锻造工艺

第一章，锻造用材料准备1`锻造是金属塑性成形工艺的一种，属于体积成形技术. 锻造就是要使金属由一种形态在无切削的情况下变形为另一种形态的过程，通常需要大型设备。

2`为什么要锻造改善组织性能；提高材料利用率。

3`模锻根据使用的设备：锤上模锻——模锻锤./螺旋压力机上模锻——螺旋压力机./锻压机上模锻——模锻压力机、平锻机、模锻液压机等4`锻造生产流程：备料—加热—锻造—热处理—清理—校正—质检5`优势：锻件的力学性能高/ 模锻具有较高的生产效率/可提高材料利用率不足：工艺难度大/工作条件差/对环境有一定的影响6锻造用原材料从材质上分黑色金属/有色金属有色金属：铝合金镁合金铜及其合金钛合金镍合金等..从形态上分：钢锭（大型锻件）/轧材、挤压棒材和锻坯（中小型锻件）.7锻造用钢锭8钢锭的内部缺陷（1）偏析：各处的成分、杂质分布不均匀（2）夹杂：冶炼中氧化物、硫化物、硅酸盐等非金属夹杂外来夹杂物（3）气体：钢锭中的有害气体（氢、氧等）（4）气泡：主要分布在钢锭的冒口、底部及中心部位（5）缩孔：在最后凝固的冒口区，由于冷凝结晶时没有钢液补充而形成孔洞性缺陷组织，同时含有大量杂质。

（6）疏松：主要集中在钢锭中心部位，产生的原因与缩孔相同，它使钢锭组织致密度降低。

9晶粒度：用于描述晶粒大小的参数，常用的是1~8级。

常用的表示方法：8级的晶粒实际平均长度0.0196mm。

1级的晶粒实际平均长度0.222mm。

单位体积的晶粒数目（ZV）单位面积内的晶粒数目（ZS）晶粒的平均线长度（或直径）10下料方法剪切下料是一种普遍采用的方法(专用剪床、曲柄压力机、液压机、锻锤)优点：（a）效率高、操作简单（b）断口无金属损耗、模具费用低（c）对设备要求低缺点：（a）坯料局部被压扁（b）端面不平整（c）剪断面常有毛刺和裂缝（d）下料不准确锯切法(圆盘锯、弓形据、带锯)优点：（a）下料长度准确（b）端面平整缺点：（a）生产效率低（b）锯口有材料损耗切割法(利用气割器或普通焊枪，把坯料局部加热至熔化温度，逐步使之熔断。

)优点：（a）气割所用设备简单便于野外作业（b）可切割各种截面材料，尤其适用于对厚板材料进行曲线切割。

缺点：（a）切割面不平整、精度差（b）断口材料损耗大（c）生产效率低。

激光切割薄板，15mm以下折断法尤其适用于硬度较高的钢如高碳钢和合金钢优点：（1）生产效率高；（2）断口金属损耗小；（3）所用工具简单，无需专用设备。

第二章，锻前加热1·加热的目的（1）提高金属的塑性（2）降低变形抗力2·加热方法（1）火焰加热是利用燃料（煤、油、煤气、天然气等）燃烧时所产生的热量，通过对流、辐射把热能传给坯料表面。

然后由表面向中心热传导，使整个坯料加热。

优点：燃料来源方便，加热炉修造容易，加热费用较低，加热的适应性强等。

缺点：劳动条件差，加热速度慢，加热质量差，热效率低等。

（2）电加热（电阻加热）电阻炉加热接触电加热盐浴炉加热（感应加热）(a) 电阻炉加热电阻炉加热是利用电流通过炉内的电热体产生的热量，加热炉内的金属坯料。

特点(a) 电阻炉加热温度受到电热体的使用温度限制.热效率也比其它电加热法低。

对坯料加热的适应范围较大，便于实现加热的机械化、自动化，可用保护气体进行少无氧化加热。

(b) 感应加热是将金属坯料放入通过交变电流的螺旋线圈(感应圈)。

线圈产生的感应电动势，在坯料表面形成强大的涡流使坯料内部的电能直接转变为热能加热坯料。

感应加热根据所用电流频率不同，感应电加热可分为：高频加热：f＝105~106 Hz中频加热：f＝500~10000 Hz 工频加热：f＝50 Hz在锻压生产中，以中频感应电加热应用最多。

