锻造工艺与模具设计-锻造用材料准备

1、第二章第二章 锻造锻造用材料准备用材料准备1谢利谢利材料工程材料工程学院学院主要包括碳素钢、合金钢、高温合金、有色金属及其合金按加工状态分类：铸锭(大型锻件)、轧材、锻坯(中小型锻件)和挤压棒 C低于0.25%低碳钢碳钢 C在0.25%-0.6%中碳钢 C大于0.6%高碳钢2-1 锻造用原材料2钢锭是由冒口、锭身和底部组成。钢锭表层为细小等轴结晶区，向里为柱状结晶区，枝状结晶区，心部为粗大等轴结晶区。2.1.1钢锭的内部结构及缺陷3由金属学所学内容知，钢锭的内部缺陷主要集中在冒口、底部和中心部分;选择结晶,冒口处聚集着轻质夹杂物和气体,形成收缩空,周围产生严重疏松;心部和底端为沉积区,含有较大

2、密度的夹杂物;其中冒口和底部作为废料应予切除;由于冶金和物理化学的规律性,钢锭的常见缺陷有：偏析、夹杂、气体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤等;这些缺陷的形成与冶炼、浇注和结晶过程紧密相关，并且空洞和疏松一类的缺陷不可避免.4偏析 包括枝晶偏析（指钢锭在晶体范围内化学成分的不均匀性）和区域偏析（钢锭在宏观范围内的不均匀性）;造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。枝晶偏析现象可以通过锻造、再结晶、高温扩散和锻后热处理得到消除;区域偏析只有通过反复镦拔变形工艺才能使其化学成分趋于均匀化.5夹杂夹杂 分为分为内在夹杂和外来夹杂内在夹杂和外来夹杂 内在内在夹杂指冶炼时产生的氧化物、硫化物、夹杂指冶炼时产生的氧化

3、物、硫化物、硅酸盐等非金属夹杂，外来夹杂是耐火材质、炉硅酸盐等非金属夹杂，外来夹杂是耐火材质、炉渣碎粒渣碎粒等等; ;它它破坏金属的连续性，夹杂处产生应破坏金属的连续性，夹杂处产生应力集中，引发显微裂纹，成为疲劳源，低熔点夹力集中，引发显微裂纹，成为疲劳源，低熔点夹杂在晶界上分布易引起杂在晶界上分布易引起热脆热脆现象现象; ;可见可见夹杂降低夹杂降低铸锭的锻造性能和锻后的力学性能。铸锭的锻造性能和锻后的力学性能。6气体和气泡气体和气泡 常见的残存气体是氧、氮、氢常见的残存气体是氧、氮、氢等等; ;氢氢是钢中危害最大的是钢中危害最大的气体气体; ;对于白点敏感钢，当氢含量达到一定数值后，冷却对于

4、白点敏感钢，当氢含量达到一定数值后，冷却时易产生时易产生白点白点缺陷缺陷. .氢氢含量高还会引起含量高还会引起氢脆现象氢脆现象，钢的塑性显著钢的塑性显著下降下降. .只要只要气泡不是敞开的或气泡内气泡不是敞开的或气泡内壁没有被氧化，通过锻造可以焊合，但皮下气泡常壁没有被氧化，通过锻造可以焊合，但皮下气泡常常容易引起常容易引起裂纹裂纹. . 7缩孔和疏松缩孔和疏松 缩孔在冒口区，由于冷却时钢液补充不足而形缩孔在冒口区，由于冷却时钢液补充不足而形成，含有大量杂质，必须将缩孔与冒口一起切除。成，含有大量杂质，必须将缩孔与冒口一起切除。 疏松疏松集中在中心部位，降低组织的致密度，破集中在中心部位，降低

