锻造工艺学完整版ppt课件.ppt

锻造工艺学 材料科学与工程学院 第一章绪论 塑性成型生产过程简述 什么是锻造 金属塑性加工方法之一锻造是利用手锤 锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力 使金属材料在不分离条件下产生塑性变形 以获得形状 尺寸和性能符合要求的零件 为了使金属材料在高塑性下成型 通常锻造是在热态下进行 因此锻造也祢为热锻 锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法 它是最古老的金属加工方法之一 可以追溯到公元前4000年 甚至8000年 锻造生产广泛应用于机械 冶金 造船 航空 航天 兵器以及其它许多工业部门 航空航天 武器装备 交通运输 中国动车组列车 全铝汽车 齿轮曲轴连杆 1 任务 解决锻件的成形及其内部组织性能的控制 以获得所需形状 尺寸和质量的锻件 2 目的 锻造的根本目的是利用外加载荷 冲击载荷或静载荷 通过锻压设备或模具使金属毛坯产生塑性变形 从而获得所需形状和尺寸的锻件 同时使锻件机械性能和内部组织符合一定的技术的要求 实质 锻造工艺的实质是如何利用金属的塑性使金属毛坯改变形状和性能而成为合格锻件的加工过程 一 锻造生产的特点及其在国民经济中的作用 一 锻造生产的优点和缺点1 优点 优质 高产 低消耗 灵活 1 优质指可以改善金属组织性能 金属零件的传统生产过程是 冶炼 制坯 切削加工 热处理制坯有三条途径 铸造毛坯 轧制型材 锻造毛坯 铸造毛坯的组织性能差 只适用于性能要求低的零 部件 锻造 纤维组织 变形后的杂质仍具有方向性 呈现纤维状条纹锻造流线 变形后杂质的纤维分布 使组织 性能呈方向性 钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意 2 高产指机械化生产 生产率高二 三百件 小时 现在更高了 一百多件 分 1 2万件 小时 据统计 每模锻100万吨钢 由于提高了生产率 可比切削加工减少2 3万工人 少用15000台机床 在现今技术水平条件下 几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成半成品零件 只是难易程度不同而已 今天 锻造生产率提高 其锻件精度也愈来愈高 可以达到甚至超过机械加工的一般精度水平 如各种冷温挤压标准件 精锻齿轮 精锻叶片 精锻轴类件等 西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线 3 低消耗指少 无切削 省工省料 4 灵活指锻造可以锻制形状简单的锻件 如模块 齿轮坯等 也可锻制形状复杂 不需或只需少量切削加工的精密锻件 如曲轴 精锻齿轮等 锻件的重量小的不到1公斤大的可达几百吨单件小批量生产大批量生产 万吨级水压机模锻的飞机大梁 火箭捆挷环 2 缺点 1 模具成本高 加工周期长 2 受锻造设备吨位的限制 二 锻造业的地位 锻造在工业生产中占有举足轻重的地位 锻造生产能力及其工艺水平 对一个国家的工业 农业 国防和科学技术的影响 难以估量 锻造生产的能力在一定程度上标志着一个国家的工业水平 二 锻件生产的分类及其工艺流程 根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造 模锻和特种锻造 1 自由锻造把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻 一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸 手工锻造自由锻机械 锤上自由锻和水压机上自由锻 自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单 粗糙度要求较低 加工余量较大的锻件生产 使用的是形状简单的通用工具 灵活性大 生产准备周期短 所以使用范围广 锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大 不易保证 生产效率低 自由锻还可以借助简单的模具进行锻造 称胎模锻 胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预锻成近似锻件的形状 然后在自由锻设备上用胎模终锻成形 形状简单的锻件可直接把坯料放入胎模内成形 这种锻造方法称为胎模锻造 2 模锻把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻 由于模具型槽限制金属的变形 而获得与型槽形状一致的锻件 根据变形特点 分为开式模锻和闭式模锻 根据设备结构特性和工艺特性的不同 分为锤上模锻 