自由锻造所用钢材的详情介绍——锻件产品
锻造用钢
自由锻造所用的原材料有钢锭和钢坯两种类型；由于钢坯也是由钢锭轧、锻而成的，所以钢锭是最基本的锻造用材，它的质量优劣直接关系到锻件质量的好坏。
钢的冶炼方法
应用较普通的冶炼方法有：
（1）碱性平炉法，是以碱性炉渣来炼钢的，它能大量去除钢液中的硫、磷，但氢含量较高。
（2）酸性平炉法，是以酸性炉渣来炼钢的.它不能去除钢中的硫、磷，所以对炼钢原料要求经过精选， 因而成本较高，但钢中氢含最较低。
（3）碱性电炉法，是靠髙温电弧进行冶炼加热的。钢液中的非金属夹杂物大为减少，硫、磷含量也较小.但氢气含量仍然较高。
为了提高钢的质量，国内外还应用了真空熔炼、电渣重熔等新的冶炼技术，以更有效地减少钢中的有害气体和物质。
钢锭的型式、组织与缺陷
（1）钢锭的形状、尺寸和型式
钢锭的形状通常是截头锥体，上端较大，下端较小，其横截面的形状有方形、圆形、扁方形和多角形（8角、12角、24角）等，见图。因此，决定钢锭形状和尺寸的因素有锥度，高径比和截面形状。
钢锭的型式有普通和特殊型两大类型。普通型式的钢锭，是供一般锻件用的，其锥度a为4％左右，髙径比K约为1.8?2.3，冒口的比例约占17％。特殊型式的钢锭如图，是供重要或特殊形状锻件用的。其中，短粗钢锭的锥度a为高径比尺为11％-12％，高径比K为1.5左右，冒扣的比例占20％-24％，这种形式的钢锭结晶质；量高，缺陷少，供重要的大型锻件用作坏料；空心钢锭则只能用作大型空心锻件的坯料，以减小头部和心部的切料损失，其重量为7?145t此外也可用作薄壁轧管的坯料；长形钢锭的锥度a为5％左右，髙径比K为4左右。这种型式的钢锭主要供大型长轴类锻件用作坯料。
1）冒口。是钢液向固态转变过程中最后凝固的部分,凝固时已无钢液补充体积的收缩，因而在此处形成缩孔及其周围的疏松区。此外，低熔点的非金属杂质等也都集中冷凝在这里。所以，冒口是钢锭组织缺陷最严重，质量最差的部分。
2）锭身。是通常用于锻造的部分，其内部表现出三层结晶结构：表面为细晶粒层，它是由高温钢液接触冷钢锭模壁时急冷而形成的；表面以下为柱状晶粒层，它是由于此处的结晶比较缓慢，散热时热量均沿垂直于钢锭模壁的方向传播，因而导致晶粒定向成长的结果：中心部分为粗大的等轴晶粒区，这是由于中心区域均匀缓冷时、敢热方向已不明显，因而导致晶粒朝各个方位等速成长的结果。
3）底部是钢液接触锭模的部分，也是中心部分凝固过程中大量杂质（炉渣及重金属等）沉积的部分，因而形成带沉积堆的细晶组织区。
钢锭的冒口和底部都需在锻造过程中予以切除。
（3）钢锭的缺陷
由于钢锭的形成过程，导致它出现某些必然的缺陷，这些缺陷是：
1）缩孔及疏松。是钢液最后凝固部分体积收缩时所产生的。它的产生虽不可避免，但对其出现部位可进行适当控制。浇注钢锭时在锭模的顶部加保温帽，以便造成个缓慢冷却和最后凝固的区域，使缩孔和疏松都集中在区内，以便于在锻造时随冒口一起切除。
2）偏析。是指钢锭中各部分化学成分的不均匀性，有树枝偏析和区域偏析两种。
