线前应做好如下准备工作：

1）、除去锻件表面的污垢、氧化皮以及飞边等； 2）、在锻件表面拟划线之处涂色，例如涂酒精色溶液或粉浆； 3）、凡是孔、凹坑，需要测量其直径或中心距时，需塞以木、铅、铝或铜制的塞块。

划线时，通常要利用锻件中心线或某一平面作为划线基准，然后利用V形块、小千斤顶等工具将作基准的中心线或某一平面调成水平，或将锻件压在方箱上调成垂直，锻件的其他加工界线都以此为基准进行测量和划线。划线基准有时与锻件图上的尺寸基准一致辞。划线基准选择得合理，可使划线方便、准确。

图15.6（a）所示是用划线法检验锻件错差的例子，先划出锻件上半部的中心线，再划出下半部的中心线，便可测量出错差?。图15.6（b）所示是用划线法测出连杆锻件大头及大头孔的偏移量。

二、锻件的机械性能检验

锻件的机械性能检查是按照锻件技术要求所进行的检验项目。一般重要的锻件需进行此项检验。 锻件机械性能检验的内容有：硬度试验、拉伸试验、冲击韧性试验、疲劳试验及高温蠕变试验等。 1、硬度试验

硬度试验是在锻件表面上用砂轮磨出一块光洁的试验平面，在硬度机上测试，得出硬度值HB或HRC的大小。硬度试验常在热处理工段进行。硬度试验是生产中最常用的，也是判断机械性能最简单的方法。 2、拉伸试验

拉伸试验用来检验金属材料的强度和塑性，是机械性能试验中最基本的方法。进行拉伸试验，必须在锻件上切取预留的试棒，制备好试件，在材料试验机上进行试验，以获得强度极限断面缩减率

?b、屈服极限?s、

?及延伸率

?等数据。

3、冲击韧性试验

进冲击韧性试验，也必须在锻件上切取预留的试棒，制备好试件，在冲击试验机上进行试验，以测出冲击韧性

?k的数据。受冲击载荷与振动载荷的零件，或在高温高速下工作的零件，一般需进行冲

击试验。

一些重要的大型锻件，或在特殊条件下工作的零件，根据技术要求还要进行疲劳、高温、蠕变等试验。

三、锻件内部质量检验

锻件内部质量检验的目的，是检验锻件内部的缺陷和组织状态。其检验方法有：磁粉检验、荧光检验、超声波检验、宏观（低倍组织）检验、微观（高倍组织）检验等。 1、磁粉检验

磁粉检验也称磁力探伤，可用来发现锻件表面层中微小的缺陷，如发裂、折叠、夹杂等。

磁粉检验方法是将模件置于两磁极之间，就有磁力线通过；若锻件有裂纹、气孔及非磁性夹杂等存在，则磁力线将绕过这些缺陷而发生弯曲现象；若缺陷在表面层，则弯曲的磁力线将漏到空气中，绕

过缺陷，再回到锻件内部。这种漏磁现象在漏磁部位产生一个局部磁极，如图15.7中

a、b两处所示。

当移去外加磁极后，局部漏磁磁极仍保持相当长的时间，如将磁粉撒在锻件表面，则磁粉被吸于漏磁处，就会堆积成和缺陷的大小、形状相似的痕迹，这样就能探测到锻件表层的缺陷。但如果缺陷较深，磁力线不漏到锻件表面之外，则无法产生局部漏磁磁极，也就不能吸引磁粉来显示锻件内的缺陷，如图15.7中

c、d两处所示。因此，磁粉检验只能显示出锻件表面上和表层一定深度处的缺陷，无法探查出过

深的内部缺陷；此外，磁粉检验也不能用来检验非铁磁性材料的内部缺陷。

图15.7 磁力线在锻件上的弯曲现象

磁粉检验时应使磁场方向和裂纹方向垂直。若方向平行，则不能产生局部漏磁磁极，或因磁极微弱难以显示缺陷。如图15.8（a）所示为试样纵向磁化，可以清晰显示横向裂纹；图15.8（b）为试样周向磁化，可以显示纵向裂纹。如果锻件上有不同方向的缺陷，则应使锻件受到两个垂直方向的磁化，以便检验出这些缺陷。

