消除大型鍛件內(nèi)白點缺陷的工藝方法淺析

孟 陽，張國進

（西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710110）

1 鍛件白點的外觀特征和對鍛件質(zhì)量的影響

1.1 白點的外觀特征

白點是熱軋或熱鍛鋼坯的內(nèi)部缺陷，它通常在截面尺寸超過40mm 的型材和鍛件中出現(xiàn)。白點不暴露在軋材與鍛坯的表面，也不產(chǎn)生于心部疏松區(qū)，大多數(shù)情況位于金屬致密部分（軋材或鍛坯截面的中間地帶）。在調(diào)質(zhì)處理后的縱向斷口上，呈圓形或橢圓形的銀白魚斑點，直徑由零點幾毫米至數(shù)十毫米。在酸蝕后的橫向磨片上，白點表現(xiàn)為不同長度鋸齒狀發(fā)裂。白點這一裂面是順著鍛件的軸向排列的。小型鍛件中的白點，一般與夾雜物和偏析區(qū)（小型鍛件偏析絞弱）無明顯聯(lián)系，而在大鍛件中，白點住往位于或起始于偏析區(qū)，此處富集氫、碳、磷、硫與合金元素[1]。截面尺寸大的珠光體、貝氏體和馬氏體級鋼坯中有白點這種缺陷。一般地說，碳鋼較合金鋼不易產(chǎn)生白點，但碳鋼大型鍛件鍛后冷卻不當時，也常出現(xiàn)白點。

1.2 白點對鍛件質(zhì)量的影響

白點的存在會大大降低鋼的力學性能。力學性能降低的程度與試樣上白點的數(shù)量和位置有關(guān)。文獻[2]介紹了試樣上白點所占面積與力學性能的關(guān)系。沒有白點的試樣，拉伸強度極限σb=816MPa，延伸率δ=16.9%，斷面收縮率ψ=28.5%；白點面積為35%時，σb=500MPa，δ=3.2%，ψ=12%；白點面積為60%時，σb=250MPa，δ=1.8%，ψ=28%。試樣軸線與白點裂紋平行時，性能降低不顯著；而當它與白點裂紋垂直或成一定角度時，則強烈降低力學性能。

白點存在于鍛件中不僅導致力學性能降低，且在最終熱處理的劇烈淬火過程中，將逐漸擴大甚至有使鍛件完全開裂的危險。因而大鍛件的拉術(shù)條件明確規(guī)定，一經(jīng)發(fā)觀白點鍛件必須報廢。

2 白點形成原因與機理

在二十世紀初，首先在重軌鋼及鎳鉻鋼中發(fā)現(xiàn)白點，引起各國冶金工作者的重視，開展研究。幾十年來對白點產(chǎn)生的原因提出過許多假設(shè)，這里介紹引起重視的“原子氫—組織應(yīng)力”假設(shè)及其修正。

2.1 氫對材料力學性能的影響

據(jù)研究即使鋼中沒有白點，但氫含量增加時，一般拉伸試驗測得的塑性指標（延伸牢、斷面收縮率）明顯下障，而強度指標沒有變化，過個現(xiàn)象稱為氫脆。

含氫量（當其在0.9 厘米2/100 克以上時）對室溫下常規(guī)力學性能的影響見圖1 及圖2[3]。由圖2 可以看出，鍛件截面不同位置的塑性與該處的氫含量有對應(yīng)關(guān)系，氫含量高處鋼的塑性低，但屈服極限與沖擊韌性無此對應(yīng)關(guān)系。

圖1 60CrNi 鋼鋼坯斷面上性能與氫含量的關(guān)系實線為原始狀態(tài)，虛線為回火后

640～660℃長時間（60h）回火后氫含量減少且沿截面分布均勻后，塑性也增加且分布均勻。氫含量高到一定數(shù)值后（如圖2 中距表面200mm 處氫含量為4 厘米2/100 克），塑性實際近乎完全喪失。大鍛件的橫向試樣的塑性，當氫含量超過2 厘米2/100 克時，就幾乎完全喪失。

圖2 氫含量對氫跪的影響（原始值Ψ 與δ 為100%）

2.2 白點形成機理：“原子氫—組織應(yīng)力”假設(shè)

文獻[4]介紹，氫和組織應(yīng)力是鋼中白點形成的主要因素。氫的作用是使鋼的塑性降低，超過某一含量時鋼完全喪失塑性（這個氫臺量對不同鋼種與不同組織狀態(tài)是不同的），如果鋼中氫含量高，因而塑性小，則不能靠塑性變形來緩和熱壓力加工后快冷時發(fā)展的應(yīng)力（主要是組織應(yīng)力），于是產(chǎn)生內(nèi)部裂紋—白點。

