锻造基础.docx

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锻造基础

锻造基础

1锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下加工金属机械零件可零件毛坯的方法。

与其它加工方法相比，锻造加工生产率最高；锻造的形状、尺寸稳定性好，并有最佳的综合力学性能。

按使用工具和生产工艺的不同

自由锻：

一般是指借助简单工具，如锤、砧、摔子、冲子、垫铁等对

铸锭或棒材进行镦粗、拔长、扩孔等方式生产毛坯。

锻造

模锻：

是指将坯料放入上下模块的型槽间，借助锻锤锤头、压力机滑

块或液压机活动横梁向下的冲击或压力成形为锻件。

特种锻造：

有些零件采用专用设备可以大幅度提高生产率，锻件的各

种要求（如尺寸、形状、性能等）也可以得到很好的保证。

2材料准备：

A选择材料B按锻件大小切成一定长度的毛坯

2.1材料：

钢锭和型材

1）钢锭钢锭内部组织钢锭表层为细小等轴结晶区（亦称激冷区），向里为柱状结晶区，再往里为倾斜树枝状结晶区，心部为粗大等轴结晶区。

2）大型钢锭的主要缺陷：

偏析、夹杂、气体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤等。

3）型材：

铸锭经过轧制、挤压或锻造加工后的坯料

常见缺陷：

划痕（划伤）、折叠、发裂（铸锭皮下气泡破裂）、结疤（溅疤轧制成薄膜而附于轧材表面）、碳化物偏析、白点、非金属夹杂流线、粗晶环

2.2下料方法:

剪切法、冷折法、锯切法、砂轮切割法、气割法和车削法等。

3加热

3.1加热目的提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可锻性，从而使金属易于流动成形，并使锻件获得良好的组织和力学性能。

3.2加热方法:

按采用的热源不同分为燃料加热和电加热两大类。

1）燃料（火焰）加热：

利用固体（煤、焦炭等）、液体（重油、柴油等）或气体（煤气、天然气等）燃料燃烧时所产生的热能对坯料进行加热。

燃料在燃料炉内燃烧产生高温炉气（火焰），通过炉气对流、炉围（炉墙和炉顶）辐射和炉底热传导等方式，使金属坯料得到热量而被加热。

在低温（650℃以下）炉中，金属加热主要依靠对流传热，在中温（650--1000℃）和高温（1000℃以上）炉中，金属加热则以辐射方式为主。

在普通高温加热锻造炉中，辐射传热量可占到总传热量的90%以上。

2）电加热将电能转化为热能而对金属坯料进行加热。

分为电阻加热（电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热）和感应加热（工频加热f=50HZ、中频加热f=50～1000HZ、和高频加热f＞1000HZ）。