自由锻锤上模锻 高速锤上模锻 摩擦压力机上模锻 热模锻压力机上模锻 液压机上模锻 平锻机上模锻 专用锻压机上模锻等 模锻适用于形状复杂 尺寸精度较高 加工余量小 批量生产的中 小型锻件 形状和尺寸靠模具保证 人为影响因素小 精密锻件的成形也要通过模锻来实现 3 特种锻造即在专用锻压设备上或在特殊模具型槽内使坯料成形的一种特殊锻造工艺 一般锻造方法很难达到要求时 可用特种锻造工艺 如精密模锻 温热挤压 辊锻 电镦 摆动辗压 粉末锻造 液态模锻 等温模锻和超塑性模锻等 锻造工艺流程是指生产一个锻件所经过的锻造生产过程 以模锻为例 其锻造工艺流程是 备料 加热 模锻 切边 冲孔 热处理 酸洗 清理 校正 一般来说 一种锻件选用哪一种锻造方法生产 与形状 尺寸 技术要求和生产批量大小等很多因素有关 通常 单件 小批量生产自由锻方法大批量模锻方法生产但有些航空重要产品上的锻件 虽然批量不大 但由于流线和性能等方面的要求 要求工艺的一致性等 通常也采用模锻方法生产 三 锻造工艺的发展简史及其发展趋势 一 锻造技术的发展简史人类在新石器时代末期 已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品 中国约在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具 如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物 就有明显的锤击痕迹 最初 人们靠抡锤进行锻造 后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料 14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻 为锻铜浮雕 是手工锻造作品 手工锻造是一种古老的金属加工工艺 是以手工锻打的方式 在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果 1842年 英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤 使锻造进入应用动力的时代 以后陆续出现锻造水压机 电机驱动的夹板锤 空气锻锤和机械压力机 夹板锤最早应用于美国内战 1861 1865 期间 用以模锻武器的零件 随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤 模锻工艺逐渐推广 到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类 20世纪初期 随着汽车开始大量生产 热模锻迅速发展 成为锻造的主要工艺 锻压经过100多年的发展 今天已成为一门综合性学科 它以塑性成形原理 金属学 摩擦学为理论基础 同时涉及传热学 物理化学 机械运动等相关学科 以锻造 冲压等为技术 与其它学科一起支撑机器制造业 我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有一定差距 表现在 1 工业发达国家的模锻件已占全部锻件的70 以上 而我国尚不足30 2 国外有成千条锻造自动生产线 大型自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机等 而我国在这些方法还很薄弱 3 精锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发展国家相比较低 一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由锻件还常常需从国外进口 4 在CAD CAM方面 一些发达国家已进入实用阶段 在这些方面 我国还刚刚起步 二 锻造生产的发展趋势 1 总趋势是使锻件形状 尺寸和表面质量最大限度地与产品零件相接近 以达到少 无切削加工的目的 为此应逐步发展和完善精密成形新技术 发展高效精密的锻压设备 2 为适应大批量生产的需要 应发展专业化的连续生产线 建立地区性的专门化锻造中心 如齿轮精锻中心 连杆锻造中心 标准件锻造中心等 以利于进行技术改造及采用最新设备和先进工艺 我国自行研制的万吨级水压机 3 为适应新产品开发 缩短研制周期 应发展柔性加工技术和CAD CAM技术 锻模的CAD CAM的主要优点有 设计的速度快 准确性高 且可将设计人员从繁重的重复性劳动中解脱出来 可以把多方面的经验和研究成果集中起来 方便地应用于设计加工 提高设计质量 可以实现多方案比较设计 达到优化的目的 4 提高锻件的内在质量 5 提高机械化 自动化水平 6 发展以煤气 油 电等为热源的先进加热技术 改善劳动条件 三 目前 