金属構造、特性、および鍛造品の欠陥に対する鍛造の影響

金属構造と特性に対する鍛造の影響

鍛造生産では、鍛造が必要な形状と寸法を満たすだけでなく、使用中に部品が要求する性能要件を満たすことを保証する必要があります。 これらの要件には、主に強度インジケータ、可塑性インジケータ、衝撃靭性、疲労強度、初期破壊靭性、および耐応力腐食性が含まれます。 高温で動作する部品では、高温の瞬間引張強度、長期性能、耐クリープ性、熱疲労性能などの特性も重要です。

鍛造に使用される原材料には、インゴット、圧延材料、押出材料、および鍛造ブランクが含まれます。 圧延材料、押出材料、および鍛造ブランクは、圧延、押出、および鍛造によってインゴットから形成された半製品です。 鍛造生産では、合理的なプロセスとパラメータを採用することで、原材料の構造と特性を次のように改善できます。

(1) 柱状結晶を分解し、巨視的分離を改善し、鋳造構造を鍛造構造に変換し、適切な温度および応力条件下で内部細孔を溶接して、材料密度を増加させます。

(2) 鍛造によってインゴットに繊維状構造を形成し、圧延、押し出し、およびダイ鍛造によって繊維状方向分布をさらに改良します。

(3) 粒の大きさと均一性を制御する。

(4) 第2相 (例えば、レデブリート鋼中の合金炭化物) の分布を改善する。

(5) 加工硬化または他の形の強化によって構造を強化する。

構造のこれらの改善は、強化された可塑性、衝撃靭性、疲労強度、および鍛造品の長期的な性能につながります。 部品の最終的な熱処理は、硬度、強度、および可塑性の望ましい組み合わせを実現し、包括的な性能要件を満たします。

ただし、原材料の品質が悪い場合、または鍛造プロセスが不適切な場合、表面欠陥、内部欠陥、または性能基準を満たしていない場合など、鍛造欠陥が発生する可能性があります。

鍛造品質に対する原材料の影響

高品質の原材料は、鍛造品の品質を確保するための前提条件です。 原材料に欠陥がある場合、それらは鍛造プロセスと鍛造品の最終品質に影響を与えます。

たとえば、原材料中の化学元素が指定された制限を超えたり、不純物元素の量が多すぎると、鍛造品の成形と品質に大きな影響を与える可能性があります。 硫黄 (S) 、ホウ素 (B) 、銅 (Cu) 、スズ (Sn) などの元素は、低融点相を形成する傾向があり、鍛造品に高温の脆性を引き起こす可能性があります。 細粒鋼を実現するには、鋼中の残留アルミニウム含有量を0.02% 〜0.04% (質量) などの特定の範囲内に制御する必要があります。 アルミニウム含有量が低すぎると、穀物の成長を制御できず、鍛造品の固有の穀物サイズが不十分になることがよくあります。 アルミニウム含有量が高すぎると、繊維状構造を形成する条件下での圧力処理中に木材のようなまたは裂け目のような破壊を引き起こす可能性があります。 同様に、オーステナイト系ステンレス鋼では、窒素 (N) 、シリコン (Si) 、アルミニウム (Al) 、モリブデン (Mo) が多いほど、フェライト相が形成されます。鍛造中に材料が縞模様の亀裂を形成しやすくし、部品に磁気特性を与えます。

原材料に残留パイプ収縮、皮下水疱、重度の炭化物分離、または粗い非金属含有物 (スラグ) が含まれている場合、鍛造により亀裂が発生する可能性があります。 樹状結晶、重度の多孔性、非金属含有物、白い斑点、酸化膜、分離帯などの欠陥、原材料中の外国金属の混合は、鍛造品の性能低下につながる可能性があります。 原材料の亀裂、折り目、傷跡、粗粒リングなどの表面欠陥は、鍛造品に表面亀裂を引き起こす可能性があります。

鍛造プロセスが鍛造品質に与える影響

Forgプロセスには通常、次のステップが含まれます: 切断、加熱、成形、鍛造後の冷却、酸洗い、および鍛造後の熱処理。 プロセスが不適切な場合、一連の鍛造欠陥が発生する可能性があります。

加熱プロセスには、炉の装填温度、加熱温度、加熱速度、保持時間、および炉の雰囲気組成が含まれます。 過度の温度や長時間の加熱などの不適切な加熱は、脱炭、過熱、過焼けなどの欠陥を引き起こす可能性があります。

