大型鍛件一般用鋼錠直接鍛造成形,由于鋼錠內存在大量鑄造缺陷,如偏析、疏松、夾雜等,而且鋼錠越大,缺陷越嚴重,這給鍛造生產帶來了極大的困難。在這種情況下,如何保證鍛件的質量和性能則是這類鍛件生產的關鍵。因此,大鍛件鍛造的任務不僅是要得到一定形狀和尺寸的鍛件,更重要的事通過鍛造工藝破碎鋼錠的鑄態組織,焊合鋼錠內部的疏松、裂紋、氣孔等缺陷,改善第二相化合物及非金屬夾在物在鋼中的分布,以提高其力學性能。
對于大型軸類鍛件,首先要鍛合內部空洞型缺陷,防止新的裂紋產生,以滿足超聲波探傷的技術要求;其次要滿足鍛件對力學性能的不同要求。
鍛造變形對軸類鍛件力學性能異向性的影響。
鍛造鋼錠時,當樹枝晶沿著主變形方向變形的同時,晶界上夾雜物和化合物的形態也隨著發生變化。其中脆性的硅酸鹽、氧化物、碳化物和氮化物等在變形是被破碎,順著金屬主變形方向伸長,呈帶狀分布,形成纖維組織(或稱流線)。大多數類型的雜志和化合物再結晶后,沿主變形流動方向的分布不發生改變,而使金屬組織具有一定的方向性。
形成金屬纖維組織的內因是金屬內存在雜質和化合物等,外因是金屬沿某一方向有足夠大的變形程度(鍛比)。當只有拔長操作是,在鍛比大于2時便可能出現纖維組織。如先鐓粗后拔長,鍛比要達到4以后才能出現纖維組織。變形程度越大,纖維方向越明顯。
纖維組織的出現,使金屬的性能在不同方向上有明顯的差異。即各向異性,一般地,沿著纖維方向的力學性能優于垂直纖維方向的力學性能。鋼錠鐓粗時,由于金屬沿徑向流動,結果形成徑向纖維。隨著鐓粗比的增大,沿纖維方向(即徑向)的力學性能得到提高,而垂直纖維防線(即軸向)所有性能降低。
所以,縱向性能要求較高的鍛件,最好采取直接拔長成形。如果鍛件縱向和橫向性能都要求較高,則應采取鐓粗和拔長結合的工藝成形,即先鐓粗50%,然后進行拔長。與單一拔長相比,雖然縱向性能指標有些下降,但橫向性能提高,結果鍛件的異向性減小。如果鍛比大于指定范圍,隨著拔長鍛比增大,鐓粗提高橫向力學性能的效果將逐漸消失。當鋼錠拔長鍛比已經大于5時,想通過鐓粗來提高切向力學性能是徒勞的。對于同一軸類鍛件而言,鐓粗只會使拔長鍛比增大,其結果是鍛造纖維組織更加明顯,造成切向性能進一步惡化。一般情況下,鐓粗鍛比和拔長鍛比大致相等時,鐓粗可以明顯地提高軸類鍛件的切向性能。
由此可見,流線在鍛件中的分布狀況,直接影響著力學性能的異向性。而鍛件的流線分布又取決于鍛造的變形工藝。因此,在制定鍛件的鍛造變形工藝時,應根據零件的受力和破壞情況,正確控制鍛件的流線分布。
對以軸向受載為主的鍛件,如水壓機立柱,在鍛造時,要形成以軸向纖維為主的纖維流向;對以切向受載為主的鍛件,如扭力軸,在鍛造時,要形成以徑向纖維為主的纖維流向;對于受力比較復雜的鍛件,如汽輪機轉子、電機主軸等,考慮到它們對各方向的性能都有要求,因此鍛件不能形成明顯的纖維流向。