我国锻造业面临的问题可以归纳为如下装备水平低 其主要表现是设备老化 精确度低管理体制亟待理顺 生产厂点过多 力量分散厂家封闭式经营研究和生产不平衡 四 本课程的性质和任务 锻造工艺学 是研究如何利用各种锻造方法有效地控制锻件的成型和内部组织性能生产出高质量锻件的一门技术学科 锻造工艺学 任务是通过本课程的教学 达到如下要求 1 基本掌握自由锻工艺设计 模锻工艺设计和锻模设计的方法2 具有初步的进行锻造工艺分析的能力3 具有初步分析和解决锻件质量问题的能力 五 主要参考书简介 姚泽坤主编 锻造工艺学 西北工业大学出版社 1998 张志文主编 锻造工艺学 机械工业出版社 1983 杨振恒 陈镜清等编 锻造工艺学 西北工业大学出版社 1986 锻件质量分析编写组编 锻件质量分析 机械工业出版社 1983 锻工手册编写组编 锻工手册 机械工业出版社 1978 李尚健主编 锻造工艺及模具设计资料 机械工业出版社 1991 张振纯编 锻模图册 机构工业出版社 1980 材料科学与工程学院 第二章锻造用原材料及下料方法 一 分类锻造用原材料的分类 钢锭和型材C 低于0 25 低碳钢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 二 冶炼1 冶炼的任务 化学成分 金属液体的纯净度 减少夹杂和气体的含量 2 主要方法 碱性平炉 酸性平炉 碱性电炉 双联法 真空冶炼法 电渣重熔法等 三 钢锭的内部结构钢锭是由冒口 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 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 其中冒口和底部作为废料应予切除 但冒口有补缩和容纳夹杂物 气体以纯净锭身的作用 因此应占钢锭的一定比例 冒口切除15 20 四 大型钢锭的主要缺陷钢锭的常见缺陷有 偏析 夹杂 气体 气泡 缩孔 疏松 裂纹和溅疤 这些缺陷的形成与冶炼 浇注和结晶过程紧密相关 并且不可避免 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 夹杂分为内在夹杂和外来夹杂内在夹杂指冶炼时产生的氧化物 硫化物 硅酸盐等非金属夹杂 外来夹杂是耐火材质 炉渣碎粒等 它破坏金属的连续性 夹杂处产生应力集中 引发显微裂纹 成为疲劳源 低熔点夹杂在晶界上分布易引起热脆现象 可见夹杂降低铸锭的锻造性能和锻后的力学性能 气体常见的残存气体是氧 氮 氢等 氢是钢中危害最大的气体 对于白点敏感钢 当氢含量达到一定数值后 冷却时易产生白点缺陷 氢含量高还会引起氢脆现象 钢的塑性显著下降 只要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 但皮下气泡常常容易引起裂纹 缩孔和疏松缩孔在冒口区 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 疏松集中在中心部位 降低组织的致密度 破坏了金属的连续性 锻造时用大变形才能消除 溅疤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 在钢锭表面形成溅疤 锻前应铲除 否则会在锻件上形成夹层 一般来说 钢锭越大 产生上述缺陷的可能性就越大 缺陷性质就越严重 五 型材的常见缺陷 1 表面缺陷 划痕轧制中的意外原因在其表面划出伤痕 深度达0 2 0 5mm 会影响锻件的质量 折迭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合 在折迭处易产生应力集中 影响锻件质量 发裂钢锭皮下气泡被轧扁 拉长 破裂形成发状裂纹 深度约为0 5 1 5mm 在高碳钢和合金钢中易产生此缺陷 结疤浇注时 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1 5mm 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 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 或留在锻件表层降低锻件性能 因此 锻前应将粗晶环切除 2 材料内部缺陷 碳化物偏析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 其最有效的办法是采用反复镦 拔工艺 彻底打碎碳化物并均匀分布 非金属夹杂夹杂物被轧成带状 破坏金属的连续性 严重时 会引起锻件开裂 白点隐藏在锻坯内部 在纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点 