第一章;合金钢与工具钢锻造

有色金属及合金钢锻造tel/p>

课程介绍及要求本课程对有色金属、合金钢锻造技术作了全面、系统的介绍，内容涉及原理、工艺、设备、模具、测试和废次品分析及有关国内外锻造技术现状等。

1各种材料锻造技术的基本原理和工艺方法，打下金属塑性成形工艺的扎实基础创造条件，具有一定的综合分析和处理材料成形实际问题的能力；

2能对具体产品锻造方法的选择迅速做出可行性和局限性的评价，为锻造工艺参数的典型化、系统化打下基础，也为现代信息技术在锻件设计和制造中的应用开辟新的道路。主要参考书：《锻造工艺学与模具设计》西北工业大学出版社姚泽坤主编《锻造工艺过程及模具设计》中国林业出版社胡亚民主编《锻造工艺与模具设计》机械工业出版社闫洪主编《锻造工艺学》机械工业出版社吕炎主编考核方式：1、考核方式：本课程考核方式为考试。2、成绩综合评定：平时表现占总成绩20%，课程学习情况占总成绩80%，满分100分。

第一章合金结构钢和工具钢锻造

§1.1合金结构钢和合金工具钢§1.2.锻造用原材料§1.3.可锻性

§1.4.锻造热力规范

§1.5.锻造工艺特点

§1.6.模锻工艺举例

§1.7.锻件典型缺陷1.1合金结构钢和合金工具钢一、合金结构钢

用于制造各种机械零件以及各种工程构件的钢材称为结构钢,当加入各种合金元素（Cr、Mn、Si、Ni、W、V、Ti、Nb等）—合金结构钢。主要用于：飞机和发动机的承力构件。合金钢按用途和热处理可分为：调质钢、渗碳钢、超高强度钢、弹簧钢、轴承钢。1

调质钢：碳含量为0.25%-0.5%之间，属于中碳钢，具有良好的综合机械性能，用于制作承受较大负荷的零件如航空发动机的涡轮轴、飞机起落架的承力件等。2渗碳钢：碳含量为0.12%-0.25%之间,能够承受较大负荷外，表面还耐磨，主要用于加工某些零件的齿轮、活塞销及凸轮等。3超高强度钢：材料具有更高强度的一种新钢材，主要用于制造起落架的外筒、活塞杆等承重零件结构。4合金弹簧钢：碳含量为0.46%-0.9%之间，航空工业中常用的是硅锰钢（60Si2Mn），同时加入其它少量元素。5轴承钢：通常称为高碳铬钢，碳含量为0.95%-1.15%之间，二、合金工具钢

化学成分分：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢；

按用途分：刃具钢、模具钢、量具钢；1

合金刃具钢：碳含量为0.7%-1.5%之间，具有高的硬度和韧性。2合金量具钢：主要制作形状复杂、精度要求高的量具。3合金模具钢：

1）冷变形模具钢：主要制造冲、切、拉、挤、弯等模具，要求具有高硬度、高耐磨性的钢材；

2）热变形模具钢：碳含量为0.3%-0.6%之间，在高温下具有较高的机械性能。1.2锻造用原材料

锻造用的原材料为钢锭和钢材，以棒材居多。原材料的质量主要取决于：冶炼工艺、浇铸工艺、成形工艺等。一、冶炼工艺对钢材质量的影响目前主要的冶炼工艺为：电弧炉冶炼、电渣重熔、真空熔炼（真空感应熔炼、真空自耗重熔）。图1-1为电渣重熔原理图：

从发热原理来说，电渣重熔炉是一种电阻熔炼炉。电渣重熔工艺是电极下端部浸埋在熔融的熔渣中。交流电流通过高电阻渣池时产生大量热量，它把浸埋在熔融的熔渣中的电极端部熔化，熔化产生的金属熔滴穿过渣池滴入金属熔池，然后被水冷结晶器冷却后凝结成锭。在此过程中，金属熔滴与高温高碱度的熔渣充分接触，产生强烈的冶金化学反应，使金属得到了精炼。

图1-2为真空自耗重熔原理图：世界上第一台真空自耗电弧炉是于1950年在美国诞生的。首先，在自耗电极下端部同结晶器之间燃起电弧，自耗电极下端部同熔池之间形成电弧等离子区，该区具有极高的温度，能使自耗电极端部首先在这里被熔化掉。随着自耗电极中一些非金属夹杂物，如氧化物、氮化物，在真空和高温条件下，发生离解或被碳还原而被去除掉，达到进一步提纯的目的。二、成形工艺对钢材质量的影响