5、组织的致密度，破坏了金属的连续性，锻造时用大变形才能消除。坏了金属的连续性，锻造时用大变形才能消除。溅疤溅疤 当采用上注法浇注时，钢液将冲击钢锭模当采用上注法浇注时，钢液将冲击钢锭模底而飞溅至模壁上，溅珠和钢锭不能凝为一体，在底而飞溅至模壁上，溅珠和钢锭不能凝为一体，在钢锭表面形成溅钢锭表面形成溅疤疤. .锻锻前应铲除，否则会在锻件上前应铲除，否则会在锻件上形成形成夹层夹层. .一般来说一般来说，钢锭越大，产生上述缺陷的可能性就越，钢锭越大，产生上述缺陷的可能性就越大，缺陷性质就越大，缺陷性质就越严重严重. .82.1.2型材的常见缺陷1 1、表面缺陷、表面缺陷： 划痕划痕 轧制中的意外原因在

6、其表面划出伤痕，深度轧制中的意外原因在其表面划出伤痕，深度达达0.2-0.5mm0.2-0.5mm，会影响锻件的，会影响锻件的质量质量; ; 折迭折迭 已氧化的表层金属被压入金属内部而形成折已氧化的表层金属被压入金属内部而形成折迭，折缝内有氧化物而不能锻迭，折缝内有氧化物而不能锻合合. .在在折迭处易产生应力集折迭处易产生应力集中，影响锻件中，影响锻件质量质量. . 发裂发裂 钢锭皮下气泡被轧扁、拉长、破裂形成发状钢锭皮下气泡被轧扁、拉长、破裂形成发状裂纹，深度约为裂纹，深度约为0.5-1.5mm.0.5-1.5mm.在在高碳钢和合金钢中易产生此高碳钢和合金钢中易产生此缺陷缺陷. .9结疤结疤

7、 浇注时，钢液飞溅而凝固在钢锭表面，轧制过程浇注时，钢液飞溅而凝固在钢锭表面，轧制过程中被轧成薄膜而附于轧材表面，其深度约为中被轧成薄膜而附于轧材表面，其深度约为1.5mm;1.5mm;粗晶环粗晶环 铝合金、镁合金挤压棒材，在其圆断面的外层铝合金、镁合金挤压棒材，在其圆断面的外层区域，常出现粗大晶粒，称为粗晶环。主要原因为挤压时区域，常出现粗大晶粒，称为粗晶环。主要原因为挤压时金属与挤压筒间摩擦太大而形成的死区。锻造时易开裂，金属与挤压筒间摩擦太大而形成的死区。锻造时易开裂，或留在锻件表层降低锻件性能。因此，锻前应将粗晶环切或留在锻件表层降低锻件性能。因此，锻前应将粗晶环切除。除。102 2、

8、材料内部缺陷：、材料内部缺陷：碳化物偏析碳化物偏析 在高碳合金钢中易产生。原在高碳合金钢中易产生。原因是碳化物在开坯和轧制时未被打碎和不均因是碳化物在开坯和轧制时未被打碎和不均匀分布造成的。碳化物偏析容易引起锻件开匀分布造成的。碳化物偏析容易引起锻件开裂等。消除碳化物偏析，其最有效的办法是裂等。消除碳化物偏析，其最有效的办法是采用反复镦采用反复镦拔工艺，彻底打碎碳化物并均拔工艺，彻底打碎碳化物并均匀分布。匀分布。非金属夹杂非金属夹杂 夹杂物被轧成带状，破坏金属夹杂物被轧成带状，破坏金属的连续性，严重时，会引起锻件开裂。的连续性，严重时，会引起锻件开裂。11 白点白点 隐藏在锻坯内部，在纵向断口

9、上呈圆隐藏在锻坯内部，在纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，在横向断口上呈细形或椭圆形的银白色斑点，在横向断口上呈细小裂纹，显著降低钢的韧性。白点的大小不一小裂纹，显著降低钢的韧性。白点的大小不一，长度为，长度为1-20mm1-20mm不等或更长。其原因是钢中氢不等或更长。其原因是钢中氢含量太高和各种内应力共同作用下产生的。当含量太高和各种内应力共同作用下产生的。当钢中氢含量较多和热加工后冷却太快时容易产钢中氢含量较多和热加工后冷却太快时容易产生白点。生白点。存在白点的金属存在白点的金属必须切除必须切除，不能再使用。，不能再使用。12总之总之 表面缺陷表面缺陷，锻前应去除，以免影响锻件质量。