在横向断口上呈细小裂纹 显著降低钢的韧性 白点的大小不一 长度为1 20mm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 当钢中氢含量较多和热加工后冷却太快时容易产生白点 存在白点的金属必须切除 不能再使用 总之表面缺陷 锻前应去除 以免影响锻件质量 内部缺陷 严重时不应投入生产 2 2下料方法 在加热和锻造之前 将原材料切成所需长度或所需几何尺寸的工序 称为下料 大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 并按一定尺寸将坯料分割开来 其它材料的下料工作 一般都在锻造车间的下料工段进行 常用的下料方法有 剪切 冷折 锯切 车削 砂轮切割 剁断及特殊精密下料等 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 一 剪切法1 剪切下料的特点 生产率高 操作简单 断口无金属损耗 工具简单 模具费用低等 但端面质量较冲床下料和切削加工方法下料差 适用于成批大量生产 被普遍采用 2 剪切过程是通过上下两刀片作用给坯料以一定压力F 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 剪切三阶段 一 刀刃压进棒料 塑性变形区不大 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S形断面 3 剪切下料可分为两种 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 液压机或锻锤上用剪切模具进行下料 4 质量问题 坯料局部被压扁 端面不平整 剪断面常有毛刺和裂缝 5 剪床上的剪切装置棒料2送进剪床后 用压板3固紧 下料长度L0由可调螺杆5定位 在上刀片4和下刀片1的作用下将毛坯6剪断 6 冷剪切和热剪切 按剪切时坯料温度不同分为冷切和热切 冷剪切的生产率高 但所需剪切力较大 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应力而在切口出现裂纹或崩碎 这时 应采用热剪切法下料 采用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定 例 截面大或者直径大于120mm的中碳钢 应进行预热剪切 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400 700 范围内选定 但剪切较软材料时预热温度不宜过高 利用蓝脆现象 钢材为250 350 可提高剪切质量 获得光滑的断面 7 剪切力按下式计算 F K A式中F 计算的剪切力 A 剪切断面积 mm2 材料剪切抗力 MPa 剪切强度比同温度下的强度极限小一些 一般为 剪 0 7 0 8 b K 考虑到刃口磨钝和间隙 变化的系数 一般为K 1 0 1 2 二 锯切法锯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下料手段 对于端面质量 长度精度要求高的钢材下料 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 锻造生产中大都采用冷态锯切 只有轧钢厂才采用热态锯切 常用的下料锯床有圆盘锯 带锯和弓形锯等 圆盘锯 的锯片厚度一般为3 8mm 锯屑损耗较大 且锯切速度较低 圆周速度约为0 5 1 0m s 比普通切削加工速度低 故生产率较低 锯切直径可达750mm 带锯 有立式 卧式 可倾立式等 其生产率是普通圆锯床的1 5 2倍 切口损耗为2 2 2mm 主要用于锯切直径在350mm以内的棒料 弓形锯 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2 5mm 一般用来锯切直径为100mm以内的棒料 三 砂轮片切割法适用于切割小截面棒料 管料和异形截面材料 以及其它下料方法难于切割的金属 如高温合金GH33 GH37等 优点是设备简单 操作方便 下料长度准确 端面质量较好 生产率高于锯片下料而低于剪切和冷折下料 但砂轮片耗量大 且易崩碎 噪声大 四 折断法 又叫冷折法 其工作原理 先在待折断处开一小缺口 在压力F作用下 在缺口处产生应力集中使坯料折断 原因是当毛坯内的平均应力达到屈服极限时 缺口处的局部应力早已超过强度极限 所以毛坯来不及塑性变形就已断裂 五 气割法其它下料方法还有摩擦锯切割 电机械锯割 阳极机械切割法 电火花切割法 精密下料方法等 可查阅有关资料 例 电火花切割其工作原理为 直流电机通过电阻R和电容C 使毛坯接正极 锯片接负极 在电解液 如煤油 中切割 产生电火花的脉冲电流强度很大 