孟 陽，張國進(jìn)

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710110）

1 鍛件白點(diǎn)的外觀特征和對鍛件質(zhì)量的影響

1.1 白點(diǎn)的外觀特征

白點(diǎn)是熱軋或熱鍛鋼坯的內(nèi)部缺陷，它通常在截面尺寸超過40mm 的型材和鍛件中出現(xiàn)。白點(diǎn)不暴露在軋材與鍛坯的表面，也不產(chǎn)生于心部疏松區(qū)，大多數(shù)情況位于金屬致密部分（軋材或鍛坯截面的中間地帶）。在調(diào)質(zhì)處理后的縱向斷口上，呈圓形或橢圓形的銀白魚斑點(diǎn)，直徑由零點(diǎn)幾毫米至數(shù)十毫米。在酸蝕后的橫向磨片上，白點(diǎn)表現(xiàn)為不同長度鋸齒狀發(fā)裂。白點(diǎn)這一裂面是順著鍛件的軸向排列的。小型鍛件中的白點(diǎn)，一般與夾雜物和偏析區(qū)（小型鍛件偏析絞弱）無明顯聯(lián)系，而在大鍛件中，白點(diǎn)住往位于或起始于偏析區(qū)，此處富集氫、碳、磷、硫與合金元素[1]。截面尺寸大的珠光體、貝氏體和馬氏體級(jí)鋼坯中有白點(diǎn)這種缺陷。一般地說，碳鋼較合金鋼不易產(chǎn)生白點(diǎn)，但碳鋼大型鍛件鍛后冷卻不當(dāng)時(shí)，也常出現(xiàn)白點(diǎn)。

1.2 白點(diǎn)對鍛件質(zhì)量的影響

白點(diǎn)的存在會(huì)大大降低鋼的力學(xué)性能。力學(xué)性能降低的程度與試樣上白點(diǎn)的數(shù)量和位置有關(guān)。文獻(xiàn)[2]介紹了試樣上白點(diǎn)所占面積與力學(xué)性能的關(guān)系。沒有白點(diǎn)的試樣，拉伸強(qiáng)度極限σb=816MPa，延伸率δ=16.9%，斷面收縮率ψ=28.5%；白點(diǎn)面積為35%時(shí)，σb=500MPa，δ=3.2%，ψ=12%；白點(diǎn)面積為60%時(shí)，σb=250MPa，δ=1.8%，ψ=28%。試樣軸線與白點(diǎn)裂紋平行時(shí)，性能降低不顯著；而當(dāng)它與白點(diǎn)裂紋垂直或成一定角度時(shí)，則強(qiáng)烈降低力學(xué)性能。

白點(diǎn)存在于鍛件中不僅導(dǎo)致力學(xué)性能降低，且在最終熱處理的劇烈淬火過程中，將逐漸擴(kuò)大甚至有使鍛件完全開裂的危險(xiǎn)。因而大鍛件的拉術(shù)條件明確規(guī)定，一經(jīng)發(fā)觀白點(diǎn)鍛件必須報(bào)廢。

2 白點(diǎn)形成原因與機(jī)理

在二十世紀(jì)初，首先在重軌鋼及鎳鉻鋼中發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，引起各國冶金工作者的重視，開展研究。幾十年來對白點(diǎn)產(chǎn)生的原因提出過許多假設(shè)，這里介紹引起重視的“原子氫—組織應(yīng)力”假設(shè)及其修正。

2.1 氫對材料力學(xué)性能的影響

據(jù)研究即使鋼中沒有白點(diǎn)，但氫含量增加時(shí)，一般拉伸試驗(yàn)測得的塑性指標(biāo)（延伸牢、斷面收縮率）明顯下障，而強(qiáng)度指標(biāo)沒有變化，過個(gè)現(xiàn)象稱為氫脆。

含氫量（當(dāng)其在0.9 厘米2/100 克以上時(shí)）對室溫下常規(guī)力學(xué)性能的影響見圖1 及圖2[3]。由圖2 可以看出，鍛件截面不同位置的塑性與該處的氫含量有對應(yīng)關(guān)系，氫含量高處鋼的塑性低，但屈服極限與沖擊韌性無此對應(yīng)關(guān)系。

