金屬鍛后冷卻是指鍛件鍛后從終鍛溫度冷卻到室溫的過(guò)程。鍛后冷卻的重要性并不亞于鍛前。 熱和鍛造成形過(guò)程，有時(shí)坯料采用正常加熱規(guī)范和適當(dāng)?shù)腻懺?，雖然可以保證獲得高質(zhì)量鍛件，但如果冷卻方法選擇不當(dāng)，有可能將鍛件粗大的鍛造組織遺傳給其后的熱處理組織或影響以后的熱外組織，也可能由于產(chǎn)生缺陷而報(bào)廢，所以鍛件冷卻也是溫、熱鍛造生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。

一般鋼料的小型鍛件鍛完后可放在地上自然冷卻，但對(duì)于合金鋼鍛件以及大型鍛件這樣 會(huì)產(chǎn)生一系列缺陷，如裂紋、白點(diǎn)、石狀斷口和網(wǎng)狀碳化物等缺陷，影響生產(chǎn)周期，甚至可能使包件報(bào)廢，

鍛件冷卻時(shí)常見(jiàn)缺陷

1.假件粗大的假造組織遺傳

鍛件終鰻后若冷卻不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生非平衡組織，而鋼中的非平衡組織（馬氏體、貝氏體和魏氏約織等）具有遺傳性。例如滲碳鋼 20CrMnTi 鍛件終鍛后空冷不當(dāng)時(shí)，得到由鐵素體、珠光體、魏壓 組織及貝氏體等組成的混合組織，這類(lèi)鍛件滲碳熱處理后出現(xiàn)粗大奧氏體晶粒，出現(xiàn)組織遺傳 但如果酸后在冷卻箱內(nèi)控制冷卻，得到鐵素體和珠光體的混合組織，經(jīng)滲碳后，組織明顯細(xì)化 所以終鍛后采用控制冷卻，獲得接近平衡的組織，是防止組織遺傳性的有效方法。

2.泵紋

坯料加熱時(shí)由于殘余應(yīng)力、溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力之和超過(guò)材料的強(qiáng)度極限便可形成裂紋。同樣，鍛件在冷卻過(guò)程中也會(huì)引起溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力以及殘余應(yīng)力而有可能形成裂紋。如果裂紋 深度在加工范圍內(nèi)，可以使用砂輪或風(fēng)鏟清除，但如果裂紋超過(guò)鍛件余量的范圍，則將報(bào)廢。

（1)溫度應(yīng)力：冷卻初期，鍛件表面溫度明顯降低，體積收縮較大；而心部溫度較高，收縮較小，表層收縮趨勢(shì)受心部阻礙，結(jié)果在表層受到拉應(yīng)力，心部則受到與其方向相反的壓應(yīng)力。對(duì)于塑性較好變形抗力較小的軟鋼，這時(shí)由于心部溫度仍然很高，變形抗力小，且塑性較好，還可以產(chǎn)生微量塑性變形，使溫度應(yīng)力得以松弛，緩和這種溫度應(yīng)力。到了冷卻后期，鍛件表面溫度已 接近室溫，基本上不再收縮，這時(shí)表層反而阻礙心部繼續(xù)收縮，導(dǎo)致了溫度應(yīng)力的反向，即心部由 壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，而表層由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。

（2)組織應(yīng)力：鍛件在冷卻過(guò)程中如有相變發(fā)生，由于相變前后組織的比容不同，而且相轉(zhuǎn) 變是在一定溫度范圍內(nèi)完成，因此鍛件表層和心部相變不同時(shí)進(jìn)行而產(chǎn)生組織應(yīng)力。

例如鋼，奧氏體的比容為（0.12~0.125)cm'/g,馬氏體的比容為（0.127~0.131)cm/g,如

鍛件在冷卻過(guò)程中有馬氏體轉(zhuǎn)變，則隨著冷卻過(guò)程中溫度不斷下降，當(dāng)鍛件表層冷卻到馬氏體轉(zhuǎn) 變溫度時(shí)，表層首先進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，而心部仍處于奧氏體狀態(tài)。因此鍛件表面的體積膨脹受到心部的制約，這時(shí)所引起的組織應(yīng)力為：表層是壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。然而這時(shí)心部溫度較高，塑性較好，通過(guò)局部塑性變形可以緩和上述組織應(yīng)力。隨著鍛件冷卻過(guò)程的進(jìn)行，心部也發(fā)生馬 氏體轉(zhuǎn)變，其體積膨脹，而表層體積卻不再發(fā)生變化。此時(shí)心部的膨脹又受到表層的阻礙，這時(shí) 產(chǎn)生的組織應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力，表層為拉應(yīng)力。隨著心部馬氏體含量的逐漸增加，應(yīng)力不斷增 大，直到馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束為止。、冷卻時(shí)的組織應(yīng)力和加熱時(shí)一樣也是三向應(yīng)力狀態(tài)，且切向應(yīng)力最大，這就是有時(shí)引起表層

縱裂的原因之一。

（3)殘余應(yīng)力：加熱后的坯料在鍛造過(guò)程中，由于變形不均勻和加工硬化所引起的內(nèi)應(yīng)力，如未能及時(shí)通過(guò)再結(jié)晶軟化將其消除，便會(huì)在鍛后成為殘余應(yīng)力保持下來(lái)。殘余應(yīng)力在鍛件內(nèi) 的分布根據(jù)變形不均的情況而有所不同，其中的拉應(yīng)力可能出現(xiàn)在鍛件表層，也可能在心部。

總之，鍛件在冷卻過(guò)程中總的內(nèi)應(yīng)力為上述3種應(yīng)力的疊加。當(dāng)總的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料某處