达到数百或数千安培 脉冲功率达到数万瓦 而切割处的接触面积又很小 因而电流密度可能高达数十万A mm2 因此 毛坯上局部温度很高 约为10000 促使金属熔化实现下料目的 材料科学与工程学院 第三章锻造的热规范 一 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 使之易于流动成形并获得良好的锻后组织和力学性能 3 1锻前加热的目的及方法 可锻性衡量指标 金属的塑性和变形抗力影响可锻性的因素 1 金属的本质化学成分纯金属的可锻性比合金好 而钢的可锻性随碳和合金元素的质量分数的增加而变差 组织结构固溶体 如奥氏体 的可锻性好 而化合物 如渗碳体 差 金属在单相状态下的可锻性比在多相状态下的好 细晶粒金属的塑性较粗晶粒的好 可锻性较好 但变形抗力较大 2 压力加工条件1 变形温度随着温度的升高 钢的强度下降 塑性上升 即钢的可锻性变好 因此 压力加工都力争在高温下进行 即采用热变形 即确定锻造温度范围 2 变形速度1 随变形速度的增大 加工硬化严重 可锻性变坏 2 另一方面 在变形过程中 产生热效应现象 热效应现象使金属的塑性提高 变形抗力减小 可锻性变好 但是 除了高速锤以外 在普通锻压设备上都不可能超过临界变形速度 所以 一般塑性较差的金属 应以较小的变形速度 在压力机上进行锻造 3 应力状态 三个方向中压应力的数目越多 则金属的塑性越好 拉应力的数目越多 则金属的塑性越差 压应力使各种缺陷受到抑制 不易扩展 故可提高金属的塑性 在拉应力作用下 极易扩展 甚至破坏 使金属失去塑性 同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力 综上所述 金属的可锻性既取决于金属的本质 又取决于加工条件 在压力加工过程中 要力求创造最有利的加工条件 提高塑性 降低变形抗力 锻前加热是整个锻造过程中的一个重要环节 对提高锻造生产率 保证锻件质量以降低能源消耗等都有直接的影响 恰当地选择加热温度 就可使坯料在塑性较好的状态下进行成形 二 加热方法 按所采用的热源不同 可分为火焰加热和电加热两大类 1 火焰加热利用燃料燃烧产生的热能对金属坯料进行加热 燃料有煤 焦炭 柴油 煤气 天然气火焰加热的优点是 燃料来源方便 炉子修造简单 加热费用较低 对坯料的适用范围广等 因此 这种加热广泛用于各种大 中 小型坯料的加热 在锻造生产中获得广泛应用 缺点是 劳动条件差 加热速度慢 加热质量难以控制等 2 电加热是通过把电能转变为热能来加热金属坯料 利用电能转变为热能来加热金属的装置称为电炉 优点是 加热速度快 炉温易控制 氧化脱碳少 便于实现机械化 自动化 劳动条件好 缺点是 对毛坯的尺寸 形状的变化适应性不强 设备结构复杂 投资费用较大 操作使用要求高 电加热法按其传热方式可分为电阻加热 电阻炉加热 接触电加热 盐浴炉加热 感应电加热 电阻加热其传热原理与火焰加热相同 根据电阻发热元件的不同 有电阻炉加热 接触电加热 盐浴炉加热等 电阻炉加热 利用电流通过炉内的电热体产生的热量进行加热 该法受电热体的使用温度的限制 热效率较低 在电阻炉内辐射传热是加热金属的主要方式 接触电加热 是以低压大电流直接通过金属坯料 由金属坯料自身的电阻在通电时产生的热量而加热 常采用低电压大电流的方法 其优点是 加热速度快 金属烧损少 加热范围不受限制 热效率高 设备简单 操作方便 适用于长坯料的整体或局部加热等优点 但对坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求严格 特别是坯料的端部要光洁 平整 下料规则 此外 加热温度的测量和控制也比较困难 盐浴炉加热 是电流通过炉内电极产生的热量把导电介质熔融 通过高温介质的对流与传导将其中的坯料加热 内热式电极盐浴炉原理如图3 4所示 这种方法的加热速度快 加热温度均匀 可以实现坯料的整体或局部的无氧化加热 但其热效率低 辅助材料消耗大 劳动条件差 感应电加热坯料放入感应圈中 在交变电流的感应电动势的作用下 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而加热 感应电加热具有加热速度快 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 这些都有利于锻件质量的提高 其缺点是 设备投资费用高 每种感应器的尺寸范围窄 电能消耗较大 大于接触电加热 小于电阻炉加热 感应电加热时 电流密度沿坯料横截面的分布为 中心电流小 表层大 这种现象称为趋肤效应 由于趋肤效应 为了提高加热速度和电效率 对大直径坯料 应选用低电流频率 小直径坯料可选用较高电流频率 3 2金属加热时产生的缺陷及防止措施 由金属学所学内容知 