10、，锻前应去除，以免影响锻件质量。 内部缺陷内部缺陷，严重时不应投入生产。，严重时不应投入生产。 132-2 下料方法在在加热和锻造之前，将原材料切成所需长度或所加热和锻造之前，将原材料切成所需长度或所需几何尺寸的工序，称为需几何尺寸的工序，称为下料下料。大大铸锭下料属于自由锻的任务，通常用自由锻方铸锭下料属于自由锻的任务，通常用自由锻方法进行开坯，然后将锭料两端切除，并按一定尺法进行开坯，然后将锭料两端切除，并按一定尺寸将坯料分割开来寸将坯料分割开来。其它材料的下料工作，一般都在其它材料的下料工作，一般都在锻造车间的下料锻造车间的下料工段工段进行。进行。14l常用的下料方法有：剪切、冷折、锯切

11、、车削、砂轮切割、剁断及特殊精密下料等。l各种下料方法都有其特点，它们的毛坯质量、材料利用率、加工效率等往往有很大不同。选用何种方法，应视材料性质、尺寸大小、批量和对下料质量的要求而定。151 1、剪切法、剪切法(1)(1)剪切剪切下料的特点：生产率高、操作简下料的特点：生产率高、操作简单，断口无金属损耗、工具简单，模具费单，断口无金属损耗、工具简单，模具费用低等；但端面质量较冲床下料和切削加用低等；但端面质量较冲床下料和切削加工方法下料差。工方法下料差。适用于适用于大批量生产大批量生产，被普，被普遍采用。遍采用。16(2)(2)剪切过程剪切过程: :通过通过上下两刀片作用给坯料以上下两刀片作

12、用给坯料以一定压力一定压力F F，在坯料内产生弯曲和拉伸变形，在坯料内产生弯曲和拉伸变形，当应力超过材料的剪切强度时发生断裂。当应力超过材料的剪切强度时发生断裂。 剪切剪切三阶段：一、刀刃压进棒料，塑性变三阶段：一、刀刃压进棒料，塑性变形区不大，形区不大， 由于加工硬化的作用，刃口端处由于加工硬化的作用，刃口端处首先出现裂纹；二、裂纹随刀刃的深入而继首先出现裂纹；二、裂纹随刀刃的深入而继续扩展；三、在刀刃的压力作用下，上下两续扩展；三、在刀刃的压力作用下，上下两裂纹间的金属被拉断，造成裂纹间的金属被拉断，造成S S形断面。形断面。17(3)(3)剪切剪切下料可分为两种：下料可分为两种： 专用剪

13、床下料，即在专用剪床上进行；专用剪床下料，即在专用剪床上进行； 其它设备上剪切下料，即在压力机、其它设备上剪切下料，即在压力机、 液液压机或锻锤上用剪切模具进行下压机或锻锤上用剪切模具进行下料料; ;(4)(4)质量问题：坯料局部被压扁、端面不平整质量问题：坯料局部被压扁、端面不平整、剪断面常有毛刺和、剪断面常有毛刺和裂缝裂缝; ;(5)(5)冷剪切和热剪切冷剪切和热剪切：按剪切时坯料温度不同：按剪切时坯料温度不同分为冷切和分为冷切和热切热切. .18冷剪切冷剪切的生产率高，但所需剪切力的生产率高，但所需剪切力较大较大, ,一般用于一般用于低、中低、中碳结构钢和截面尺寸较小的棒材碳结构钢和截面

14、尺寸较小的棒材。钢中碳含量或合金含钢中碳含量或合金含量较多时，强度高且塑性差，冷剪切时钢中产生很大的量较多时，强度高且塑性差，冷剪切时钢中产生很大的应力而在切口出现裂纹或崩碎，这时，应采用热剪切法应力而在切口出现裂纹或崩碎，这时，应采用热剪切法下下料，如料，如工具钢、合金钢和截面尺寸较大的棒料或钢坯工具钢、合金钢和截面尺寸较大的棒料或钢坯; ;采用采用冷剪切或热剪切下料应根据坯料横断面尺寸大小和冷剪切或热剪切下料应根据坯料横断面尺寸大小和化学成分而化学成分而定定; ;例：截面大或者直径大于例：截面大或者直径大于120mm120mm的的中碳钢，应进行预热剪中碳钢，应进行预热剪切；高碳钢和合金钢应

