钢锭的结构及缺陷对锻件质量的影响
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摘 要：钢铁锻件生产过程中环境友好成型技术要求对环境污染小、材料消耗少、生产成本低。文章结合钢锭在凝固过程中形成的结构特点及组织缺陷，从偏析和夹杂缺陷及防治措施、气体和气泡缺陷及防治措施、缩孔和疏松缺陷及防治措施等方面论述了钢锭的结构及缺陷对锻件质量的影响。
关键词：钢锭；缺陷；锻件质量
前言
随着现代机械装配制造业的发展，金属材料锻件的环境友好成型加工技术正在受到越来越多的重视。环境友好成型要求在金属材料锻件生产过程中具有对环境污染小、材料消耗少、生产成本低的技术优势[1]。钢锭是由冒口、底部、锭身组成。钢锭表层为细小等轴结晶区，向里分别为柱状结晶区、枝状结晶区，心部为粗大等轴结晶区。大铸锭下料属于自由锻，用自由锻方法进行开坯，将锭料两端切除，按一定尺寸将坯料分割[2]。锻造生产的发展总趋势是使锻件形状、表面质量、尺寸最大限度与产品相接近，以到少、无切削加工的目的。发展精密锻造成形技术，发展高效的锻压设备有利于锻件质量的提高。为适应大批量生产的需要，应发展专业化的连续生产线，利于进行技术改造及采用先进工艺，提高锻件的内在质量，提高锻造生产的机械化、自动化水平。钢锭的结构及缺陷对锻件质量影响较大，减少钢锭缺陷有利于较少锭料两端切除量，增大材料利用率，节约钢材，保护环境，促进锻造行业可持续发展。
1 钢锭的结构特点及组织缺陷
在锻造生产中，钢锭是大中型自由锻件的原材料。钢锭是在金属模具中冷却凝固而成，锭模内的结晶条件影响钢锭内部组织结构，钢铁材料结晶的动力学条件和热力学条件影响材料组织结构。在钢锭形成过程中，浇入金属模中的钢液受到低温金属模壁的冷却，形核率增大，在表层形成细小的晶粒区。受到金属模中金属液体流动的影响，金属液体在金属模中各处的传热条件和冷却很不均匀，在垂直于金属模壁方向热传导块，导致钢锭的内部化学成分、金属结晶组织、以及结晶后钢锭中非金属夹杂物分布也不均匀。比重较大的非金属夹杂物沉积在钢锭下部。钢锭的内部缺陷受到其在冒口、底部，或者中分布规律影响。锻件生产中将缩孔集中的冒口区在锻造中予以切除，作为废料处理；锻件的质量要求防止遗留在锻件内部冒口而使锻件成为废品。根据钢锭材料不同，溅疤等缺陷较少，偏析、缩孔等缺陷较多，疏松，裂纹等缺陷随着钢液成分而定。这些缺陷的性质、特征及其分布特点对钢锭的锻件质量和锻造工艺都有影响。
2 钢锭常见组织缺陷及防治措施
2.1 偏析和夹杂缺陷及防治措施
钢锭在凝固过程中形成的在晶粒大小范围内化学成分的不均匀性称为枝晶偏析；钢锭在凝固过程中形成的钢锭在宏观范围内的不均匀性称为区域偏析。枝晶偏析和区域偏析是由于钢锭凝固过程中的选择性结晶、密度差异、溶解度变化、钢液流速不同造成的。钢液中分布不均匀的化学元素受到固-液两相选择性结晶作用、溶解度发生变化、结晶过程的差别受到不同温度梯度的影响，使得钢锭从表层到心部，从底部到上部凝固过程中宏观结构和组织变化。各种化学反应不均匀和引起钢锭成分在微观区域的分布不均，偏析造成力学性能不均匀形成裂纹缺陷。减轻钢锭生产中偏析和夹杂缺陷的防治措施有对熔炼技术进性改进，应用真空浇铸新技术；应用控制凝固条件新技术；应用加冒口发热剂新技术。对于枝晶偏析微观区域的分布不均可以通过高温扩散退火得到消除；区域偏析很难通过热处理方法消除，对于反复锻造拔变形工艺有利于其化学成分均匀化。