(b) 感应加热优点：加热速度快、加热质量好、温度易于控制、金属烧损少、操作简单、工作稳定、便于实现机械化、自动化。

劳动条件好，对环境没有污染。

缺点：设备投资费用高、每种规格感应器加热的坯料尺寸范围窄。

3·钢加热时的缺陷及防止措施1）氧化钢料加热到高温时，其表层的铁离子与炉气中的氧化性气体（O2 、CO2、H2O和SO2）发生化学反应，使金属表层形成氧化皮的现象，称为氧化（或烧损）。

氧化的危害：（a）烧损，材料利用率低（b）氧化皮磨损模具氧化的主要影响因素a）金属的化学成分（内因）Cr、Ni、AI、Mo等合金元素能阻止了氧化的进行。

当Ni、Cr的含量为13％~20％时，几乎不产生氧化。

b）加热条件（外因）炉气成分、加热温度和加热时间。

炉气成分根据炉气的性质，火焰炉的炉内气氛通常分为氧化性气氛、还原性气氛和中性气氛。

在还原性气氛的炉内加热坯料时，氧化很少甚至不氧化。

加热温度温度越高，氧化越快。

600℃以前的氧化速度很慢，超过900~950℃时，氧化加剧。

加热时间在氧化性介质里的加热时间越长，氧化越严重。

特别是高温阶段的加热，时间越长其影响越大.防止措施（a）在保证锻件质量的前提下，尽量采用快速加热，缩短加热时间，尤其是缩短高温下的停留的时间，在操作时尽量采用少装勤装的方法。

（b）在燃料完全燃烧的条件下，尽可能减少空气过剩量，以免炉内剩余氧气过多，注意减少燃料中的水分。

（c）炉内应保持不大的正压力，防止冷空气的吸入。

2）脱碳钢料在加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气体(如O2、H20、CO2等)及某些还原性气体(如H2)发生化学反应，造成了钢料表面含碳量的降低，这种现象称为脱碳。

脱碳层只在脱碳速度越过氧化速度时才能形成，或者说，在氧化作用相对较弱的情况下，可形成较深的脱碳层。

脱碳的危害脱碳使锻件的表面变软，强度和耐磨性降低。

对于高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢应特别注意。

脱碳的主要影响因素（a）金属的化学成分（内因）钢中含碳量越高脱碳的倾向就越大。

某些合金元素使脱碳层加深，如C、W、Al、Si、Co等。

有些合金元素则能阻止脱碳，如Cr、Mn等。

有些合金元素对脱碳无影响，如Ni、V等（b）加热条件（外因）炉气成分炉气成分中脱碳能力最强的介质是H2O(汽)，其次是CO2和O2，最后是H2。

CO的含量增加可减少脱碳。

一般在中性介质或弱氧化性介质中加热可减少脱碳。

加热温度钢在氧化性气氛中加热时，既产生氧化，同时也产生脱碳。

在温度低于1000℃时，由于钢料表面的氧化皮阻碍碳的扩散，因此脱碳过程比氧化慢。

随着温度的升高，氧化速度加快，同时脱碳速度也加快，但是，此时氧化皮失去保护能力，因此达到某一温度后，脱碳就比氧化更强烈。

加热时间加热时间越长，脱碳层就越厚，但两者不成比例关系。

防止措施一般用于防止氧化的措施，同样也可用于防止脱碳。

3）过热当坯料加热温度超过始锻温度，或坯料在高温下停留时间过长而引起晶粒粗大的现象称为过热。

晶粒开始急剧长大的温度叫过热温度。

过热的危害：过热的组织由于晶粒粗大，会引起力学性能(特别是冲击韧性)的降低。

过热不是致命性的缺陷，可通过锻造及热处理消除，但是在实际生产中还是要力求避免。

防止措施(a) 严格控制加热温度，尽可能缩短高温保温时间，加热时坯料不要放在炉内局部高温区。

(b) 在锻造时要使锻件有足够的变形量。

对于需要预制坯的模锻件，应保证终锻时锻件各部分有适当的变形量。

(c) 测温用的热工仪表必须校正准确。

4）过烧当金属加热到接近其熔化温度(称为过烧温度)，并在此温度下停留时间过长时，不仅晶粒粗大，而且由于晶界发生局部熔化，氧化性气体进一步侵入晶界，使晶间物质氧化，形成易熔共晶氧化物，使晶粒间结合完全破坏。