金属在加热时将产生以下的变化 组织结构 组织转变 晶粒长大 过热 过烧 力学性能 塑性提高 变形抗力降低 残余应力消除 但也可能产生新的内应力 过大则会引起开裂 物理性能 导热系数 导温系统 膨胀系数 密度等均发生变化 化学变化 表层发生氧化 脱碳 吸氢等 生成氧化皮与脱碳层 一 金属加热过程中的氧化 金属在高温炉内加热时 金属表面的合金元素将和炉气中的氧化气体 如O2 CO2 H2O 和SO2 发生反应 使金属表层生成氧化皮 这种现象称为氧化 或叫烧损 氧化过程实质是扩散过程 即炉气中氧以原子状态吸附到钢料表层后向内扩散 而钢料表层中的铁则以离子状态由内部向表面扩散 扩散的结果使钢的表层变成为氧化铁 由于氧化皮的熔融和氧化皮与铁的膨胀系数不同 因此在氧化物层内产生很大的内应力 会发生氧化皮的机械分离 从而加速金属的氧化 氧化的影响因素主要有 炉气性质 加热温度 加热时间 化学成分 炉气性质火焰加热的炉气通常由氧化性气体 O2 CO2 H2O SO2 还原性气体 CO H2 和中性气体 N2 组成 炉气的性质取决于燃料燃烧时的空气供给量 当供给空气过多时 炉气的性质为氧化性 那么氧化严重 相反 如供给空气不足时 炉气则呈现还原性 氧化皮很薄 甚至不产生氧化 加热温度温度越高 氧化扩散速度加快 氧化过程会加剧 结果形成的氧化皮也厚 一般 低于570 600 时 氧化缓慢 超过900 950 后 氧化急剧增加 加热时间时间越长 氧化皮越多 因此 采用快速加热如电加热 缩短加热时间 尤其是在高温下的停留时间 对减少氧化皮的产生具有很大的实际意义 以上三者是外因 化学成分 内因 当钢中含碳量大于0 3 时 随着钢中含碳量的增多 生成的氧化皮将减少 这是因为含碳量高时 钢表面氧化过程中生成了CO 可削弱氧化性对钢表面的作用 还有一些金属元素 如Cr Ni Al Mo等 它们在金属表面形成了牢固紧密的薄膜 膨胀系数和钢几乎一致 加热过程中不易脱落 阻止了氧向内部扩散 因此能防止钢表面继续氧化 薄膜起保护作用 特别是钢中含Cr及Ni的量大于13 20 时 几乎不产生氧化 钢的相对表面积 表面积与质量之比 愈大时 则氧化皮愈多 氧化皮的危害 造成钢材的烧损烧损量一般为3 5 与火次有关 一次为1 5 3 0 模锻时氧化皮压入锻件内降低表面质量和尺寸精度 氧化皮质脆而硬 加剧模具磨损 氧化皮在炉底烧结成块 降低炉衬寿命 因此要采取措施减少或消除金属的氧化烧损 防止措施 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 在燃料完全燃烧的条件下 避免氧气过剩 并减少燃料的水分 采用少无氧化加热 二 脱碳 钢在高温加热时 表层中的碳与炉气中的氧化性气体 如O2 CO2 H2O等 及某些还原性气体 如H2 发生化学反应 生成甲烷或一氧化碳 造成钢料表层的含碳量减少 这种现象称为脱碳 Fe3C H2O 3Fe CO H2Fe3C CO2 3Fe 2CO2Fe3C O2 6Fe 2COFe3C 2H2 3Fe CH4 脱碳的组织特征 脱碳层由于碳被氧化 反映在金相组织上是表层渗碳体 Fe3C 的数量减少 反映到化学成分上是表层的含碳量比内部明显降低 影响钢脱碳的因素 与氧化类似 炉气成分脱碳能力最强的是H2O 汽 其次是CO2和O2 较弱是H2 加热温度加热时间越长 脱碳越严重 加热时间时间越长 脱碳层越厚 化学成分是内因 钢中含碳量越高则脱碳倾向越大 W Al Co等元素使脱碳增加 而Cr Mn能阻止脱碳 Si Ni和V对钢的脱碳没有影响 脱碳使锻件 表面强度降低耐磨性降低疲劳强度降低可锻性降低 热处理时可能发生开裂 三 金属加热过程中的过热 overheat 当金属加热温度过高 加热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 钢中元素如C Mn S P等会增加其过热倾向 而Ti W V N等元素可减小钢的过热倾向 过热的危害 碳钢出现魏氏组织 马氏体钢组织为粗针状 出现过多的 铁素体 工模具钢出现萘状断口 合金结构钢 不锈钢 高速钢 弹簧钢 轴承钢等除奥氏体晶粒粗大外 还有异相质点沿晶界析出 呈连续网状分布 使晶界变脆 实践证明 过热对金属锻造过程影响并不大 甚至过热得较严重的钢材 只要没有过烧 在足够大的变形程度下 晶粒粗大的组织一般可以消除 过热有不稳定过热和稳定过热 不稳定过热由于单纯原高温奥氏体晶粒粗大形成的过热 一般可用热处理的方法消除 如正火 高温回火 扩散退火 快速升温 快速冷却 稳定过热钢过热后 除原高温奥氏体晶粒粗大外 沿奥氏体晶界大量析出第二相 包括杂质元素组成的化合物如硫化物 碳化物 氮化物等 质点或薄膜 这种过热用一般热处理方法很难消除 称为稳定过热 防止措施 严格控制金属加热温度 