①树枝偏析。由于金属结晶多以树枝生长方式进行的，即先形成晶核，然后长出枝干，在枝干长大的同时，又在其上长出新的枝干。如此下去，直到相邻的树枝状枝干相遇为止。这便是树枝结晶，如图所示。然而，先凝固的枝干部分，成分较纯，杂质较少；而后凝固的枝间部分则杂质较多。先凝固的晶体杂质较少,而后凝固的晶体边界则杂质较多，如图中，由于各种合金元素及杂质的这种选择性结晶，因而在枝干、枝间及晶粒边界造成了化学成分的不均匀性，这种晶粒范围内的成分不均匀性称为树枝偏析。
树枝偏析可以通过锻造、再结晶、高温扩散和锻后热处理得到消除。
②区域偏析。是指钢锭各个部位化学成分的不均匀现象。这种区域性的偏析是由于结晶有先后，初生晶体、钢液、杂质的密度不同，凝固过程中，气体的析出和 上升等原因造成的。按成分的差异状况，它可分为正偏析和负偏析，正偏析是指杂质及合金元素高于钢锭平均成分的偏析，低于平均成分的偏析称为负偏析。按部位来分，则有V形偏析区、A(倒V）形偏析区和正、负偏析区，如图所示。倒V形偏析区是由于低熔点杂质被柱状晶粒棑挤并随气体上浮而形成的，成分上属于正偏析，其中硫和磷的含量很高，同时还存在大量的显微孔隙和疏松。V形偏析是由于结晶时初生晶体下沉、钢液由冒口处补缩形成的。由于凝固最晚，因而含有更多的硫化物夹杂和疏松，也属正偏析。负偏析区分布在钢锭的下部。由于初生晶体下沉，其合金元素和杂质的含量都低于钢锭的平均成分。且含有很多熔点较高的氧化物夹杂。一般，钢锭头部和心部的偏析较钢锭下部和外部的偏析严重；而且重量和体积越大和合金元素含量越多时，偏析现象也就越严重。
区域偏析只能通过锻造来减轻其影响。如将杂质分散，将孔隙和疏松锻合等，对于大直径钢锭，还必须采取一些特殊的工艺措施才能保证锻件的质量。
3）夹杂。是指不溶解于金属基体的非金属化合物。常见的夹杂有硫化物、氧化物和硅酸盐等。实际上，夹杂有两类：一类是冶炼和浇注时的化学反应物；而另一类则是冶炼和浇注过程中被带入的。
钢锭中的夹杂分布也是不均匀的，在V形和倒V形偏析区内都有很多夹杂，尤以钢锭心部最为集中。危害性的粗大夹杂物主要分布在钢锭底部的负偏析区。
钢锭中夹杂物的存在，破坏了金属基体的连续性，因而也降低了钢锭的可锻性。锻造不可以消除钢中的夹杂，但是，通过合理的锻造工艺可以破碎粗大的夹杂，并使之分散分布，以达到改善钢的力学性能的目的。
4）气体。钢液中溶解有很多气体，在凝固过程中会有大量气体析出，但总有一些气体会残留在钢锭内或皮下形成气泡。钢锭内部的气泡可以通过锻造予以锻合，但皮下气泡却常常容易引起裂纹。
在钢锭中常见的残留气体有氧、氮、氧等，其中氧和氮最终以氧化物和氮化物夹杂存在于钢锭中，而氢会引起钢的“氧跪”现象，是钢中危害性的气体。
5）穿晶。是指某些情况下，钢锭截面上几乎全部布满柱状结晶的现象，如图所示。出现这种现象的原因是浇注钢水的温度较高、钢锭冷却速度较大时。铸锭中的柱状晶粒层得以充分发展的结果。这种结晶结构易在柱状晶粒的交界处聚集易熔的夹杂，锻造时容易沿着这些部位发生破裂。多角形截面的钢锭较导避免出现“穿晶”。
6）表面裂纹。浇注工艺和钢锭模的设计制造不当时，都会造成钢锭表面产生裂纹，钢锭锻造前应彻底清除表面裂纹，否则，裂纹会在锻造过程中向钢锭内部引伸而导致钢锭报废。
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