这种缺陷称为过烧。

过烧的危害过烧的坯料进行锻造时，轻则在表面引起网络状裂纹，一股称之为“龟裂”，严重时将导致坯料破裂成碎块，其断口无金属光泽。

过烧是加热的致命缺陷，最后坯料只能报废。

如果坯料只是局部过烧，可将过烧的部分切除掉。

5）裂纹如果钢在加热过程的某一温度下，内应力超过它此时的强度极限，那么就要产生裂纹。

通常内应力有温度应力、组织应力和残余应力。

由于温度不均而产生的内应力叫温度应力。

钢料加热时，其表面和中心之间存在的温度差引起不均匀膨胀，使表面形成压应力，中心部分形成拉应力。

温度应力的大小与钢的性质、断面温度差有关。

钢在温度低于500~550℃时必须考虑温度应力的影响。

由于相变前后组织的比容发生变化，而引起的内应力叫组织应力。

具有相变的钢在加热过程中，表层首先发生相变，心部后发生相变。

残余应力产生的原因：温度不均匀变形不均匀组织不均匀6·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)之间的一段温度区间。

确定的基本原则是：（1）要求在锻造温度范围内金属具有良好的塑性和较低的变形抗力；（2）锻造温度范围尽可能宽广。

确定的基本方法是：以合金平衡相图为基础，再参考塑性图、抗力图和再结晶图，由塑性、质量和变形抗力三个方面加以综合分析，从而定出始锻温度和终锻温度。

始锻温度：一般比固相线低150℃~250℃（1）首先必须保证钢无过烧现象；（2）还应考虑到坯料组织、锻造方式和变形工艺等因素。

终锻温度：应稍高于其再结晶温度（25℃~75℃）（1）终锻温度过高，会使锻件晶粒粗大，甚至产生魏氏组织；（2）终锻温度过低，不仅导致锻造后期加工硬化严重，可能引起断裂。

7 加热规范：是指坯料从装炉开始到加热完了整个过程中炉子温度和坯料温度随时间变化的规定。

加热规范采用炉温—时间的变化曲线(又称加热曲线)来表示。

锻压生产常用的加热规范有：一段、二段、三段、四段及五段加热规范。

加热规范的构成要素（1）装炉温度：装炉时的炉膛温度a）对热扩散性好及断面尺寸小的钢料影响不大b）对热扩散性差及断面尺寸大的钢料，则应限制装炉温度，尤其对大钢锭及高合金钢。

（2）加热速度加热速度一般有两种表示方法：采用单位时间内金属表面温度升高多少(℃/h)采用单位时间内金属截面热透的数值(mm/min)。

加热规范中有两种不同含义的加热速度：最大可能的加热速度+允许的加热速度.最大可能的加热速度：指炉子按最大供热能量升温时所能达到的加热速度。

它和炉子的结构型式、燃料种类及燃烧情况、坯料的形状和尺寸及其在炉中的放置方法等有关。

允许的加热速度：指加热过程中，在不破坏金属完整性的条件下所允许的加热速度。

它主要取决于加热过程中产生的温度应力，而温度应力的大小又与金属的热扩散率、热容量、线膨胀系数、力学性能及坯料尺寸等有关。

（3）保温时间通常的保温包括：(a) 装炉温度下的保温(b) 700~850℃的保温(c) 加热到锻造温度下的保温（均热保温）装炉温度下保温的目的防止金属在加热过程中，因温度应力而引起破坏，特别是钢在200~400℃很可能因蓝脆而发生破坏。

700~850℃保温的目的(a) 减小断面温差减少前段加热后钢料断面上的温差，从而减小钢料断面内的温度应力(b) 使锻造温度下的保温时间不至过长。