锻造比大小对锻件锻造效果的影响

乔磊徐晶靳茂林

摘要：解释了锻造比的含义，介绍了锻造比的计算方法，阐明了锻造比大小对锻件锻造效果的影响，针对不同情况提出了合理确定锻造比值的方法。

关键词：锻造比；锻造效果；塑性变形；变形程度；临界变形程度

1前言

锻件是机械产品的重要组成部分。大型锻件是各项事业发展所必需的各种大型设备、装置中的主要基础零部件，发挥着关键支柱作用。中小型锻件毛坯优先采用满足内部质量要求的锻材或轧材作为原材料锻造成形。

锻造效果主要有两个。一是成形；二是改善锻件内部质量，即破碎铸态组织，细化晶粒、均匀组织；锻件理想的锻造效果概括为：内部质量高、形状尺寸精。在锻造中原材料的塑性变形不仅是成形的必要前提，而且也是改善锻件内部质量的必要条件。锻件毛坯实际生产中采用锻造比来规定和衡量塑性变形程度的大小。锻造比大小对锻件锻造效果及力学性能有着重要影响。

2锻造比的含义

锻造比是锻件在锻造成形时变形程度的一种表示方法，通常用锻坯变形前后的横截面面积之比、长度之比或高度之比来表示。锻造比不仅是表示锻造塑性变形程度的一个几何参数，而且是影响锻造效果及力学性能的一个重要物理参数。锻造比是衡量锻件质量的一个重要指标。

3锻造比大小对锻件锻造效果的影响

锻造比大小反映了锻造变形程度对锻件组织及力学性能的影响规律。一般规律是，锻造变形过程中随着锻造比增大，由于内部孔隙焊合、铸态树枝晶被打碎，锻坯的纵向和横向力学性能均得到明显提高；当锻造比超过一定数值后，锻坯内部由于形成纤维组织，横向塑性指标、韧性指标急剧下降，最终导致锻件性能出现各向异性。锻件毛坯经过适当锻造比值的锻造成形可使原材料内部缺陷充分锻合，获得致密的组织、细化的晶粒。这是锻件经过热处理工序达到良好的综合性能的基础。

3.1锻造比对晶粒度的影响

钢锭经过适当锻造比值的高温锻造，破碎了粗大的初生树枝状晶体；同时，由于钢的高温锻造是在再结晶温度以上进行的，在此期间，发生动态恢复和动态再结晶，产生新的较细小的晶粒。

锻件的晶粒大小和均匀性取决于变形温度、变形程度和变形的均匀性。在一定锻造温度下，存在着一个临界变形程度范围。当锻造时，若实际发生的锻造比值所表示的变形程度处于这个临界变形程度范围内，则锻件再结晶后的晶粒比较粗大。所以锻造时，只要变形均匀，终锻温度合适，特别是锻坯在最后一火时实际达到的锻造比值合理，使其变形程度不在临界变形程度范围内，锻件便能获得均匀细小的晶粒组织。如果把粗晶细化问题留给了热处理工序解决，不但耗费工时、增加成本，而且对于某些从高温冷却至室温时不发生相变的钢种，如奥氏体型、铁素体型不锈钢和耐热钢锻件，因不能通过热处理方法细化和均匀晶粒而无法实现，所以只能依靠合理的锻造变形工艺来达到细化和均匀晶粒的目的。

通常在850～1200℃的锻造温度范围内，钢的变形程度必须大于20％，才能使锻件再结晶后获得较细小的晶粒。钢在高温变形时，变形速度慢的其临界变形程度范围比变形速度快的要宽。