圖1 60CrNi 鋼鋼坯斷面上性能與氫含量的關(guān)系實(shí)線為原始狀態(tài)，虛線為回火后

640～660℃長時(shí)間（60h）回火后氫含量減少且沿截面分布均勻后，塑性也增加且分布均勻。氫含量高到一定數(shù)值后（如圖2 中距表面200mm 處氫含量為4 厘米2/100 克），塑性實(shí)際近乎完全喪失。大鍛件的橫向試樣的塑性，當(dāng)氫含量超過2 厘米2/100 克時(shí)，就幾乎完全喪失。

圖2 氫含量對氫跪的影響（原始值Ψ 與δ 為100%）

2.2 白點(diǎn)形成機(jī)理：“原子氫—組織應(yīng)力”假設(shè)

文獻(xiàn)[4]介紹，氫和組織應(yīng)力是鋼中白點(diǎn)形成的主要因素。氫的作用是使鋼的塑性降低，超過某一含量時(shí)鋼完全喪失塑性（這個(gè)氫臺(tái)量對不同鋼種與不同組織狀態(tài)是不同的），如果鋼中氫含量高，因而塑性小，則不能靠塑性變形來緩和熱壓力加工后快冷時(shí)發(fā)展的應(yīng)力（主要是組織應(yīng)力），于是產(chǎn)生內(nèi)部裂紋—白點(diǎn)。

文獻(xiàn)[5]對上述假設(shè)作了如下修正與補(bǔ)充：氫可以引起局部脆性，在有足夠破壞性力量時(shí)，脆性部分（氫含量高都分）就可以在鋼中形成白點(diǎn)，這個(gè)破壞性力量可能是原子氫轉(zhuǎn)變?yōu)榉钟跉洚a(chǎn)生的壓力、組織應(yīng)力及其它因素產(chǎn)生的應(yīng)力。這些破壞性力量可的合在一起，也可能單獨(dú)發(fā)生作用。應(yīng)力不足時(shí)，在脆性部分可能暫不開裂，待原子氫轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿託湓黾恿藟毫r(shí)，才使脆性部分開裂—產(chǎn)生白點(diǎn)。這就是“原子氫—組織應(yīng)力”假?zèng)]。

白點(diǎn)形成的原因已較清楚，那么它的形成機(jī)理卻仍有爭議。Lacombe 等發(fā)展的電子自射線顯微照相術(shù)所征實(shí)[6]：氫原子井非統(tǒng)一地均勻分布于α-Fe 中，而是富聚于位錯(cuò)附近晶格的彈性拉伸區(qū)。Брайнин 從“應(yīng)力作用下氫原子與位錯(cuò)相互作用”這一角度分析白點(diǎn)形成的機(jī)理[7]，即：內(nèi)應(yīng)力使位錯(cuò)在亞晶界匯集井構(gòu)成亞顯微裂口——斷裂沉，熱變形鋼坯冷卻與靜置時(shí)亞顯微裂口內(nèi)充滿著自固溶體脫溶的氫原子，它們結(jié)合成氫分子。貯存于亞顯微裂口內(nèi)的氫分子對裂口壁產(chǎn)生很大的壓力，此壓力垂直于裂口壁（圖3）。壓力的水平分量QX 在裂口頂端作用一彎矩MX。從而在裂口頂端晶格彈性區(qū)產(chǎn)生一附加拉伸應(yīng)力。此拉伸應(yīng)力引起氫原子的上升擴(kuò)散，使裂口頂端固溶體富氫，此局都地區(qū)高濃度氫導(dǎo)致氫分予的形成并引起很大的應(yīng)力，以及引起鋼的變脆。于是亞顯微裂口發(fā)展成為白點(diǎn)。

圖3 應(yīng)力作用下位鍺匯聚與氫富聚處自點(diǎn)形成示意圖（圖中為三個(gè)位鍺的匯合）

通常只注意了應(yīng)力的力學(xué)作用，忽略了應(yīng)力造成位錯(cuò)的匯集及激發(fā)氫的上升擴(kuò)散。原始狀態(tài)無白點(diǎn)但氫含量偏高的鋼試樣，在拉伸試驗(yàn)中，產(chǎn)生所謂撕裂性白點(diǎn)（或稱白斑），可作為應(yīng)力引起氫重新分布與聚集的證據(jù)。

