第2章锻造用原材料及坯料准备

第2章

锻造用原材料及

坯料准备

2.1锻造用原材料锻造用坯料一般为棒、板、管状的黑色金属、有色金属和贵金属。圆柱体毛坯要考虑高径比H/d,当高径比H/d≥2时，要预制坯，防止在成形过程中弯曲失稳，或产生弯曲，形成折叠；H/d较小时，可采用板料下料。薄板毛坯采用普通冲裁落料或精密冲裁下料2.1.1黑色金属种类举例普通碳素结构钢Q195、Q215、Q235优质碳素结构钢10、20、30、40

合金结构钢铬钢20Cr、30Cr、40Cr铬钼钢20CrMo、30CrMo、40CrMo铬镍钼钢20CrNiMo、30CrNiMo铬锰钢20CrMn、30CrMn

不锈钢奥氏体钢0Cr18Ni9、0Cr17Ni11MoZ、00Cr18Ni10马氏体钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2铁素体钢1Cr17、0Cr13部分冷锻用钢

冷锻用材料

状态

钢热轧退火状态；热轧退火后的剥皮材或无心磨削坯料；经小变形量拉拔的棒材；退火状态的拉拔棒材；铸锭；锻坯

有色金属热轧棒材；热轧板材；退火状态的挤压坯料；退火状态的拉拔坯料；铸件冷锻用材料状态冷锻用钢的尺寸公差圆钢外径mm允差mm圆度mmd<9.00+0-0.03<0.0159.0≤d<18.0+0-0.04<0.02d≥18.0+0-0.05<0.025

剥皮料、无心磨削料的直径公差为0.05~0.1mm。棒材弯曲度≤1%。管材壁厚差<0.3mm。薄壁管的精度要高一些。锻造用钢的宏观缺陷表面缺陷一般包括裂纹、疤痕、折叠和夹杂等。内部缺陷包括低倍缺陷和显微缺陷。低倍缺陷主要有残余缩孔、疏松、气孔、裂纹、树枝晶偏析、异金属夹杂等。显微组织缺陷主要有非金属夹杂物和晶粒度不合格(1)折叠折叠是轧材表面的常见缺陷，折痕方向为轧制方向，边缘弯曲不齐，有时存在一些氧化物夹杂物。这些夹杂物一般较长，在棒材两侧对称分布。若棒材表面存在折叠，必须剥皮去掉。否则将使大批成形件成为废品。(2)划痕材料纵向划痕的产生是由于在轧制、挤压、拉拔过程中，表面金属的流动受到孔型或模具上某种机械阻碍（如毛刺、斑痕及积瘤）而形成的。在低温下形成的划痕，其根部有轻微的变形，附近没有脱碳和氧化现象。划痕能使棒材、板材报废，是造成冷锻成形件开裂的主要原因。(3)发纹

发纹一般顺着钢材的纤维方向，长短不一，细如发丝，头部较浅较尖。往往在发纹中可以发现夹杂物，发纹的周围无氧化脱碳现象。钢材表面的发纹是冷锻成形用钢的一个重大缺陷。在冷锻成形后开裂的零件中，多数由于产生这种缺陷引起。

钢的低倍组织(1)偏析(2)缩孔残余(3)白点(1)偏析偏析是钢锭在凝固过程中产生的化学成份以及杂质的不均匀现象。主要类型有方框偏析、点状偏析和枝晶偏析。碳化物偏析会降低钢的锻造性能，严重者在热加工过程中零件内部产生较大的拉应力，引起锻件开裂。严重硫偏析的存在，会造成材料强度的显著降低，在零件加工后服役使用的过程中，易产生早期脆性断裂。(2)缩孔残余缩孔：钢锭在凝固过程中，由于各部分结晶先后不同以及体积收缩，在钢锭头部的轴心处形成缩孔。缩孔残余：钢锭在开坯时未能全部去掉缩孔，缩孔残留在随后锻轧好的钢材之中，这就是缩孔残余。（3）白点白点是由于钢中存在一定量的氢和各种应力（组织应力、温度应力、塑性变形后的残余应力等）共同作用产生的。白点是隐藏在锻坯内部的一种缺陷，在钢坯的纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，在横向断口上呈细小裂纹，显著降低钢的韧性。非金属夹杂物

非金属夹杂物在钢中破坏了金属基体的连续性，使材料的塑性和韧性降低；当夹杂物呈链条状分布，或者沿着晶界分布时，对金属的力学性能，特别是动载荷下的力学性能的影响更为严重，常常由于应力集中而导致零件突然断裂。

