大锻件内非金属夹杂物的形成及防止措施

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1、非金属夹杂物的形成

非金属夹杂物是一种最常见的钢的内部缺陷，主要由炼钢原材料中的硫化物、硅酸盐及其它氧化物构成，它的含量和分布与冶炼和浇注过程有关。非金属夹杂物在钢中分布不均匀，常朝着钢锭底端集中，且靠近钢锭中心线。非金属夹杂物如图1所示。

碱性炼钢时钢中加入脱氧剂硅、锰、铝后形成硅酸锰、铝酸盐、氧化铝等氧化物和硫化锰。硅酸锰和铝酸盐与渣液中的氧化钙进一步反应产生新的化合物，构成非金属夹杂物。在金属熔炼和浇注时，耐火材料或砂子等外来夹杂物落入钢液，也会产生化学反应形成非金属夹杂物。钢在炉中炼成后，钢液从出钢槽注入钢水包，微细的夹杂物混入钢水或钢水在空气中注入钢锭模，或由于出钢槽壁及钢水包壁不干净均会产生非金属夹杂物。各种形式钢锭的冒口都是用耐火材料制成，也是非金属夹杂物的来源。在出钢和最终脱氧以后不久，就能在金属中发现均匀分布的悬浮物，其90％为5μm的非金属夹杂物。

非金属夹杂物的含量、种类、大小、分布状况诸因素中以其大小和分布对锻件性能影响最大。从锻件断裂处分析可知非金属夹杂物多呈链状或团状存在，严重影响钢的使用性能。

2、非金属夹杂物的特性

合金元素和引起变质作用的介质都能显著地改变钢和夹杂物的组成及其特性。氧化铝、尖晶石和铝酸钙等夹杂物存在于钢内各种氧化物夹杂中，在压力加工时不容易变形，在其四周往往频繁地出现微型裂纹。铝酸钙最为有害，其次为氧化铝，再其次是尖晶石和氮化钛，硅酸盐及氧化铁影响不大。某些硅酸盐和少量的硫化物对钢锻件也不会产生明显的不良影响。它们的塑性好，可以产生塑性变形，不会使成品产生裂纹。特别是当钢中存在氧化物的时候，硫化物还可以减少氧化物的有害影响。如果是氧化物夹杂或氧化物-硅酸盐夹杂则较脆，在切削加工时易破碎在钢件表面留下小而尖的凹坑。当零件在恶劣的运转条件下会产生连续断裂。

如15t 的34CrMo钢锭在锻造过程的中间工序产生裂纹，很大程度上是由于晶界上分布低熔点夹杂过多，例如硫化物过多，锻造时容易产生热脆现象，致使裂纹不断扩大，从而降低了钢的锻造性能。有时马氏体内也含有非金属夹杂物，一般非金属夹杂物都是在压应力下形成的。因为奥氏体在转变时体积膨胀，致使非金属夹杂物处于拉应力状态，也有人把这种非金属夹杂视作奥氏体的转变晶种。

在自由锻时如果砧宽比和料宽比不符合要求，则在非金属夹杂物处会发生裂纹。因为当砧宽比和料宽比不符合要求时，在变形体内产生轴向和横向拉应力，在晶界或晶界薄弱处形成新的裂纹源。当自由锻锤击一个周期后翻转90°，沿锻件长度方向继续拔长第2个周期时，可能料宽比远大于1，再加上砧宽比控制不当，就有可能在变形区的水平对称面附近产生剧烈的剪切变形，萌生层状横向裂纹源。前一个锻造周期中出现的纵向裂纹和翻转90°后萌生的层状横向裂纹源，可能都在毛坯内部的同一位置和同一方向，反复若干个周期变形后，有可能在锻件内部形成裂纹。某厂对常规锻造5CrNiMo钢模块的垂直长度中心线处切取试片进行低倍和高倍检测。在横向有一长约5mm 的断续裂纹。如图2a所示裂纹产生于氧化物夹杂处。裂纹尾端比较尖锐，沿晶界分布如图2b 所示的放大图。由此可见，如没有拉应力锻件内有无夹杂物都不会产生裂纹；如有拉应力，锻件内无夹杂物也可能会产生裂纹。