3 影響白點(diǎn)形成的因素

從前面的討論可知，氫是影響白點(diǎn)形成的首要因素。鋼中氫含量增加，白點(diǎn)敏感性增加。一般認(rèn)為鋼中氫含量低于2～3 厘米2／100 克時(shí)，鍛件沒有白點(diǎn)敏感性，這個(gè)數(shù)值稱為不產(chǎn)生白點(diǎn)的極限氫含量。極限氫含量下是一個(gè)確定的數(shù)值，它與合金化程度、鍛件尺寸、偏析嚴(yán)重程度有關(guān)。小型鋼錠鍛制的鍛件及無鎳低錳優(yōu)質(zhì)鋼（偏析小、晶粒細(xì)）鍛制的鍛件，極限含氫量比上述數(shù)值高；而對有明顯偏析的大鍛件及含有鎳、錳，尤其是同時(shí)含有鉻的合金鋼的大鍛件，極限含氫量比上述數(shù)值低些。

其次是應(yīng)力。熱變形后立即進(jìn)行彎曲的鋼坯冷卻后，在鍛件拉應(yīng)力區(qū)存在白點(diǎn)，而在壓應(yīng)力區(qū)卻沒有白點(diǎn)。顯然，這與氫在應(yīng)力作用下重新分布有關(guān)。組織應(yīng)力對白點(diǎn)形成的影響，表現(xiàn)為混合組織（馬氏體和貝氏體或馬氏體和索氏體混合組織）比單一組織更易出現(xiàn)白點(diǎn)，這是因力前一種組織狀態(tài)有比較大的組織應(yīng)力。

第三是偏析。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明由鋼錠上段鍛制的鍛件（或鍛件的一部分）比由下段鍛制的鍛件（或鍛件的一部分）白點(diǎn)敏感度高.這首先是由干氫的偏析，使鋼錠上段氫合量超過下段。此外，偏析區(qū)含有較多的雜質(zhì)、碳與合金元素，因此奧氏體的穩(wěn)定性也高，這樣在鍛件冷卻過程中先行轉(zhuǎn)變部分析出的氫部分地為偏析區(qū)的奧氏體所溶解。偏析區(qū)的奧氏體將在較低溫度下分解，這時(shí)析出氫便產(chǎn)生壓力并與組織應(yīng)力（由于偏析造成的轉(zhuǎn)變差別此應(yīng)力顯然要增加）綜合在一起，使偏析區(qū)中（或其周圍）變脆（由于雜質(zhì)及氫合量較高）了的α-Fe 開裂—產(chǎn)生白點(diǎn)。

第四是鋼的化學(xué)成分。鋼中含碳量增加時(shí)，白點(diǎn)敏感性增加。合碳低于0.2%的碳鋼白點(diǎn)敏感性非常低，合碳高于0.3%鋼的白點(diǎn)過感性顯著增加。35 號(hào)堿性鋼直徑400mm～500mm 鍛件鍛后坑冷在許多情況下發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，而40、50 號(hào)鋼直徑200mm～300mm 鍛件鍛后空冷常常出現(xiàn)白點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)鋼范圍內(nèi)，鎳、錳增加鋼的白點(diǎn)敏感性。鉻在4%范圍內(nèi)合量增加時(shí)也提高鋼的白點(diǎn)敏感性。鉬加入鉻鋼或鎳鉻鋼中，可減少白點(diǎn)敏感性。鎢在2%以下對白點(diǎn)敏感性無明顯影響。釩、鈦、鈮可降低鋼的白點(diǎn)敏感性。

4 消除大鍛件產(chǎn)生白點(diǎn)的措施

4.1 控制原材料中原始?xì)浜?/h3>

氫的存在是鍛件產(chǎn)生白點(diǎn)的最主要因素，那么降低鋼錠中原始?xì)浜烤褪欠乐拱c(diǎn)最積極最有效的措施，盡可能降低鍛件中氫含量和非金屬夾雜物控制冶煉是達(dá)到這一目的的最佳方法。通常做法有:①使用經(jīng)嚴(yán)格烘烤的干燥的氧化劑、造渣材料和鐵合金；②強(qiáng)化氧化期沸騰操作，去氣除雜；③澆注時(shí)使用優(yōu)質(zhì)耐火材料制成的澆注系統(tǒng)，要求清潔、干燥，防止氣體和夾雜物進(jìn)入鋼水；④采用真空處理、真空澆注和爐外精煉等技術(shù)，可收到良好的去氫除雜的效果[8]。