钢锭中不溶解于金属基体的非金属化合物称夹杂。硫化物、氧化物、硅酸盐等是常见的非金属夹杂。非金属夹杂有的在冶炼和浇注时形成，有的钢液中硅酸盐耐火材料、砂子等夹杂物，有的是化学反应产物形成的夹杂；非金属夹杂常分为内在夹杂和外来夹杂。夹杂是一种异相质点，大多数硬度高、脆性大，夹杂物破坏了金属基体的连续性，在夹杂物与金属基体界面处容易产生应力集中，导致显微裂纹，降低锻件疲劳强度，对锻造工艺过程和锻件质量均有不良影响。低熔点夹杂物在锻造时由于在晶界产生液相会引起热脆现象；硬度高、脆性大夹杂会降低材料锻造性能，降低锻后零件的力学性能。钢液在浇注前静置钢包有利于改善夹杂；防止钢液二次氧化有利于改善、减少夹杂；对冒口渣壳和保温帽予以保护利于防止其异质点落入锭身，改善夹杂；采用先进工艺设备优化浇注工艺有利于改善、减少夹杂[3]。
2.2 气体和气泡缺陷及防治措施
钢液温度高，流动性大，溶解有大量的氢、氮、氧等元素。不同的气体元素在钢液中的溶解度不同，钢液在冷却过程中气体元素在钢液中的溶解度变化较大，造成大量的气体析出，一些气体仍然残留在钢锭内部或皮下形成气泡。钢锭内部的气泡只要不是敞开的，均可以通过锻造使得气体锻合，但皮下气泡容易引起裂纹。氧气、氮气、氢气是在钢锭中常见的残存气体。氧气、氮气在钢锭中形成氧化物和氮化物等钢锭内部夹杂。氢气在钢中的含量超过了一定极限值形成白点，产生氢脆缺陷，降低钢的塑像。预防气体和气泡的措施是净化钢液，加强保护，优化熔炼工艺和浇铸工艺。
2.3 缩孔和疏松缺陷及防治措施
钢锭在凝固的过程中发生液态收缩、凝固收缩、固态收缩。如果得不到钢液补充，凝固收缩后期，钢锭内部某些地方形成空洞。在钢锭头部的轴心区域凝固最迟，缩孔缺陷就是因为没有钢液补充而造成。锭模结构影响缩孔的大小，钢锭浇注工艺影响缩孔的位置。二次缩孔是由于锭模不适当使得缩孔深入到锭身内部形成。正因为如此，为了防止锻件的内部裂纹，锻造时缩孔集中的冒口区在锻造中予以切除，防止因为缩孔不能锻合而造成锻件的内部裂纹，导致有缺陷锻件而报废。显微孔隙是由于钢液最后凝固在晶粒间收缩，钢液凝固过程中析出气体构成。疏松和针孔是显微孔隙大小、分布不同所致。疏松破坏了金属材料基体的连续性，降低材料的力学性能。将缩孔集中的冒口区在锻造中予以切除是预防缩孔和疏松的措施；采用大锥度锭型有利于减少缩孔和疏松；应用绝热性的保温帽延缓冒口顶部的金属凝固时间，有利于钢液的补充，减少缩孔；合理的浇注速度、较高的浇注温度也有利于减少缩孔和疏松。减少钢锭常见组织缺陷，加强防治措施对提高锻件质量，减少浪费，节约钢材具有重要的现实意义。
参考文献
[1]高宝宝，解念锁.金属材料环境友好成型加工技术研究[J].科技创新与应用，2016（10）：43-44.
[2]闫洪.锻造工艺与模具设计[M].北京：机械工业出版社，2016.
[3]解念锁.结合材料工程专业特点培养学生环境意识[J].机械管理开发，2007（5）：144-146.