缩短高温保温时间 锻造时应保证足够大的变形量 四 过烧 burning 当坯料加热到接近其熔化温度 并在此温度下保留时间过长时 将出现过烧现象 金属过烧后 晶粒粗大 晶界熔化 形成氧化物 出现裂纹 部分钢的过烧温度见表3 2 过烧的危害钢断面呈浅灰兰色 无金属光泽 表面粗糙 晶粒粗大类似豆腐渣状 一锻即裂 严重过烧的钢 只能报废回炉重新冶炼 局部过烧的钢 当制造不太重要的零件时 可以将过烧部分切去 其余部分还可使用 防止措施严格控制加热温度 特别要控制高温停留时间及出炉温度 五 金属加热时导热 导温性的变化 1 导温性 在加热 或冷却 时温度在金属内部的传播能力 2 导温性对加热速度的影响导温性好 温度传播的速度快 坯料内的瞬时温差就小 因温差造成的膨胀差和温度应力也小 从而可允许较快的加热速度 坯料不致受温度应力而破坏 反之 则可能使坯料开裂 3 导温性的变化导温性用导温系数 来表示 C 式中 导热系数 W m 密度 kg m3 C 比热容 J kg 金属的导热系数表示金属的导热能力 它取决于金属的成分 温度和结晶组织 在常温下合金钢的导热系数低于相应碳钢的导热系数 当合金元素的数且和份量增加时 其差别越悬殊 在升温时 碳钢的导热系数减小 合金钢的导热系数略有增加 但高于900 以后 各种钢的导热系数趋于一致 由于金属的导热系数 密度和比热都与温度有关 因此金属的导温系数也随温度而变 与导热系数的变化有点相似 在高温阶段 各种钢的导温系数趋于一致 尽管这时的导温性不好 但因这时的塑性好 加热引起的内应力并无危险 所以在高温阶段 各类钢均可快速加热 六 裂纹 crack 裂纹是由钢在加热过程中所产生的内应力引起的 根据其形成的原因 有温度应力 组织应力 残余应力 1 温度应力钢锭或钢材在加热过程中 由于表面温度高于中心温度 出现温差 从而必将引起外层与心部的膨胀不均匀 这样产生的内应力称为温度应力 也称热应力 在温度高的表层部分 因其膨胀受到中心部分约束 所引起的温度应力为压应力 而中心部分则相反 为拉应力 温度应力的大小与材料性质 断面温差有关 而断面温差又取决于金属的导热性 断面尺寸 加热速度和温度头 temperaturehead 炉温与坯料表面温度之差 如果金属的导热性差 断面尺寸大 加热速度快 温度头又大 则断面温差就大 因而温度应力也大 反之温度应力则小 所以 在加热断面尺寸大的大型钢锭和导温性差的高合金钢时 由于会产生较大的温度应力 低温阶段必须缓慢加热 2 组织应力具有固态相变的钢 在加热时表层先发生相变 内层后发生相变 相变前后组织的比容发生变化 这样引起的内应力为组织应力 在钢料加热过程中 组织应力没有危险性 防止方法 低温装炉 分段加热 装炉温度控制在600 以下 以较慢的速度加热到600 左右 经一段时间保温 使内外温度均匀后再快速加热到始锻温度 3 3锻造温度范围的确定 锻造温度范围是指金属开始锻造温度 始锻温度 和结束锻造温度 终锻温度 之间的一段温度区间 始锻温度 终锻温度 确定锻造温度范围的基本原则是 要求金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力 能锻出优质锻件 所需的组织性能 锻造温度范围尽可能宽些 以便减少加热火次 提高生产效率 确定锻造温度范围的基本方法是 运用合金相图 塑性图 抗力图和再结晶图等 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 确定出合理的锻造温度范围 并在生产实践中进行验证和修改 合金相图能直观地表示出合金系中各种成分的合金在不同温度区间的相组成情况 一般单相组织比多相的塑性好 抗力低 所以锻造时应尽可能使合金处于单相状态 所以首先应按相图初选锻造温度范围 从保证变形金属具有较高可锻性出发 运用塑性图和抗力图来确定合适的锻造温度范围 再结晶图表示变形温度 变形程度与锻件晶粒尺寸之间的关系 是通过试验测绘的 它对确定最后一道变形工序的锻造温度 变形程度具有重要的参考价值 以碳钢为例 1 始锻温度的确定应保证钢不产生过热和过烧 一般应低于铁碳平衡图的固相线150 250 始锻温度随含碳量的增加而降低2 终锻温度的确定既要保证金属在终锻前具有足够的塑性 又要使锻件能获得良好的组织性能 因此 终锻温度应高于再结晶温度 以保证锻后再结晶完全 使锻件得到细晶粒的再结晶组织 但过高会使锻件在冷却过程中晶粒继续长大 因而降低机械性能 尤其是冲击韧性降低更多 因此 必须通过相图和再结晶图综合分析 通过铁碳相图可以分析碳钢的情况 3 从保证最小的变形抗力出发 根据抗力图来确定合适的锻造温度范围 如果设备吨位够 在保证锻件质量和塑性的前提下 抗力一般不予考虑 然而对于耐热合金之类 由于温度的稍许下降 会导致变形抗力的急剧增加 