4.2 用鍛造方法去氫與防止白點(diǎn)產(chǎn)生

（1）從工藝角度考慮采用降低自點(diǎn)敏感性的鍛造壓實(shí)方法，例如走扁方鍛造方法縮短了鍛件心部至表面的距離，增大了鍛件的相對面積，使氫容易析出，降低了鋼的白點(diǎn)敏感性。

（2）盡量在高溫下鍛造，高溫下鍛造時(shí)，可使擴(kuò)散過程顯著加快。即通過熱擴(kuò)散和機(jī)械擴(kuò)散的增加，增大了均勻化程度，部分消除了偏析，也可降低白點(diǎn)的敏感性[9]。

4.3 用熱處理方法去氫與防止白點(diǎn)產(chǎn)生

鍛件鍛后（或奧氏體化后）盡快地、充分地由奧氏休分解為鐵素體—碳化物混合物，不僅有利于氫的脫溶與擴(kuò)散，而且有利于晶粒的調(diào)整與細(xì)化。為此應(yīng)根據(jù)鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線，并估計(jì)到鍛件偏析的存在，確定鍛件防止白點(diǎn)的鍛后冷卻和熱處理工藝規(guī)范，常用的有等溫冷卻、起伏等溫冷卻及起伏等溫退火等。防止白點(diǎn)的熱處理曲線和奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的關(guān)系如圖4 所示。

圖4a 適用于白點(diǎn)敏感性較低的碳鋼和低合金鋼。這類鋼在C 曲線的鼻尖附近保溫，可以使奧氏體在最短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闅淙芙舛刃《鴶U(kuò)散系數(shù)又較大的珠光體。一般在620～660℃等溫處理，保溫時(shí)間按截面每100mm1～1.2h 計(jì)算保溫，以后緩冷。

圖4 防止白點(diǎn)熱處理與奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的關(guān)系

圖4b 適用于白點(diǎn)敏感性較高的小截面合金鋼鍛件。這類鋼C 曲線有兩個(gè)鼻子尖，在珠光體變區(qū)奧氏體很穩(wěn)定，需要保溫很長時(shí)間才能使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。而在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)、奧氏體能很快地轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，如34CrNi3Mo 在600～620℃下過冷，奧氏體需保溫15min 以后分解為珠光體，完全分解要在15h 以上。而在280～320℃只需16min 就有95%分解為貝氏體，因此采用280～320℃下過冷，使奧氏體迅速過冷到貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。在過冷溫度下保溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，然后升溫到580～660℃，提高氫在a 相中的擴(kuò)散能力，以利于去氫。

圖4c 適用于白點(diǎn)敏感性較高的大截面合金鋼鍛件。與圖4b 工藝不同的是鍛件冷卻后還需重結(jié)晶一次。這是由于鍛造時(shí)，不同截面的鍛造溫度變化很大，變化程度也不一樣，還有局部過熱現(xiàn)象存在。造成鍛件晶粒粗大，存在較大的殘余應(yīng)力。由于鍛件各部分晶粗大小不一，過冷奧氏體的穩(wěn)定性也不一樣。當(dāng)過冷到280～320℃時(shí)各部分奧氏體的轉(zhuǎn)變就不一致，導(dǎo)致較大的組織應(yīng)力，這種組織應(yīng)力和鍛造殘余應(yīng)力以及氫氣析出過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，綜合起來就會(huì)增大鍛件的白點(diǎn)敏感性。正火重結(jié)晶可減少鍛件的殘余應(yīng)力、細(xì)化晶粒，并減少過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使氫在整個(gè)截面分布均勻化，保證奧氏體迅速地同時(shí)轉(zhuǎn)變、降低鍛件的白點(diǎn)敏感性。除上述減少組織應(yīng)力之外，還應(yīng)防止產(chǎn)生冷卻應(yīng)力。要求等溫保溫后緩慢冷卻，這樣不僅使氫擴(kuò)散得充分，更重要的是防止較大的溫度應(yīng)力產(chǎn)生。