锻造中多采用中频加热。

3.3金属加热时产生的变化：

金属在加热过程中由于原子在晶格中相对位置的强烈变化，以及原子的振动速度和电子运动的自由行程的改变，还有周期介质的影响等因素，金属将产生以下变化：

在组织结构方面，大多数金属不但发生组织转变，其晶粒还会长大，严重时会造成过热、过烧，

在力学性能方面，总的趋势是金属塑性提高，变形抗力降低，残余应力逐步消失，但也可能产生新的内应力。

过大的内应力会引起金属开裂。

在物理性能方面，金属的导热系数、导温系数、膨胀系数、密度等均随温度的升高而变化。

在化学变化方面，金属表层与炉气或其它周围介质发生氧化、脱碳、吸氢等化学反应，结果生成氧化皮与脱碳层等。

3.3.1金属加热过程中的几个变化

1）氧化金属原子失去电子与氧结合形成氧化物的化学反应，称为氧化。

钢料加热到高温时，表层中的铁与炉内的氧化性气体（如O2,CO2,H2O和SO2）发生化学反应，在钢料表面形成氧化皮。

影响氧化的主要因素有炉气性质（氧化性炉气、中性炉气、还原性炉气）、加热温度、加热时间、钢的种类。

2）脱碳钢料在加热时，其表层的碳和炉气中的某些气体发生化学反应，使钢料表面的含碳量降低，这种现象称为脱碳。

影响因素：

炉气成份（所有氧化介质都是脱碳介质，还原性气体H2也有脱碳作用，但比较弱）、加热温度、加热时间、钢的成份（含碳量越高脱碳倾向愈大。

Cr、Mn等元素能阻止脱碳，而Al,Co,W,Mo,Si等元素促进脱碳）。

脱碳会使锻件表层变软，强度、耐磨性和疲劳性能降低。

3）过热金属由于加热温度过高、加热时间过长而引起晶粒过份长大的现象称为过热。

晶粒开始急剧长大的温度叫做过热温度。

金属的过热温度主要与它的化学成份有关，如钢中的C，Mn,S,P等元素能增加钢的过热倾向，Ti,W,V,Nb等元素能减小钢的过热倾向。

若化合物沿晶界呈连续网状析出后，用热处理方法很难消除，这种过热称“稳定过热”。

而单纯由于奥氏体晶粒粗大形成的过热，可以用一般热处理方法予以改善和消除，这种过热称“不稳定过热”。

对于没有相变重结晶的金属（高温合金及部分不锈钢、铝合金、铜合金等），不能用热处理的办法消除过热组织，而要依靠较大变形量的锻造来解决。

4）过烧当金属加热到接近其熔化温度（称过烧温度），并在此温度下停留时间过长时，将出现过烧现象。

3.4金属加热时的内应力

1）温度应力金属加热时，表面首先受热，其表层和中心之间存在的温度差引起不均匀膨胀。

因为各层金属之间的相互制约，膨胀较大的表层金属将受到压应力作用，膨胀较小的心部金属受到拉应力作用。

这种由于温度不均而产生的应力叫做温度应力。

显然，坯料各部分的温差愈大，温度应力也愈大，而温差大小又与金属本身的导温性、坯料断面尺寸及加热速度等因素有关。

2）组织应力具有固态相变的金属，在加热时表层首先发生相变，心部后发生相变，并且相变前后组织的比容发生变化，由此而产生的内应力称为组织应力。

3.5金属锻造温度范围的确定

金属的锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和结束锻造温度（终锻温度）之间的一段温度。

1）锻造温度范围确定的原则：

应能保证金属在锻造温度范围内具有较高的塑性和较小的变形抗力。

并使锻件获得所希望的组织和性能。

在此前提下，锻造温度范围应尽可能取得宽一些，以便减少锻造火次，降低消耗，提高生产效率并方便操作等。

2）确定锻造温度范围的基本方法：

运用合金相图、塑性图、抗力图及再结晶图等，从塑性、变形抗力和锻件的组织性能三个方面进行综合分析，确定合理的锻造温度范围，并在生产实践中进行验证和修改。

3）始锻温度始锻温度高，则金属的塑性高，抗力小，变形时消耗的能量小，每个工步可以采取更大的变形量。

但加热温度过高，不但氧化、脱碳严重，还会引起过热、过烧。

4）终锻温度终锻温度过高，停锻之后，锻件内部晶粒会继续长大，出现粗晶组织或析出第二相，降低锻件力学性能。

若终锻温度低于再结晶温度，锻坯内部会出现加工硬化，使塑性降低，变形抗力急剧增加，容易使坯料在锻打过程中开裂，或在坯料的内部产生较大的残余应力，致使锻件在冷却过程或后续工序中产生开裂。

另外，不完全热变形还会造成锻件组织不均匀等。

为了保证锻件锻后内部为再结晶组织，终锻温度一般要高于金属的再结晶温度50～100℃.