断面寸法が大きく、熱伝導率が低く、可塑性が低い材料の場合、加熱速度が速すぎるか、保持時間が短すぎると、温度分布が不均一になる可能性があります。熱応力が発生し、鍛造ストックにひびが入ります。

鍛造成形プロセスには、変形方法、変形度、変形温度、変形速度、応力状態、工具の状態、および潤滑条件が含まれます。 成形プロセスが不適切な場合、粗粒、不均一な粒径、さまざまな亀裂、折り目、横方向の流れ、渦の流れ、残留鋳造構造などの欠陥が発生する可能性があります。

鍛造後の冷却中に、不適切なプロセスにより、冷却亀裂、白い斑点、ネットワーク化された炭化物などの欠陥が発生する可能性があります。

最終熱処理後の構造と特性に対する鍛造構造の影響

オーステナイトおよびフェライト耐熱ステンレス鋼、高温合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、一部の銅合金およびチタン合金など、加熱および冷却中に多形変換のない材料の場合、鍛造中に形成される構造上の欠陥は、熱処理によって改善することはできません。

構造用鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼など、加熱および冷却中に多型変換を受ける材料の場合、不適切な鍛造プロセスまたは原材料の残留欠陥によって引き起こされる特定の構造上の欠陥は、熱処理後の鍛造品の品質に大きな影響を与える可能性があります。 ここにいくつかの例があります:

(1) 鍛造後の熱処理中に鍛造品のいくつかの構造上の欠陥を改善することができ、最終的な熱処理後も満足のいく構造と特性を得ることができます。 たとえば、一般的に過熱した構造用鋼鍛造品の粗粒とウィドマンシュテッテン構造、および超共晶鋼とベアリング鋼の不適切な冷却によって引き起こされるわずかなネットワーク化された炭化物。

(2) 鍛造品のいくつかの構造上の欠陥は、通常の熱処理では除去が困難であり、高温正常化、繰り返し正常化、低温分解、高温拡散アニーリング、そして改善するための他の対策。

(3) 鍛造品の一部の構造上の欠陥は、一般的な熱処理プロセスでは解消できないため、性能が低下したり、最終的な熱処理鍛造品に不適合になったりします。 たとえば、重度の石のような骨折と多面的な骨折、過燃焼、ステンレス鋼のフェライトバンド、およびレデブリの高合金工具鋼の炭化物ネットワークとバンド。

(4) 鍛造品のいくつかの構造上の欠陥は、最終的な熱処理中にさらに発生し、ひび割れにつながる可能性があります。 たとえば、合金構造用鋼鍛造品の粗い粒子は、鍛造後の熱処理中に改善されない場合、浸炭、窒化、および焼入れ後に粗いマルテンサイトおよび不適合特性をもたらすことがよくあります。高速鋼に含まれる粗い縞模様の炭化物は、焼入れ中にひび割れを引き起こすことがよくあります。

さまざまな形成方法は、それらのさまざまな応力条件と応力-ひずみ特性のために、さまざまな一次欠陥につながる可能性があります。 たとえば、ビレットの動揺の主な欠陥は、側面に縦方向または45 ° の角度の亀裂が形成されることであり、インゴットの動揺により、上端と下端に残留する鋳造構造が残ることがよくあります。 長方形断面ビレットの伸長中の主な欠陥は、表面の横方向と角の亀裂、および内部の斜めと横方向の亀裂です。 オープンダイ鍛造では、主な欠陥には、充填不足、折り畳み、とミスアライメント。

さまざまな種類の材料は、組成や構造が異なるため、加熱、鍛造、および冷却中にさまざまな構造変化や機械的挙動を示します。 したがって、不適切な鍛造プロセスから特定の欠陥が生じる可能性があります。 たとえば、レデブリット高合金工具鋼鍛造の主な欠陥は、粗い炭化物粒子、不均一な分布、および亀裂です。高温合金鍛造では、それらは粗い粒子と亀裂です。オーステナイト系ステンレス鋼鍛造品には、クロムが枯渇した粒状間領域が含まれ、粒状間耐食性の低下、フェライトバンディング、亀裂が発生します。 アルミニウム合金鍛造品では、主な欠陥には、粗粒、折り畳み、渦流、横流が含まれます。