文獻[5]對上述假設(shè)作了如下修正與補充：氫可以引起局部脆性，在有足夠破壞性力量時，脆性部分（氫含量高都分）就可以在鋼中形成白點，這個破壞性力量可能是原子氫轉(zhuǎn)變?yōu)榉钟跉洚a(chǎn)生的壓力、組織應(yīng)力及其它因素產(chǎn)生的應(yīng)力。這些破壞性力量可的合在一起，也可能單獨發(fā)生作用。應(yīng)力不足時，在脆性部分可能暫不開裂，待原子氫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿託湓黾恿藟毫r，才使脆性部分開裂—產(chǎn)生白點。這就是“原子氫—組織應(yīng)力”假沒。

白點形成的原因已較清楚，那么它的形成機理卻仍有爭議。Lacombe 等發(fā)展的電子自射線顯微照相術(shù)所征實[6]：氫原子井非統(tǒng)一地均勻分布于α-Fe 中，而是富聚于位錯附近晶格的彈性拉伸區(qū)。Брайнин 從“應(yīng)力作用下氫原子與位錯相互作用”這一角度分析白點形成的機理[7]，即：內(nèi)應(yīng)力使位錯在亞晶界匯集井構(gòu)成亞顯微裂口——斷裂沉，熱變形鋼坯冷卻與靜置時亞顯微裂口內(nèi)充滿著自固溶體脫溶的氫原子，它們結(jié)合成氫分子。貯存于亞顯微裂口內(nèi)的氫分子對裂口壁產(chǎn)生很大的壓力，此壓力垂直于裂口壁（圖3）。壓力的水平分量QX 在裂口頂端作用一彎矩MX。從而在裂口頂端晶格彈性區(qū)產(chǎn)生一附加拉伸應(yīng)力。此拉伸應(yīng)力引起氫原子的上升擴散，使裂口頂端固溶體富氫，此局都地區(qū)高濃度氫導致氫分予的形成并引起很大的應(yīng)力，以及引起鋼的變脆。于是亞顯微裂口發(fā)展成為白點。

圖3 應(yīng)力作用下位鍺匯聚與氫富聚處自點形成示意圖（圖中為三個位鍺的匯合）

通常只注意了應(yīng)力的力學作用，忽略了應(yīng)力造成位錯的匯集及激發(fā)氫的上升擴散。原始狀態(tài)無白點但氫含量偏高的鋼試樣，在拉伸試驗中，產(chǎn)生所謂撕裂性白點（或稱白斑），可作為應(yīng)力引起氫重新分布與聚集的證據(jù)。

3 影響白點形成的因素

從前面的討論可知，氫是影響白點形成的首要因素。鋼中氫含量增加，白點敏感性增加。一般認為鋼中氫含量低于2～3 厘米2／100 克時，鍛件沒有白點敏感性，這個數(shù)值稱為不產(chǎn)生白點的極限氫含量。極限氫含量下是一個確定的數(shù)值，它與合金化程度、鍛件尺寸、偏析嚴重程度有關(guān)。小型鋼錠鍛制的鍛件及無鎳低錳優(yōu)質(zhì)鋼（偏析小、晶粒細）鍛制的鍛件，極限含氫量比上述數(shù)值高；而對有明顯偏析的大鍛件及含有鎳、錳，尤其是同時含有鉻的合金鋼的大鍛件，極限含氫量比上述數(shù)值低些。

其次是應(yīng)力。熱變形后立即進行彎曲的鋼坯冷卻后，在鍛件拉應(yīng)力區(qū)存在白點，而在壓應(yīng)力區(qū)卻沒有白點。顯然，這與氫在應(yīng)力作用下重新分布有關(guān)。組織應(yīng)力對白點形成的影響，表現(xiàn)為混合組織（馬氏體和貝氏體或馬氏體和索氏體混合組織）比單一組織更易出現(xiàn)白點，這是因力前一種組織狀態(tài)有比較大的組織應(yīng)力。

第三是偏析。生產(chǎn)經(jīng)驗表明由鋼錠上段鍛制的鍛件（或鍛件的一部分）比由下段鍛制的鍛件（或鍛件的一部分）白點敏感度高.這首先是由干氫的偏析，使鋼錠上段氫合量超過下段。此外，偏析區(qū)含有較多的雜質(zhì)、碳與合金元素，因此奧氏體的穩(wěn)定性也高，這樣在鍛件冷卻過程中先行轉(zhuǎn)變部分析出的氫部分地為偏析區(qū)的奧氏體所溶解。偏析區(qū)的奧氏體將在較低溫度下分解，這時析出氫便產(chǎn)生壓力并與組織應(yīng)力（由于偏析造成的轉(zhuǎn)變差別此應(yīng)力顯然要增加）綜合在一起，使偏析區(qū)中（或其周圍）變脆（由于雜質(zhì)及氫合量較高）了的α-Fe 開裂—產(chǎn)生白點。