磁粉检验要求试件表面光滑，其表面粗糙度参数≤Ra1.6μm。 为了便于切削加工，磁粉检验后锻件还应进行退磁处理。

（a）纵向磁化

（b）横向磁化

图15.8 磁化方向与缺陷方向

2、荧光检验

对非磁性锻件的表层缺陷，可采用荧光检验，即荧光探伤。

荧光检验是用荧光液渗透到锻件裂纹中，借助显示剂在荧光探伤仪紫外线的照射下，锻件缺陷处便发出清晰的荧光。

荧光检验可以显示肉眼看不到的、宽度小于0.005mm的表面裂纹，适用于各种金属材料和不同大小锻件的检验。 3、超声波检验

超声波能迅速而准确地发现锻件表层以内的宏观缺陷，如裂纹、夹杂、缩孔、白点以及气泡的形状、位置和大小，但对缺陷性质不易判断，必须配合以标准试块、或积累经验进行推断。

超声波检验具有穿透能力大（探测深度可达10m）、灵敏度高、操作简单迅速、对人体无害等优点，同时能探测出缺陷的位置、形状和大小（但不能判断缺陷的性质），所探缺陷可小至1～2mm，目前已成为大型锻件内部缺陷的主要检验方法。

使用超声波探伤时，锻件的探测表面一般须具有表面粗糙度参数Ra3.2μm。

超声波检验是以石英转换器，将电能通过石英转化为相同频率的声能，以油或水层为介质，使声波射入锻件内部。如无缺陷，超声波穿透锻件后反射回来；如果在锻件内部碰到裂纹、夹杂等缺陷，则一部分超声波首先反射回来，而另一部分一直穿透到锻件的底部再反射回来。反射回来的超声波又通过石英转换器转换为电能，再通过接受、放大、检波输送到示波器的荧光屏上。荧光屏首先接到的是缺陷脉冲反射讯号，然后才接受到锻件底部反射回来的脉冲讯号。由这些讯号的比较，可判断锻件内的缺陷。

探测裂纹、夹杂等缺陷时，超声波穿透方向应与缺陷方向垂直，否则无缺陷讯号输出，如图15.9中的探头放在1的位置上，荧光屏上没有缺陷讯号。若探头处于2的位置上，则能接受到缺陷讯号。对于气孔，疏松之类缺陷，可以从四个方向进行探测。

图15.9 超声波检验示意图

4、锻件宏观（低倍组织）检验

宏观检验就是用肉眼或借助低倍放大镜观察锻件表面或截面上的缺陷，如裂纹、偏析、白点、非金属夹杂、过热和过烧等。生产中常用的检验方法有：酸蚀、断口、硫印等。

酸蚀检验是利用酸液将材料的宏观组织显示，可以检验锻件的流线、偏析、缩孔、空洞、白点、夹杂、裂纹等。酸蚀方法有热酸蚀和冷酸蚀两种。热酸蚀适用于中小型锻件或切片。热酸蚀时，一般钢锻件用1：1的工业浓盐酸水溶液，工作温度为65～80℃，浸蚀时间为10～30min.。

断口检验可以检验由于原材料有缺陷，或由于加热、锻造、热处理不当所造成的缺陷。断口检验

可直接观察锻件的断口，或从锻件切取试棒按YB46-64规定制备断口试样进行观察。

硫印检验是检验钢中硫化物杂质及其分布情况。方法是将试样用砂纸磨平并保持磨面潮湿，另将相纸浸入5%硫酸水溶液中约5min.，取出相纸贴到试样磨面上压紧，约3～5min. 后揭下相纸用水冲洗，经定影、晾干后，相纸上黑褐斑点即表示试样上硫的分布。 5、锻件微观（高倍组织）检验

微观检验是在光学显微镜下观察模锻件切片试样的组织状态和各种微观缺陷。试样切取部位及方向应符合检验的目的，并具有代表性。如检验金相组织、夹杂物和带状组织的伸长或破碎情况，应切取纵向试样；如检验脱碳、过烧、表面淬透层及渗碳层深度等，则应切取横向试样；如检验晶粒度，则可按YB27-59的规定切取试样。

可直接观察锻件的断口，或从锻件切取试棒按YB46-64规定制备断口试样进行观察。

硫印检验是检验钢中硫化物杂质及其分布情况。方法是将试样用砂纸磨平并保持磨面潮湿，另将相纸浸入5%硫酸水溶液中约5min.，取出相纸贴到试样磨面上压紧，约3～5min. 后揭下相纸用水冲洗，经定影、晾干后，相纸上黑褐斑点即表示试样上硫的分布。 5、锻件微观（高倍组织）检验

微观检验是在光学显微镜下观察模锻件切片试样的组织状态和各种微观缺陷。试样切取部位及方向应符合检验的目的，并具有代表性。如检验金相组织、夹杂物和带状组织的伸长或破碎情况，应切取纵向试样；如检验脱碳、过烧、表面淬透层及渗碳层深度等，则应切取横向试样；如检验晶粒度，则可按YB27-59的规定切取试样。

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