1轧制成形：轧制主要是钢材沿着一个方向延伸变形，总变形量大，但每道次的变形量较小，且各向异性也较明显。因此，变形深透不足，断面尺寸较大的部件心部不如外部组织致密。

2锻造成形：锻造能使合金完成再结晶，对合金钢的塑性恢复有利锻造时的三向压应力状态有利于提高塑性。三、钢锭和钢材的冶金质量问题

1表面质量主要指结痂、表面夹渣和夹杂、表面裂纹及皮下气泡等缺陷。

2低倍缺陷是指通过肉眼或者不大于10倍的放大镜检验的，常见的有：缩孔、疏松、气泡、夹杂和夹渣、翻皮、裂纹、白点等。

1）缩孔钢锭在浇铸时最后凝固时得不到钢液补充，形成收缩空洞。防止措施是使缩孔集中在钢锭的冒口部位，并保证足够的切头率。

2）疏松由收缩或其他因素引起的细小孔隙称为疏松。疏松直接影响其力学性能，特别是塑性。

3）夹杂和夹渣主要是冶炼或浇铸设备上脱落的耐火材料或未脱净的炉渣及掺入的其他异物。破坏了金属组织的连续性，使钢的性能降低。由于硬而脆，加热或热处理时往往形成裂纹。

4）翻皮浇铸时将富集夹杂物的液面结膜卷入钢中形成的一种缺陷。破坏了钢材的连续性，使钢材局部严重污染，并在进一步的变形加工中导致裂纹，因此翻皮缺陷是绝不容许的。

5）白点钢热加工时，在一定温度范围冷却较快时，过饱和的原子氢脱熔进入钢内微孔隙中合成为分子氢，形成巨大压力，并和冷却时的热应力及相变所产生的组织应力相结合，使钢材内部细小裂纹。这种细小裂纹在钢材的纵向断口上呈圆形或者椭圆形的银白色斑点，所以称为白点如图1-3所示。

防止白点的根本措施是降低钢中H的含量。例如：真空冶炼、真空处理、真空浇铸等。

6）偏析是指钢中化学成分及杂质的不均匀分布现象，它是在钢的冶炼及其结晶过程中，由于某些因素的影响而形成的。按其形态可分为：方框偏析、点状偏析、波纹偏析、枝晶偏析等。

1.3可锻性

可锻性一般用塑性和变形抗力来衡量，可锻性对锻件成形和锻件质量有重要影响，因此研究金属材料的可锻性，能够确定正确的锻造工艺及锻造设备的吨位。一、塑性

1杂质及合金元素对钢的塑性的影响钢中的主要元素为：硫、磷、氮、氧、氢、碳、锰、镍、铬、钨、矾、钼、铜、钛、硼。

2高温塑性热扭转实验室测量钢的可锻性的一种常用手段。实验中记录下扭转圈数（塑性指标）及扭矩（变形抗力指标）。图1-4为热扭转实验所确定的几种合金结构钢和工具钢的塑性图。图1-5为Cr12MoV工具钢塑性曲线图1-6为各种加工温度下铸态钢和锻态钢加工塑性的比较。

二、变形抗力金属抵抗形状变化和残余应变的能力。高温拉伸时测得的变形抗力的指标有：

屈服强度和抗拉强度。

1.4锻造热力规范

锻造热力规范是指锻造时采用的一些热力学参数（锻造温度、变形程度、变形速率、应力状态、加热、和冷却速度等），制定一个合理额锻造工艺。一、锻造温度范围

是指始锻温度与终锻温度之间的一段温度间隔，确定锻造温度的基本原则是：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。并能够得到所要求的组织和性能。锻造温度范围应尽可能宽一些，以减小锻造火次，提高生产效率。

图1-10为碳钢的锻造温度范围。

1始锻温度:

钢或合金在加热炉中允许的最高加热温度，始锻温度要低于熔点（状态图固相线温度）150-200度。对于碳钢始锻温度随含碳量的增加而降低；对于合金结构钢和合金工具钢始锻温度随含碳量的增加降低得更多。由于过热的影响钢锭的始锻温度比同种钢坯和钢材高20-30度。

