锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响

为获得良好组织性能的锻件，除了需要保证良好的原材料质量外，还需要有合理的锻造工艺过程和热处理工艺。

锻造工艺过程一般有以下工序组成，即下料、加热、成形、锻后冷却、酸洗（腐蚀）及锻后热处理。成形工序包括自由锻、模锻、切边和校正；自由锻包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲及扭转等；模锻包括拔长、滚挤、预锻、终锻和顶镦等。

从上述工序来看，锻造工艺过程对锻件组织和性能的影响，最终可以归结为热力学因素的影响。

所谓热力学因素就是指变形温度、变形速度、冷却速度和应力状态等等。

选择合理的热力学因素，可以通过下列几方面来改善原材料的组织：

1．打碎柱状晶，改善宏观偏析，把铸态组织变为锻态组织，并在合适的温度和应力条件下，焊合内部孔隙，提高材料的致密度；

2．铸锭经过锻造，形成纤维组织，进一步通过轧制、挤压、模锻、使锻件得到合理的纤维方向分布；

3．控制晶粒的大小和均匀度；

4．改善异相（如：莱氏体钢中的合金碳化物）的分布；

5．使组织得到形变强化或形变—相变强化等。

由于上述组织的改善，使锻件的塑性、冲击韧性、疲软强度及持久性能等也随之得到了改善，然后再通过零件的最后热处理就能得到零件所要求的硬度、强度和塑性等良好的综合性能和组织。

以下具体讨论热力学因素对锻件组织性能的影响。

1.变形温度的影响

锻造加热不仅是为了保证锻造成形时有良好的塑性和低的变形抗力，而且对锻后的组织和性能也有很大影响。对钢而言，由于锻造时的加热温度一般皆比零件的最终热处理温度高，因此高温下的晶粒大小及随后的组织转变对锻件的质量会带来一定的影响。而不合适的加热温度总是给锻件造成种种缺陷。

若加热温度过高和加热时间过长，会引起脱碳、过热、过烧（尤其是高合金钢及含Si钢最易脱碳），如：合金结构钢产生过热断口，马氏体不锈钢出现δ铁素体，奥氏体不锈钢出现铁素体，9Cr18轴承钢碳化物沿孪晶线析出，耐热合金出现晶粒粗大，钛合金出现β组织粗化等。而渗碳钢的锻造过热，则使渗碳后出现粗大马氏体和网状碳化物。上述各种组织缺陷使锻件的机械性能特别是韧性和疲劳性能下降。

锻造加热温度对α+β钛合金组织和性能的影响特别明显。锻造温度对α+β钛合金β晶粒大小和室温机械性能的影响，若加热温度过低，不仅易引起变形不均，使耐热合金及铝合金淬火加热后易出现粗晶或晶粒粗细不均现象，使亚共析钢形成带状组织，而且在锻造时还会引起各种形式的裂纹。

2.变形程度和变形方式的影响

钢锭的锻比是影响锻坯机械性能的主要因素。锻比对钢锭中的孔隙度、非金属夹杂物和韧性的影响，韧性开始有一定增加，然后逐渐减少，其原因是由于形成了纤维组织的结果。有纤维组织的钢材继续变形时，由于纤维分布发生了改变，纵、横向的性能也随之而改变。沿钢材原来纤维方向的横向和纵向压缩时性能指标发生变化的情况。热挤压的铝合金棒材的韧性具有很明显的方向性，纵向韧性最大而横向韧性最小。如果模锻时产生横向或侧向流动，则横向韧性能得到改善。

采用合适的锻造工艺，可以使金属纤维沿零件的最大受力方向分布。流线均匀而连续地沿锻件的外形分布，能使锻件的机械性能特别是疲劳性能和抗应力腐蚀性能得到提高。

最终成形工序的变形程度是影响锻件晶粒度的重要因素，这对于无同素异构转变的材料更是如此。当最终工序的变形量处于临界变形区时，锻件的晶粒特别粗大，其机械性能下降。一般来说，变形程度大于临界变形，可以获得细小晶粒。但是，变形程度过大所引起的织构现象，将使铝合金锻件产生粗大晶粒；某些高温合金锻件因变形程度过大，使晶界碳化物破碎，也可能出现粗大晶粒。

采用反复镦拔的变形方式（单向镦拔，十字镦拔、双十字镦拔）和足够大的变形程度可以达到如下目的：

①细化和均布高速钢、铬12型钢、3Cr2W8V钢中的碳化物，提高其使用性能；

②消除铝合金、钛合金中组织和性能的方向性，提高组织和性能的均匀性。

3.变形速度的影响

一般来说,提高变形速度将使可锻性降低,即使金属的塑性下降,变形抗力增加。

变形速度还将影响到锻透性。在大变形程度下，变形速度越小，则锻透性越好，越有利于晶粒细化和再结晶的进行，因而也有利于工艺塑性的提高。

4.加热速度的影响

对于断面尺寸大及导热性差的坯料，若加热速度太快，保温时间太短，往往使温度分布不均匀，引起热应力，并使坯料发生开裂。如：高合金钢、高合金工具钢、高温合金等钢锭和锻坯常常因加热不当发生开裂。坯料温度不均，还会引起变形和组织不均，产生附加应力，造型内部开裂等。

5.冷却速度的影响

冷却速度不当，往往使锻件产生热应力、组织应力及第二相的析出。马氏体不锈钢、莱氏体钢（高速钢和铬12型钢），若锻后冷却速度过快，往往由于马氏体组织转变引起组织应力，造成锻件表面开裂。但是，有些材料锻后缓冷，将有第二相沿晶界析出，引起性能下降。如：轴承钢锻后缓冷将沿晶界析出碳化物等。

6.应力状态的影响

应力状态对可锻性和金属流动有一定影响。三向压应力状态可以提高金属的塑性，但使变形力增加。这是由于压应力能阻止晶间联系的破坏，有利于晶内滑移变形的发展。作用于滑移面上的平均压应力，提高了材料塑性变形能力。