3.6金属的加热

1）加热规范（或加热制度）是指金属坯料从装炉开始到加热完的整个过程，对炉子温度和坯料温度随时间变化的规定。

常见的加热规范有：

一段、二段、三段、四段及五段加热规范（见下图）。

加热过程含有预热、加热、均热几个阶段，制订加热规范就是要确定加热过程中不同阶段的炉温、升温速度和加热（保温）时间。

2）加热速度

最大可能的加热速度[vΜ]炉子本身可能达到的最大加热速度。

取决于炉子结构、燃料种类、及其燃烧情况、一粒的形状尺寸及其在炉中的安放方式等。

坯料允许的加热速度[ν]为保证坯料加热质量及完整性所允许的最大加热速度。

受加热时产生的温度应力限制，与坯料的导温性、力学性能及坯料尺寸有关。

3.7金属的少无氧化加热

通常称烧损量在0.5%以下的锻造为少氧化加热，烧损量在0.1%以下的加热称为无氧化。

方法能：

快速加热（火焰炉中的辐射快速加热和对流快速加热，感应电加热和接触电加热等）、介质保护加热〔气体介质保护加热（隋性气体、不完全燃烧的煤气、天然气、石油液化气或分解氨等）、液体介质保护加热（熔融玻璃、熔融盐等）、固体介质保护加热又称涂层保护加热（玻璃涂层、玻璃陶瓷涂层、玻璃金属涂层、金属涂层、复合涂层等）〕、少无氧化火焰〔在燃料（火焰），可以通过控制高温炉气的成分和性质，即利用燃料不完全燃烧所旌的中性气体或还原性炉气来实现〕

4自由锻造自由锻造通常指手工自由锻和机器自由锻。

自由锻的成形特点是：

坯料在平砧上面或工具之间经逐步的局部变形而完成。

4.1自由锻工序一般分为：

基本工序、辅助工序和修整工序。

1）基本工序指能够较大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，也是自由锻造过程中主要变形工序。

如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、芯轴扩孔、弯曲、剁切、错移、扭转等工序。

镦粗使坯料高度减小而横截面增大的成形工步称为镦粗。

其目的在于：

a）由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小的锻件或中间坯。

b）冲孔前增大坯料的横截面积以便于冲孔和冲孔后端面平整。

c）反复镦粗、拔长，可提高坯料的锻造比，同时使合金钢中碳化物破碎，达到均匀分布。

d）提高锻件的横向力学性能，以减小力学性能的异向性。

拔长使坯料横截面减小而长度增加的盛开工步。

其目的在于：

a）由横截面积较大的坯料得到横截面积较小而轴向较长的轴类锻件或中间坯。

b）可以辅助其它工序进行局部变形。

c）反复拔长与镦粗可以提高坯料的锻造比，同时使合金钢中碳化物破碎，达到均匀分布。

2）辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。

如倒棱、压把、压痕等。

3）修整工序指用来精整锻件尺寸和开头使其完全达到锻件图要求的工序。

如校正、滚圆、平整等，

4.2锻造对钢锭组织和性能的影响

4.2.1锻造对钢锭组织和缺陷的改善

1）改变铸态组织，细化晶粒

2）降低偏析程度，改变夹杂物分成（加热过程中原子扩散作用降低偏析程度，锻造打碎枝晶，之后的再结晶改善偏析）

3）锻合空洞类缺陷（疏松、缩孔、微裂纹和微孔隙等，如果这些空洞的内表

面未被氧化，通过锻造可将这些空洞类缺陷逐步缩小到完全焊合）

4.2.2锻造对锻件力学性能的影响：

随着锻比增加，锻件的强度变化不大，但塑性、韧性有明显提高（一般大型锻件的锻造比在2～6范围内）。

此外，锻造还能提高锻件的疲劳强度。

5提高大型锻件质量的工艺方法

1）FM锻造法也叫免除曼内斯曼效应法，即中心无拉应力锻造法。

它与一般平砧拔长的不同点在于下砧为宽砧，上砧为窄砧，坯料在不对称的平砧间变形，各部位应力状态发生改变，在坯料变形区内，形成拉应力的部位移至坯料下部，而中心部位受压应力作用，这种方法对锻合钢锭内部空洞类缺陷很有效果。