过热：钢材加热超过某一定温度时，便产生奥氏体晶粒急剧长大的现象。镍铬钼钢对过热最为敏感。除此之外冶炼方法对钢的过热温度也有显著的影响。

不稳定过热：经过正火热处理（正火、淬火）之后性能也随之恢复。

稳定过热：虽热经过正火、淬火时钢重新奥氏体化了，但是钢材的机械性能降低了，尤其是冲击韧性的降低更明显。

2终锻温度：允许最低温度，主要应保证在结束锻造之前钢仍具有足够的塑性，以及锻件在锻后获得再结晶组织。

过共析钢的终锻温度一般应高于A1（SE′线）50-100度以上；

亚共析钢的终锻温度应在A3以上15-50度；

低碳亚共析钢终锻温度应在A3以下；

铸锭的终锻温度比锻坯高30-50度。

终端温度过高，停锻后，锻件内部晶粒会继续长大，形成粗晶组织，例如过热产生的魏氏组织仅用退火或淬火是难以完全消除的，必须用锻造予以纠正。

锻造温度范围的选择：状态图能大致确定温度范围，但是状态图上的临界点与钢在锻造时的相变温度并不一致。例如：常用30CrMnSiA钢的熔点为1380℃，Ac3为830℃，Ac1为760℃。根据状态图临界点确定的锻造温度范围为850-1200℃。而在1-12中通过钢的塑性图及变形抗力图可看出，在1200℃时，钢的ak(金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性)值开始有较多的下降，所以始锻温度取值为1180℃，终锻温度为850℃。

除了状态图能大致确定温度范围外塑性图、变形抗力等也是必须考虑的因素。生产条件不同，各工厂所用的锻造温度范围也是不一样的，合金结构钢的锻造温度如表1-4所示；合金结构钢钢锭的锻造温度如表1-5所示；合金工具钢、弹簧钢、滚珠轴承钢的锻造温度范围如表1-6所示。二、变形程度

锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。锻造比是影响锻件质量的最主要因素之一。因此锻件比有很重要的实际意义。

1锻造比的计算：拔长时，锻造比为：y=F0/F1或y=L1/L0

F0，L0—拔长前尺寸（面积、长度）；

F1，L1—拔长后尺寸（面积、长度）。镦粗时，锻造比为：y=F1/F0或y=H0/H1

F0，H0—镦粗前尺寸（面积、高度）；

F1，H1—镦粗后尺寸（面积、高度）。

2锻造比对钢锭低倍组织和机械性能的影响：

铸锭经过热塑性变形后，组织和性能将发生很大变化：

1）破碎粗大的树枝状和柱状结晶组织，使之细化；

2）有效的消除铸锭中的气孔、疏松、缩孔等缺陷；3）充分破碎铸锭中的偏析、夹杂物等而使组织趋于均匀。

例如：40CrNiMoA钢锭经不同锻造比后的组织变化如表1-7和图1-13所示。，1)锻造比y<4~6时，中心疏松和一般疏松随锻造比增大而显著减小。说明在高温高压下，钢锭的内部的疏松、气泡、微裂纹等缺陷得到焊合，钢的致密度显著提高，当锻造比y>8之后，钢的致密度几乎不再发生变化。，

从图1-13中可看出低倍组织变化如下：

1）当锻造比小时，低倍组织为明暗交叉的条带，如图1-13a，枝晶主杆间的疏松、孔隙及夹杂物明显可见；

2）当锻造比逐渐增大时，钢的低倍组织为完全变形组织，纤维结构明显，组织的致密性与均匀性得到提高，如图1-13d、e；

3）随着锻造比进一步增大，纤维结构越来越细而致密，通过电子探针进行微观分析证明，纤维组织中暗带的铬、镍、钼、锰等合金元素比明带处多等。

对应的性能组织变化：

1)锻造比y<8：纵向机械性能各项指标随着锻造比的增大而略有提高；2)锻造比y>8：纵向机械性能各项指标趋于稳定，3)锻造比y<4：横向机械性能各项指标随锻造比增大而增大。

注：纤维组织对钢性能的影响；

纤维组织对钢的强度指标影响不大，而对塑性指标影响比较大。

如前所述，钢锭内部的树枝晶组织未破碎，未能使树枝晶组织的晶轴与金属的主伸长方向相一致，钢材和锻件上就会出现“残余枝晶”。导致钢的组织致密性和均匀性不高，有偏析存在，这些会导致晶体间的联系，引起应力集中，成为疲劳源。综上所述，偏析对钢的性能有很大的影响。改善枝晶偏析的方法主要是改善钢材的结晶条件，抑制粗大枝晶的出现，并在热加工过程中保证足够的锻造比，使枝晶能够充分的破碎而得到改善。高温退火对枝晶偏析的改善也有一定的作用。