15、按化学成分和尺寸大小确定预热切；高碳钢和合金钢应按化学成分和尺寸大小确定预热温度，在温度，在400-700400-700范围内选定范围内选定。但。但剪切较软材料时预热剪切较软材料时预热温度不宜过高，利用蓝脆现象（钢材为温度不宜过高，利用蓝脆现象（钢材为250-350250-350），可），可提高剪切质量，获得光滑的断面。提高剪切质量，获得光滑的断面。19(5)(5)剪切力剪切力按下式计算：按下式计算：F=KAF=KA 式式中中 FF计算的剪切力；计算的剪切力； A A剪切断面积剪切断面积(mm(mm2 2) )； 材料剪切抗力材料剪切抗力(MPa)(MPa)，剪切强度比同温度下，剪切强度比同温

16、度下的强度极限小一些的强度极限小一些，一般，一般为：为：剪剪=(=(0.70.8)0.70.8)b b； K K考虑到刃口磨钝和间隙考虑到刃口磨钝和间隙变化的系数，一般变化的系数，一般为为K=1.0-1.2K=1.0-1.2。202 2、锯切法锯切法 锯锯切能切断横断面较大的坯料，虽然生产率切能切断横断面较大的坯料，虽然生产率较低，锯口损耗大，但因为较低，锯口损耗大，但因为下料精确，切口平整下料精确，切口平整，特别用在精锻工艺上，仍不失为一种主要的的，特别用在精锻工艺上，仍不失为一种主要的的下料手段。下料手段。 对于对于端面质量、长度精度要求高的钢材下料端面质量、长度精度要求高的钢材下料，也采

17、用锯切下料。所以，锯床下料使用仍较普，也采用锯切下料。所以，锯床下料使用仍较普遍。金属可以在热态下或冷态下锯切。锻造生产遍。金属可以在热态下或冷态下锯切。锻造生产中大都采用冷态锯切，只有轧钢厂才采用热态锯中大都采用冷态锯切，只有轧钢厂才采用热态锯切。切。21常用的下料锯床有圆盘锯、带锯和弓形锯等。常用的下料锯床有圆盘锯、带锯和弓形锯等。圆盘锯圆盘锯：的锯片厚度一般为的锯片厚度一般为3-8mm3-8mm，锯屑损耗较大，锯屑损耗较大。且锯切速度较低，圆周速度约为。且锯切速度较低，圆周速度约为0.5-1.0m/s0.5-1.0m/s。比普通切削加工速度低，故生产率较低。锯切直比普通切削加工速度低，故

18、生产率较低。锯切直径可达径可达750mm750mm。带锯：带锯：有立式、卧式、可倾立式等。其生产率是有立式、卧式、可倾立式等。其生产率是普通圆锯床的普通圆锯床的1.5-21.5-2倍，切口损耗为倍，切口损耗为2-2.2mm2-2.2mm，主，主要用于锯切直径在要用于锯切直径在350mm350mm以内的棒料以内的棒料。弓形锯：弓形锯：是一种往复锯床，由弓臂及可以获得往是一种往复锯床，由弓臂及可以获得往复运动的连杆机构等组成。锯片厚度为复运动的连杆机构等组成。锯片厚度为2-5mm2-5mm，一，一般用来锯切直径为般用来锯切直径为100mm100mm以内的棒料。以内的棒料。223 3、其他下料方法、其他下料方法砂轮砂轮片切割片切割法法: :适用于适用于切割小截面棒料、管料和异形切割小截面棒料、管料和异形截面材料，以及其它下料方法难于切割的金属截面材料，以及其它下料方法难于切割的金属 ，如，如高温合金高温合金GH33GH33、GH37GH37