第四是鋼的化學成分。鋼中含碳量增加時，白點敏感性增加。合碳低于0.2%的碳鋼白點敏感性非常低，合碳高于0.3%鋼的白點過感性顯著增加。35 號堿性鋼直徑400mm～500mm 鍛件鍛后坑冷在許多情況下發(fā)現(xiàn)白點，而40、50 號鋼直徑200mm～300mm 鍛件鍛后空冷常常出現(xiàn)白點。在結(jié)構(gòu)鋼范圍內(nèi)，鎳、錳增加鋼的白點敏感性。鉻在4%范圍內(nèi)合量增加時也提高鋼的白點敏感性。鉬加入鉻鋼或鎳鉻鋼中，可減少白點敏感性。鎢在2%以下對白點敏感性無明顯影響。釩、鈦、鈮可降低鋼的白點敏感性。

4 消除大鍛件產(chǎn)生白點的措施

4.1 控制原材料中原始氫含量

氫的存在是鍛件產(chǎn)生白點的最主要因素，那么降低鋼錠中原始氫含量就是防止白點最積極最有效的措施，盡可能降低鍛件中氫含量和非金屬夾雜物控制冶煉是達到這一目的的最佳方法。通常做法有:①使用經(jīng)嚴格烘烤的干燥的氧化劑、造渣材料和鐵合金；②強化氧化期沸騰操作，去氣除雜；③澆注時使用優(yōu)質(zhì)耐火材料制成的澆注系統(tǒng)，要求清潔、干燥，防止氣體和夾雜物進入鋼水；④采用真空處理、真空澆注和爐外精煉等技術(shù)，可收到良好的去氫除雜的效果[8]。

4.2 用鍛造方法去氫與防止白點產(chǎn)生

（1）從工藝角度考慮采用降低自點敏感性的鍛造壓實方法，例如走扁方鍛造方法縮短了鍛件心部至表面的距離，增大了鍛件的相對面積，使氫容易析出，降低了鋼的白點敏感性。

（2）盡量在高溫下鍛造，高溫下鍛造時，可使擴散過程顯著加快。即通過熱擴散和機械擴散的增加，增大了均勻化程度，部分消除了偏析，也可降低白點的敏感性[9]。

4.3 用熱處理方法去氫與防止白點產(chǎn)生

鍛件鍛后（或奧氏體化后）盡快地、充分地由奧氏休分解為鐵素體—碳化物混合物，不僅有利于氫的脫溶與擴散，而且有利于晶粒的調(diào)整與細化。為此應(yīng)根據(jù)鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線，并估計到鍛件偏析的存在，確定鍛件防止白點的鍛后冷卻和熱處理工藝規(guī)范，常用的有等溫冷卻、起伏等溫冷卻及起伏等溫退火等。防止白點的熱處理曲線和奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的關(guān)系如圖4 所示。

圖4a 適用于白點敏感性較低的碳鋼和低合金鋼。這類鋼在C 曲線的鼻尖附近保溫，可以使奧氏體在最短時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闅淙芙舛刃《鴶U散系數(shù)又較大的珠光體。一般在620～660℃等溫處理，保溫時間按截面每100mm1～1.2h 計算保溫，以后緩冷。

圖4 防止白點熱處理與奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的關(guān)系

圖4b 適用于白點敏感性較高的小截面合金鋼鍛件。這類鋼C 曲線有兩個鼻子尖，在珠光體變區(qū)奧氏體很穩(wěn)定，需要保溫很長時間才能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。而在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)、奧氏體能很快地轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，如34CrNi3Mo 在600～620℃下過冷，奧氏體需保溫15min 以后分解為珠光體，完全分解要在15h 以上。而在280～320℃只需16min 就有95%分解為貝氏體，因此采用280～320℃下過冷，使奧氏體迅速過冷到貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。在過冷溫度下保溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，然后升溫到580～660℃，提高氫在a 相中的擴散能力，以利于去氫。

圖4c 適用于白點敏感性較高的大截面合金鋼鍛件。與圖4b 工藝不同的是鍛件冷卻后還需重結(jié)晶一次。這是由于鍛造時，不同截面的鍛造溫度變化很大，變化程度也不一樣，還有局部過熱現(xiàn)象存在。造成鍛件晶粒粗大，存在較大的殘余應(yīng)力。由于鍛件各部分晶粗大小不一，過冷奧氏體的穩(wěn)定性也不一樣。當過冷到280～320℃時各部分奧氏體的轉(zhuǎn)變就不一致，導致較大的組織應(yīng)力，這種組織應(yīng)力和鍛造殘余應(yīng)力以及氫氣析出過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，綜合起來就會增大鍛件的白點敏感性。正火重結(jié)晶可減少鍛件的殘余應(yīng)力、細化晶粒，并減少過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使氫在整個截面分布均勻化，保證奧氏體迅速地同時轉(zhuǎn)變、降低鍛件的白點敏感性。除上述減少組織應(yīng)力之外，還應(yīng)防止產(chǎn)生冷卻應(yīng)力。要求等溫保溫后緩慢冷卻，這樣不僅使氫擴散得充分，更重要的是防止較大的溫度應(yīng)力產(chǎn)生。