的強(qiáng)度極限時(shí)，便會(huì)在鍛件的相應(yīng)部位產(chǎn)生裂紋。如不足以形成裂紋，也會(huì)以殘余應(yīng)力形式保留下來(lái)，給后續(xù)熱處理增加不利因素，

條的料分本本在冷卻前期、鍛件內(nèi)部溫度尚高而表面溫度較低時(shí)，有可能由于溫度應(yīng)力引起鍛件的開(kāi)裂，但大多數(shù)情況下冷卻裂紋是由組織應(yīng)力引起。如高速鋼，Cr12MoV鋼和馬氏體不銹鋼的冷卻裂 紋多數(shù)屬于此種情況。因?yàn)橛捎隈R氏體轉(zhuǎn)變而引起的組織應(yīng)力是在較低溫度下產(chǎn)生的，這時(shí)材 料的塑性已較低。高速鋼鍛件在室溫仍進(jìn)行由殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，使鍛件表面拉應(yīng)力 不斷增加并產(chǎn)生裂紋，故生產(chǎn)上規(guī)定高速鋼鍛件鍛后24h內(nèi)必須進(jìn)行退火。（一般情況下，鍛件尺寸越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，冷卻越快，溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力越大，越易產(chǎn)生 裂紋。

3.網(wǎng)狀碳化物

過(guò)共析鋼和軸承鋼，如果終鍛溫度較高，特別是在Am~An區(qū)間緩冷時(shí)，將由奧氏體中大量析出二次滲碳體，這時(shí)碳原子由于具有較大的活動(dòng)能力和足夠的時(shí)間擴(kuò)散到晶界，于是便沿著原奧氏體晶界形成網(wǎng)狀碳化物。當(dāng)網(wǎng)狀碳化物較嚴(yán)重時(shí)，用一般的熱處理方法不易消除，于是使材料的沖擊韌性降低，熱處理淬火時(shí)常引起龜裂。甲、分霧中異金真條并特激部士退并音火另外，奧氏體不銹鋼（如 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等）在800℃~550℃溫度范圍內(nèi)緩冷時(shí)，有大量含鉻的碳化物沿晶界析出，形成網(wǎng)狀碳化物。在這類(lèi)鋼中由于碳化物的析出使晶界出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，使抗晶界間抗腐蝕的能力降低。

4.石狀斷口

石狀斷口主要是由于坯料過(guò)熱引起的一種缺陷，但是它與冷卻也有一定的關(guān)系。過(guò)熱的合

金結(jié)構(gòu)鋼鍛件采用較快或很慢的冷卻速度都可能不產(chǎn)生石狀斷口，而某一中等的冷卻速度常常 是最危險(xiǎn)的。石狀斷口形成的原因是：坯料過(guò)熱時(shí)，晶界上原有的大塊狀的第二相物質(zhì)（例如MnS、AIN、TiN等）大量固溶入基體，奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大。冷卻時(shí)，固溶入基體的第二相物質(zhì) 以精細(xì)的顆粒狀（或薄片）沿粗大的奧氏體晶界析出。在受力時(shí)，沿晶界析出的第二相顆粒（或薄 片）常常成為微觀裂紋的起源，引起晶界弱化。這樣的鍛件在韌性狀態(tài)下打斷口時(shí)常常呈現(xiàn)石狀斷口，使材料的沖擊韌性急劇下降。第二相沿奧氏體晶界析出的密度越大，晶界弱化越嚴(yán)重，越 易出現(xiàn)石狀斷口。冷卻速度很大時(shí)，由于鍛件溫度低，原子擴(kuò)散速度慢，第二相可能來(lái)不及沿晶 界析出；冷卻速度很緩慢時(shí)，則析出的第二相聚集成較大的顆粒，密度降低，對(duì)晶界的弱化作用也 減小。因此，相對(duì)的中等冷卻速度最易出現(xiàn)石狀斷口。

5.白點(diǎn)

白點(diǎn)是鋼鍛件在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷。白點(diǎn)實(shí)際上是一種內(nèi)部微裂紋，白點(diǎn)在鋼的

縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)（合金鋼白點(diǎn)的色澤光亮，碳素鋼白點(diǎn)較暗），在橫向斷口上呈細(xì)小的裂紋。白點(diǎn)的尺寸由幾毫米到幾十毫米。從顯微組織上觀察，在白點(diǎn)附近區(qū)域沒(méi)有發(fā)現(xiàn)塑性變形的痕跡，因此，白點(diǎn)是純脆性的。

鍛件存在白點(diǎn)對(duì)其性能極為不利，不僅導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降，熱處理淬火時(shí)會(huì)使零件開(kāi)

裂，零件在交變和重復(fù)載荷作用下，還會(huì)突然發(fā)生斷裂。原因是白點(diǎn)處為應(yīng)力集中點(diǎn)，在交變和 重復(fù)載荷下，常常成為裂紋源而導(dǎo)致零件疲勞斷裂。國(guó)外電站設(shè)備曾發(fā)生因轉(zhuǎn)子和葉輪中有白 點(diǎn)造成的嚴(yán)重事故。因此，白點(diǎn)是鍛件的一種危險(xiǎn)性較大的缺陷。

白點(diǎn)多發(fā)生在珠光體類(lèi)和馬氏體類(lèi)合金鋼中，碳素鋼程度較輕，奧氏體和鐵素體鋼極少發(fā)現(xiàn) 白點(diǎn)，菜式體合金鋼也很少發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)。

關(guān)于白點(diǎn)形成原因，一般認(rèn)為是由于鋼中的氫和組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果。冷卻速度較快

時(shí)，它們的作用越明顯，而鍛件的尺寸越大，白點(diǎn)也易形成，因此鍛造白點(diǎn)敏感鋼的大鍛件時(shí)應(yīng)特別注意冷卻速度。