综合一些实验结果，碳素钢和合金钢的临界变形程度范围列于表1。

表1钢的临界变形程度范围（％）

3.2锻造比对金属组织的影响

钢锭锻造达到一定的锻造比值时，铸态组织的树枝状晶粒便被击碎，并沿主变形方向变形伸长。同时，聚集在晶界的碳化物、非金属夹杂物和其它过剩相的形态也发生了改变。其中碳化物、脆性硅酸盐、氧化物等塑性较差，在压力加工后不变形或略有变形，易破碎，常沿锻坯延伸方向呈不规则的点状或细小块状聚集，呈带状或链状分布；塑性硅酸盐和硫化物有较好的塑性，便随晶粒一同变形，沿着主变形方向被拉长，呈条带状或纺锤状。多数晶界过剩相的这种分布，在晶粒再结晶后也不会改变，使金属组织具有一定方向性，通常称为“纤维组织”，其宏观痕迹即“流线”。当钢锭只进行拔长变形时，锻造比达到2～3时便会出现纤维组织；如果首先进行镦粗然后进行拔长，锻造比要达到4～5时才能形成纤维组织；并且锻造比越大，纤维方向则越明显。

锻合钢锭内部孔隙缺陷的基本条件是：孔隙表面未被氧化，孔隙中不存在非金属夹杂（渣），锻造变形在高温时进行，高温变形时孔隙部位处于三向压应力状态，并且要求达到足够的锻造比。

锻造比对金属组织的影响，可通过测量金属的密度、低倍检验和超声波探测以评价锻造压实效果；可通过高倍金相检验以评价晶粒粗细、晶间过剩相的破碎和分布。

曾经采用40Cr钢锭经拔长变形，分别按照不同锻造比值要求达到不同规格截面尺寸的试件，然后分别测量各个试件心部试料的密度。试验结果表明：当锻造比值为2时，试料密度已接近最大值。当锻造比值大于2.5后，试料的密度基本不再增大。

大量锻坯和轴类锻件横向低倍试片的检验结果表明：拔长锻造比达到2.0以上时，在锻坯截面尺寸和锻压设备、锻造工艺合理配合时，一般疏松、中心疏松均可达到0.5～1.0级以下，成为致密的“锻态”组织。

树枝状晶的完全破碎则需要更大的锻造比，甚至达到5.0以上，仍有大量的枝晶存在，特别是对大截面的合金钢锻件尤甚。

3.3锻造比对力学性能的影响

金属的力学性能决定于它的组织状态。钢锭经过适当锻造比值的锻造变形可获得致密的锻造组织，晶粒细化，纵向和横向力学性能均有显著提高。生产实践检验结果表明：钢锭经拔长变形，一般情况下，锻造比为2～3时，强度指标已接近最大值，纵向（流线方向）的塑性指标、韧性指标达到最大值；锻造比继续增大时，强度指标变化不大，且方向性不明显，而塑性指标、韧性指标方向性明显，虽然纵向的塑性指标、韧性指标显示不出明显的变化，但横向（切向、径向）的塑性指标、韧性指标开始下降。冶金纯净度较差的钢，异向性系数下降较剧烈。

此外，适当地增大锻造比，也是提高锻件疲劳极限重要途径之一。承受重复或交变载荷的零件，如果突然发生疲劳损坏，那么后果极为严重。发生疲劳破坏的疲劳源，多在零件的应力集中处。零件内部缺陷处很容易造成应力集中，成为疲劳源。钢锭通过锻造，提高了钢料的致密性和均匀性，宏观及微观缺陷得到改善和消除，减少了应力集中，从而使锻件的抗疲劳性能提高。随着锻造比增大，锻件疲劳极限得到提高，当锻造比达到一定数值后，疲劳极限保持同一水平，不再提高。

4结束语

原材料在锻造变形过程中，实际发生的各工序锻造比及总锻造比如果过小，锻件毛坯成形后就达不到改善锻件内部质量的目的；锻造比如果过大，不但增加了锻造工序的工作量，并且锻件毛坯性能还会存在各向异性。实际上锻造比大小对锻件锻造效果的影响是比较复杂的。一切锻件必须根据其具体情况、锻造条件和锻造工艺进行综合分析研究，采取合理的锻造比值。锻件毛坯经过采用合理锻造比值的锻制成形，可达到理想的锻造效果及力学性能要求。