钢中常见的非金属夹杂物(1)硫化物(2)硅酸盐夹杂物(3)氧化物(4)夹渣(1)硫化物若钢中含锰量较低，硫与铁化合生成硫化铁，硫化铁与铁形成共晶体。热脆：硫化铁熔点只有985℃，经常存在于晶界处。一般钢材在800~1200℃轧制或锻造时，由于共晶体的熔化，导致钢材沿晶界开裂，这种现象称为“热脆”。当钢中含锰量较高时可优先形成硫化锰，可减轻硫的有害影响。如果钢中存在较多的硫化物，将显著降低材料的疲劳性能，尤其是横向力学性能。

(2)硅酸盐夹杂物硅酸盐夹杂物可分为塑性和脆性两种。塑性硅酸盐的形态与硫化锰相似，也沿着钢材轧制方向延伸，呈长条状。脆性硅酸盐也沿着金属流动方向分布，在金属变形时容易发生脆裂。(3)氧化物钢中氧化物主要有FeO、SiO2及Al2O3等FeO很脆，热加工过程中几乎不发生变形，只有在很大的压力下才稍呈椭圆形。SiO2在钢中很少单独存在，经常与其它氧化物形成复杂化合物。Al2O3在显微镜的明场下观察呈暗灰带紫色，它的外形不规则，常以细小颗粒积聚成群分布。Al2O3硬度高、脆性大，外形有棱角。在钢中起到尖锐的缺口作用。(4)夹渣夹渣是用肉眼可观察到的大块夹杂物。夹渣通常是由于冶炼以及浇注过程中，钢液表面的炉渣，或者从出钢槽、钢水包等内壁剥落的耐火材料，在钢液凝固前未能浮出，存留在钢锭内部。钢材中存在大块肉眼可见的夹杂物是不允许的钢的晶粒度钢的晶粒度一般指钢的奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒度包括本质晶粒度和实际晶粒度两种。本质晶粒度是指钢加热到930℃时所具有的奥氏体晶粒的大小。它表示该钢的奥氏体晶粒长大倾向。实际晶粒度是指钢在某一具体热处理条件下所获得的奥氏体晶粒的大小。它主要取决于加热温度和热加工工艺过程制度。45钢在不同回火温度下晶粒度与冲击韧度和硬度的关系序号回火温度/℃晶粒度（7~8级）晶粒度（1~2级）ak(J/cm2)HBak(J/cm2)HB1315102.7

24217.02672425132.023421.02123540164.020731.02124650209.0

18770.0184钢的实际晶粒度钢的实际晶粒度过大，会显著地恶化钢材的塑性。钢材的晶粒度较大时，其加工性能较好，淬透性可以提高。钢的显微组织(1)珠光体形态(2)表面脱碳层(3)再结晶组织(1)珠光体形态粗大片状珠光体不利于冷锻加工成形，而细小的球状珠光体可显著地提高钢材塑性变形的能力。钢材的金相组织由粗变细，由片状变为球状，冷锻成形时不易开裂。对珠光体含量较多的中碳钢和中碳合金钢，在冷锻前必须进行球化处理，以便获得均匀细致的珠光体。(2)表面脱碳层钢材表面的脱碳层影响零件的强度及疲劳性能，降低零件的使用寿命。对冷锻成形用毛坯一般要求在退火后车加工剥皮；退火后不车加工剥皮，那么每边脱碳层深度不得大于其直径的1.5%。（3）再结晶组织对于某些零件，为了保证其有较高的韧度和塑性，需要采用再结晶退火处理。再结晶处理时，要控制的主要参数是加热温度。钢材再结晶时的初始温度与冷锻形变的程度也有关。2.1.2有色金属和贵金属纯铝、纯铜成形容易；合金成份高的铝合金变形性能差，难于成形；黄铜的变形抗力相当于低碳钢；纯镍、银等成形容易。精锻用有色金属和贵金属种类举例铝及其合金纯铝L2、L4、L6；防锈铝LF21；锻铝LD2、LD10、LD31；硬铝LY12、超硬铝LC4铅及其合金纯铅、铅合金锌及其合金纯锌、锌合金锡及其合金纯锡、锡合金铜及其合金纯铜T2、无氧铜TU1、黄铜H65、H80、H96、锌白铜Bzu15~20、白铜B19贵金属铂、金、银、镍、钛、白金有色金属和贵金属的缺陷（1）铝合金的氧化膜在熔炼工程中，敞露的熔体液面与大气中的水蒸气或其它金属氧化物相互作用形成的氧化膜，在浇注时被卷入液体金属内部，铸锭经轧制或锻造，其内部的氧化物被拉成条状或片状，降低了横向力学性能。（2）粗晶环铝合金、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。粗晶环的产生与许多因素有关，其中主要是由于挤压过程中金属与挤压筒之间的摩擦过大。有粗晶环的棒料，锻造时容易开裂，如粗晶环保留在锻件表层，会降低锻件的性能。因此，锻前须将粗晶环车去2.2下料和下料方法下料是自由锻和模锻的第一道工序。不同的下料方式，直接影响着锻件的精度、材料的消耗、模具与设备的安全以及后续工序过程的稳定。下料方法的优缺点传统的下料方法的下料品质均不太理想，断口不齐，坯料的长度与品质重复精度低。离子束切割、电火花线切割等新型下料方法，能锯切很硬的材料，剪切品质很好，但成本高，不宜用于大批量生产。金属带锯下料既能得到高的下料精度，又能适应大批量生产。传统的下料方式：坯料体积和余量计算坯料体积应以制件本身的体积为基础，加上精锻成形后飞边、冲孔、切削加工等消耗的废料体积。废料体积大体占整个坯料体积的10%~30%，在特定情况下也可小到5%，大到50%。在采用冷精锻工艺过程生产零件时，特别是在大批量生产的情况下，应该优先考虑节省材料。一般小件精锻时，坯料直径比模具内腔直径小0.1~0.2mm。