FM锻造法的最佳工艺参数为砧宽比0.6，压下率14%～15%。

2）JTS锻造法这种方法亦称为中心压实法、表面降温锻造法、硬壳锻造法。

将钢锭倒棱后，锻成边长为B的方截面坯，然后加热到1220～1250℃（始锻温度）保温后，从炉中取出，表面采用空冷、吹风或喷雾冷却到720～750℃（终锻温度），钢锭表层形成一层“硬壳”，这时钢锭心部的温度仍保持1050～1100℃，内外温差为230～270℃，用窄平砧沿钢锭纵向加压，借助表层低温硬壳的包紧作用，达到显著压实心部的作用。

JTS锻造法有三种：

上小砧下平砧单面局部纵压，上下小砧双面局部纵压，上下平砧拔长。

三种方式的效果为了:

单面局部纵压优于平砧拔长，而平砧拔长优于双面局部纵压，对于前两种变形方式，小砧只压坯料截面中部，砧宽等于0.7倍截面边长B，砧升等于（3～4）倍截面边长B，单面压下量约为7～8%，双面压下时为13%左右。

3）WHF锻造法也称为宽平砧高温强压法。

它是一种在宽平砧上利用高温大变形条件，使钢锭中缺陷锻合的有效工艺方法，它的最佳工艺参数为：

砧宽比0.6～0.8，压下率20～25%

6模锻

6.1锤上模锻如按金属在锻模型槽内变形的特征，以及变形金属所处应力和塑性状态的不同，可分为开式模锻和闭式模锻。

1）开式模锻开式模锻是变形金属的流动不完全受模腔限制的一种锻造方式。

开式模锻时，多余的金属沿垂直于作用力方向流动形成毛边。

随着作用力的增大，毛边减薄，温度降低，金属由毛边向外流动受阴，最终迫使金属充满型槽。

开式模锻金属变形过程大约分为四个阶段：

自由变形或称镦粗变形阶段、形成毛边阶段、充满型槽阶段、锻足或称打靠阶段。

毛边槽作用：

a）造成足够大的水平方向的阻力，迫使金属充满型槽，保证锻件尺寸精确。

b）缓冲锤击，提高模具寿命。

c）容纳多余金属。

2）闭式模锻闭式模锻也称无毛边模锻。

在变形过程中，金属始终被封闭在型腔内不能排出，迫使金属充满型槽而不形成毛边。

其变形过程大体分为三个阶段：

基本成形阶段、充满型槽各处、形成纵向行刺阶段。

3）模锻锤吨位的计算

a）经验公式

双动模锻锤G=（3.5～6.3）κF

双动模锻锤G1=（1.5～1.8）G

无砧座锤E=（20～25）G

式中G，G1——锤落下部分的重量（kg）

E——无丰座侧重于的打击能量（J）

F——锻件本体和毛边（按仓部50%计算）在水平面上的投影面积（cm2）

κ——材料系数，见下表。

b）终锻温度下部分钢材的系数κ

材料

终锻温度（℃）

κ

碳素结构钢C<0.25%

700

0.9

碳素结构钢C>0.25%

750

1.0

低合金结构钢C<0.25%

800

1.0

低合金结构钢C>0.25%

800

1.15

高合金结构钢C>0.25%

850

1.25

合金工具钢

850

1.55

6.2液压机上模锻吨位计算

1）根据模锻材料及投影面积计算，见下表

合金种类

锻件类型

水压机压力／kN

20000～40000

40000～100000

100000～200000

200000以上

锻件投影面积／cm2

铝合金

预锻件

1290～2258

2258～5160

5160～12900

12900～32260

一般锻件

516～1030

1030～2580

2580～5160

5160～14200

钢

预锻件

325～968

968～2420

2420～6450

6450～16130

一般锻件

258～806

806～2015

2015～4520

4520～9680

钛合金

预锻件

325～645

645～2260

2260～4520

4520～14200

一般锻件

258～516

516～1290

1290～2580

2580～7740

高温合金