3锻造比的选择

1）考虑因素：金属材料种类、锻件性能要求、工序种类、锻件的尺寸形状等。

2）最小必须满足的锻造比为：

1t钢锭为2.5；

3t钢锭为2.7；

5t钢锭为2.8；

10t钢锭为3；

30t钢锭为4；

4变形程度对钢晶粒度的影响30CrMnSiA钢的再结晶图如图1-15所示，终锻时不会引起临界粗晶的产生；在始锻温度（1-150℃）钢的临界变形程度约为5-15%。1.3锻造热力规范一、备料

铸锭大小的选择、表面处理、进场复验等锻造用的钢材有轧材、锻材、挤材和冷拉钢材等。二、加热

火焰加热、电阻炉加热、电感应加热或点接触加热、保护气体加热。根据钢材大小加热的温度也不同，合金结构钢材和钢锭的加热规范如表1-4和1-5所示。三、自由锻

三、自由锻

自由锻主要解决两个方面问题：

一是成形；二是质量。钢锭和大型锻件的自由锻，主要问题是要解决好内部质量问题，因此还需要解决好以下有关质量问题。

1合金结构钢原材料内部缺陷的锻合

1）缺陷主要是指：未经氧化、不含非金属夹杂的内部疏松、气泡、微裂纹（白点）等。

2）锻合：是指孔隙内壁闭合，使相临的原子恢复结合力并形成应有的规则点阵状态。温度越高，孔隙越易焊合。

如图所示，当压缩至H/D=0.2时，轴心缺陷全部焊合

2合金工具钢中网状碳化物的破碎

1）原因：锻后易沿晶界形成网状碳化物，其起着分割金属集体的作用，使钢的强度及韧性降低，在随后锻造或热处理过程中易造成开裂；制成的刀具由于脆性大，易产生断裂现象。

2）解决方法：（a）

在钢的碳化物析出温度范围内的较低温度下结束锻造并给予足够大的变形量，以破碎沿晶界析出的碳化物使之弥散分布于基体中；（b）加速钢的锻后冷却。四、模锻

飞机、发动机上的主要受力构件绝大多数是模锻件，这是因为模锻件的纤维组织不被切断锻件质量比自由锻好。

五、锻件的冷却

六、热处理

1合金结构钢锻件热处理

2合金工具钢锻件热处理

各类合金结构钢、工具钢的最终处理方法及机械性能见课本表1-1。

1.6模锻工艺举例一、侧吊挂支架开式模锻

侧吊挂支架开式模锻工艺过程如下：

1.7锻件典型缺陷

脱碳、萘状断口、石状断口、层状断口、低倍粗晶（大晶粒）、本质晶粒度粗大不均粗晶、低倍“螺线”、锻造裂纹一、脱碳1脱碳是指金属在高温下表层的碳被氧化，使得表层的含碳量较内部有明显降低的现象。2脱碳层的深度与钢的成分、炉气的成分、温度和在此温度下的保温时间有关。采用氧化性气氛加热易发生脱碳，高碳钢易脱碳，含硅量多的钢也易脱碳。3脱碳使零件的强度和疲劳性能下降，磨损抗力减弱。

二、萘状断口1萘状断口属于粗晶粒的结晶端口，端口表面有金属光泽，分布着许多小亮点。2产生原因：主要是由加热温度过高或者终锻温度太高，变形量又不够大而引起的，其实质是钢已经过热。3处理方法：高温正火和回火来消除或改善。

三、石状断口1萘石状断口是沿粗晶粒的晶界断裂，端口表面凹凸不平，无金属光泽。2产生原因：主要是由加热温度过高、奥氏体晶粒粗大、冷却时沿奥氏体晶界析出了第二相质点或薄膜。3处理方法：一般的热处理方法是不易改善和消除的，要求评级后使用。

四、层状断口1层状断口的特征是其断口或断面与折断了的石板、树皮很相似。2层状断口多发生在合金钢（铬镍钢、铬镍钨钢等），碳钢中也有发现。3这种缺陷的产生是由于钢中存在的非金属夹杂物、枝晶偏析以及气孔疏松等缺陷