2.2.1剪切法一般棒料剪切法一般棒料剪切法有：剪床剪切、冲床剪切。在剪床上剪切的棒料截面尺寸在φ15~（φ150~φ200）mm。剪床的大小，一般由强度极限为450MPa的钢材被剪切的最大直径表示。棒料的剪切过程如下图所示。图2.2棒材的剪切过程

z值的大小与所剪切材料的力学性能有关。最差的情况下z值最大可达0.15~0.20倍棒料直径。如果剪切质量很好，在棒料的剪切端部只产生不大的压痕（如图2.2(d)）。剪切缺陷(如图2.2(e))（1）端面裂纹y；（

2）端面剪切斜度χ过大；（

3）毛刺m；（

4）端面上产生凹陷w；（

5）较大的压痕z。全封闭剪切模具装置如下图：图2.3全封闭剪切模具装置1－固定剪刀；2－坯料；3－活动剪刀；4－滑板5－上压头；6－打料销；7－推料弹簧；8－推簧阀9－定位螺钉；10－滑轮；11－斜块座；12－复位弹簧13－限位螺钉；14－棒料精密模锻对下料的品质要求生产中评定毛坯的剪切质量和精度，通常以，，，，和等技术参数或以、、、、等数值来表示。参见下图。、、、、和分别为毛坯的体积偏差（或重量偏差）、塌陷、压塌、截面不平度，截面椭圆度和截面倾角。为剪切后的毛坯实际体积与精锻工艺所要求的毛坯体积的差值,v为精锻工艺所要求的毛坯体积。

图2.4评价毛坯剪切品质的一些技术参数、－分别为静、动剪刀形成的压塌深度－截面不平度；－截面倾角；、－分别为棒料直径和毛坯最小直径；－截面光亮带宽度；L－毛坯长度锻造工艺对剪切的质量要求精密棒料剪切法利用专用剪断机的径向夹紧剪切；在普通压力机上安装专用模具的径向夹紧剪切。图2.5径向夹紧剪切原理1－动剪刀；2－夹紧块；3－棒料；4－静剪刀；5－挡板

径向夹紧剪切原理如下图所示：图2.6差动式剪切模的工作原理

1－楔块；2-楔形滑板；3-弹4－剪刀；5－棒料差动式剪切模的工作原理如下图所示：2.2.2锯切法

一般锯切弓形锯锯条往复运动，锯割效率低，而且锯断大直径圆钢时，锯条要加厚，材料利用率降低。圆盘锯在锯断大直径圆钢时，必须使用大直径的圆锯片，机器也变大。锯缝越大，材料利用率越低。弓形锯、圆盘锯、带锯机锯切坯料时消耗锯缝的质量比为：1.56:1.87:1。带锯锯切金属带锯主要由六个部分构成：变速机构锯带张紧装置无级变速液压控制系统冷却系统锯刷床身。下图为GZ4025型卧式带锯的外形图

图2.7GZ4025型卧式带锯的外形图双金属锯带目前常用的金属带锯锯带以高速钢为齿部材料，以弹簧钢为背部材料，通过电子束复合后开齿而成的双金属锯带。

图2.8电子束焊接的双金属锯带典型锯齿形状如下图：(a)a((b)(b)(c)(d)(e)图2.9典型锯齿形状(a)标准齿；(b)强力齿；(c)MG齿；(d)ACG齿；(e)变化齿锯齿定向也影响锯带的切削性能。如图所示为三种典型的锯齿定向型式：(a)(b)(c)