预锻件

258～516

516～1290

1290～4520

4520～9680

一般锻件

194～387

387～970

970～2580

2580～6450

2）根据公式计算

水压机的模锻压力大致按下式计算：

P=zmFq

式中z——变形条件系数

m——毛坯体积系数

F——被模锻的毛坯在垂直于变形力方向的平面上的投影面积（不含毛边）

q——单位压力，对于带薄腹板和宽腹板的钛合金锻件，q=588MPa，对于其他类型锻件，q=490MPa。

现将系数z和m的数值列举如下：

加工种类系数z

自由锻1.0

毛坯模锻

外形简单的毛坯1.5

外形复杂的毛坯1.8

外形非常复杂的毛坯，截面之间急剧过渡，毛坯消耗

材料较多，模腔可用挤压充填2.0

模锻毛坯的体积／cm2系数m

25以下1.0

25～1001.0～0.9

100～10000.9～0.8

1000～50000.8～0.7

5000～100000.7～0.6

10000～150000.6～0.5

15000～250000.5～0.4

25000以上0.4

7锻后冷却及热处理

1）锻后冷却常见缺陷

冷却裂纹它是由于冷却过程中产生的内应力产生的。

（温度应力、组织应力或残余应力）

白点当含氢量较高的钢锭或钢坯在锻造冷却过程中,在应力作用下,溶解在钢中的氢浓度及状态随温度的变化而变化,试验研究证明,从高温到低温氢在钢中的溶解度降低并大量析出,在截面的偏析区和晶体缺陷处集成分子状态,一方面产生应力,另一方面使该处变脆,当氢达到一定浓度后形成裂纹,这种裂纹在锻件的纵断面上形成一种银白色的斑点,在横断面上表现为细小裂纹.

网状碳化物过共析钢和轴承钢终锻温度高并在锻后缓冷时，将由奥氏体中析出大量二次碳化物，使钢变脆,在以后的热处理和其它加工过程中容易发生裂纹.

2）锻后冷却方法即在空气中冷却，速度较快；在坑（箱）内冷却，速度较慢；在炉内冷却，速度最慢。

3）锻后热处理的目的：

一，调整锻件硬度，以利锻件进行切削加工；二，消除锻件内应力，以免在机械加工时变形；三，改善锻件内部组织，细化晶粒，为最终热处理作好准备；四，对于不再进行最终热处理的锻件，应保证达到规定的力学性能要求。

四锻件的热处理

1热处理是将固态的金属和合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需的组织结构和性能的工艺。

通过热处理能充分发挥金属材料的性能潜力，满足加工和使用要求，延长机器零件的使用寿命和节约金属材料。

热处理过程一般可分为三个步骤：

1）加热把需要热处理的钢件放置在加热炉中，加热到所需温度。

2）保温使加热到所需温度的钢件在该温度下保持一定的时间，达到内外温度趋于一致，使钢的组织得到充分转变。

3）冷却把加热、保温后的钢件放置在适当的介质中进行冷却，以获得所需要的钢的内部组织。

1常用的热处理方法

1）退火是将钢加热到高于临界点温度（AC3亚共析钢或AC1过共析钢）20~30℃或低于临界点温度（AC1）的某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却下来（炉冷、砂冷等）的方式。

其目的是：

一，细化晶粒组织，提高钢的综合机械性能，二，消除铸、锻件在冷却过程中形成的不平衡组织或硬点，便于切削加工。

三，消除加工应力。

2）正火是将钢加热到临界点温度以上（AC3亚共析钢或ACCM过共析钢）30~50℃，保温后在静止的空气中冷却的处理方式。

其目的在于：

一，对于不太重要零件，正火后其性能已满足使用要求，可作为最终热处理。

二，对于某些钢，经过热处理可改变其切削性能。

3）淬火是将钢加热到临界点温度以上（AC3亚共析钢或AC1过共析钢）30~50℃，保温一段时间后，然后较快冷却，获得碳在а-Fе中过饱和的固溶体中的热处理方式。