图2.10典型的锯齿定向形式(a)耙形定向；(b)波状定向；(c)直线定向2.2.3其它下料方法砂轮切断：由于砂轮高速旋转下的热影响，产生粉尘，噪音，污染环境。可燃气体熔断：主要是在切断的过程中受到熔断热影响，材料的组织会发生变化，形成变质层，需采用热处理工艺过程消除这种变化。放电切割：成本高，普及率低，不能广泛用于钢材的切断，只宜于应用在经过热处理以后的模具以及高硬材料零件的切割。激光切割：在板料加工上用得较多，但在棒材、型材的切割上用得较少。2.3模锻时的润滑模锻时接触面上的单位压力一般在800～1200MPa，也有高达2500MPa，温度一般在1150～1200℃。在如此高的压力和温度下，建立润滑膜非常困难，模锻时变形金属与模膛表面间的摩擦，将使模膛表面磨损，增大金属的流动阻力并造成脱模困难。2.3.1传统热模锻润滑剂和温锻润滑剂热模锻润滑剂配方（质量分数）使用石墨润滑剂的一般要求使用石墨润滑剂时，要求石墨纯要高，粒要细。一般矿区提供的石墨纯度平均在82%左右，粒度在40～140左右。在石墨中加入某种在升温过程不能脱掉结晶水的无机盐，可使石墨在升温过程中不断得到微量水分，保证提高石墨高温润滑性能。在水基石墨中加人少量亲液胶体或缔合胶体的分散剂，能显著提高溶胶对电解质的稳定性，保护石墨颗粒不致凝聚结团。为了减少石墨的表面张力，加入少量表面活性利，使水与液体或固体的表面张力显著下降，以增强石墨能均匀地分散在水中的能力，防止石墨沉积。具有多性能的水基石墨润滑剂的成分，其配方主要是由固体石墨和无机盐类及介质组成。无机盐在润滑剂中主要起润滑脱模、绝热和高温湿润作用。温锻润滑剂可用作碳钢和不锈钢在300～700℃温度下温锻的润滑剂：2.3.2新型绿色热精密模锻润滑剂由于石墨在生产和使用过程中可能对环境造成污染，21世纪以来，美国、德国、日本正推广使用非石墨型复合材料合成的模锻润滑剂。国产DF型非石墨型复合材料具有良好的润滑性能，可减少模锻变形力，保证模锻件易于脱模，有效延长模具使用寿命1～5倍。DF型非石墨型模锻润滑剂物理特性

DF型非石墨型复合材料合成的模锻润滑剂为胶态，在原封装情况下保存12个月后润滑性能仍不变。具有如下物理特性：

液体成分：去离子水。比重：1.1～1.2。

PH值：9~10。结冰点：0℃(32°F)。DF型非石墨型模锻润滑剂的优点无色、透明，无任何毒性，使用安全，无烟、不燃烧。不产生沉淀。对锻件无任何腐蚀作用，易洗涤清除。锻压后自然挥发，表面不留残渣，自然附着一层油膜，保证锻件表面光洁、美观和避免模具型腔生锈。

2.4钢的软化退火退火软化处理是为了减小变形抗力，提高塑性。对于含碳量0.3%以上的钢材（共析钢和过共析钢），需作珠光体球化处理。参见下图。对于含碳量0.2%以下的钢（亚共析钢）及非铁金属，钢的加热温度可在Ac3相变点以上，按含碳量的不同在820~930℃变化。图2.11珠光体球化处理曲线

a)碳素钢b)合金钢软化退火退火后的坯料晶粒细化，改善了钢的硬化性能，降低了硬度，一般为90~165HBs。退火还能使钢的成份和组织均匀，消除前一工序中产生的内应力，对于保证冷锻件品质起着举足轻重的作用。为了避免退火时发生氧化或者脱碳，降低成本，缩短生产周期，得到光洁或光亮的表面，确保材料的力学性能，保证产品品质，可以对材料进行真空退火或保护气氛热处理，即所谓的光洁退火。20钢不同热处理状态下的力学性能采用磷化处理可以使钢坯料表面发生化学反应，生成磷酸盐被膜。磷酸盐被膜是无机盐，由细小片状结晶组织构成，它呈多孔状态，对润滑剂有很好的吸附作用。磷酸盐被膜与钢表面结合得很牢固，而且磷酸盐被膜具有一定的塑性，冷挤压和冷锻时与钢材一起变形，坯料和模具不直接接触。磷化膜由磷酸盐溶液与金属铁相互作用生成。2.5钢的磷化处理

2.5.1钢制坯料的一般磷化处理工艺2.5.2钢制坯料的快速磷化处理工艺磷化液成份的调整工艺过程(1)当游离酸度低时，加