甚至硬化现象严重 出现冷变形或混合变形机构 这时 在确定锻造温度范围时 变形抗力应予以足够的重视 实际生产中 随温度的不同 钢材对外表现出不同的颜色 锻造时即可以根据钢材的颜色大致估计其温度 称为 看火色 表3 6钢材火色和温度 在保证不出现加热缺陷的前提下 始锻温度应尽量取高一些 在保证塑性足够的前提下 终锻温度应尽可能定低一些 常用钢材的锻造温度范围 3 4金属加热规范 加热规范 就是金属坯料从装炉开始到加热完了整个过程中 对炉温和坯料温度随时间变化的规定 为了方便和清晰起见 加热规范是采用炉温 时间的变化曲线 又称加热曲线或炉温曲线 来表示 如表3 4所示 加热规范有 一段 二段 三段 四段及五段之分 一 制订加热规范的原则和方法 1 内容 装料时的炉温 加热各个阶段炉子的升温速度 各个阶段的加热 保温 时间和总的加热时间 最终的加热温度和允许的加热不均匀性 允许的温度头等 2 加热规范原则 要保证金属在加热过程中不产生裂纹 过热 过烧和熔化现象 加热要均匀 氧化脱碳少 加热时间短和节省燃料等 即保证高产 优质 低消耗 3 核心问题 确定金属在整个加热过程中不同阶段的加热温度 加热速度和加热 保温 时间 通常可将加热过程分为预热 加热 均热三个阶段 预热阶段主要是规定装料时的炉温 加热阶段关键是正确选择升温加热速度 均热阶段则应保证金属温度均匀 给定保温时间 一 装炉温度避免温度应力过大引起裂纹 对导温性好和断面尺寸小的坯料 装料炉温不受限制 而相反 对于导温性较差和断面尺寸大的坯料就应该限制装料炉温了 因为在开始预热阶段 钢料温度低 塑性差 而且在200 400 范围内存在蓝脆区 对于冷钢锭和大型钢坯 装料炉温一般在350 650 因为在这个温度范围内 塑性指标 显著提高 而且还应在此温度进行保温 高锰钢易出现裂纹 装料炉温为400 450 钢料断面最大允许温差 的计算公式见书上 根据计算的 和金属坯料的热阻R 坯料半径 导热系数 对照图3 13就可得到允许的装炉温度 图3 13中是理论计算值 并且此法结果偏低 可查图3 14的实践经验图表修正 二 加热速度金属加热速度是指加热时温度升高的快慢 通常是指金属表面温度的升高的速度 单位 h 也可用单位时间内加热的厚度来表示 也就是金属截面热透的程度 单位mm min 在加热规范中有两种不同的加热速度 1 技术上可能的加热速度 2 金属允许的加热速度 前者为炉子本身可能达到的加热速度 后者为保证坯料加热质量及完整性所允许的加热速度 它取决于温度应力的限制 而温度应力又与金属的导热性 力学性能 坯料尺寸有关 对于导温性好 断面尺寸小的钢料 其允许的加热速度很大 即使炉子按最大可能的加热速度加热 也不可能达到坯料允许的加热速度 因此 对于这类金属 如碳素钢和有色金属 其断面小于200mm时 根本不用考虑允许的加热速度 然而相反 对于导温性差 断面尺寸大的钢料 允许的加热速度小 在低温区应不能超过它自身允许的加热速度 当炉温超过700 850 时 可按最大允许的加热速度加热 怎么样来提高加热速度呢 影响加热速度的主要因素是炉温 确切地说是炉温和金属表面的温度差 即温度头 当炉温愈高 温差愈大 则金属得到的热量愈多 加热速度也就愈快 因此 提高加热速度的措施有 提高炉温 采用快速加热 合理布排炉内金属 尽可能多面加热 合理设计炉膛尺寸 特别是炉膛高度 造成炉内强烈循环 增加辐射和对流换热等 生产中常采用提高温度头的办法来提高加热速度 三 均热保温在五段加热中有三段保温平台 见图3 12 装炉温度下保温 700 800 保温 锻造温度下的保温 均热保温通常对此而言 这三段保温目的如下 在装炉温度下保温 目的是 因在550 650 以前 钢的塑性较差 可能由于温度应力引起破裂 所以其目的是防止金属在加热过程中因温度应力而引起破坏 段目的是为了减少第一期加热后钢料断面上的温差 从而减少钢料断面内的温度应力和使锻造温度下的保温时间不至过长 对于几何尺寸较大的 具有相变的钢 更需要第二段保温 段保温目的除了减少坯料断面上的温差以使温度均匀外 还可借高温扩散作用使钢料组织均匀化 这样不但有利于锻造均匀变形 而且还能提高钢的塑性和锻件质量 但时间要控制好 不能太长 以免引起过热或过烧 四 加热时间 是总的加热时间 即指坯料装炉后从开始加热到出炉所需要的时间 包括加热各阶段的升温时间和保温时间 确定加热时间的方法可以按传热学理论计算 但在工厂中经常采用经验公式 经验数据 试验图线确定加热时间 总之 在制定加热规范时 主要从钢料的断面尺寸 化学成分 及有关性能 塑性 强度 导温性 线膨胀系数 组织特点 等方面进行综合考虑 从而制定出较合理的加热规范 二 钢锭的加热规范 钢锭装炉时根据温度的高低可分为冷锭与热锭 冷 热钢锭的加热工艺差别很大 1 冷锭加热规范冷锭是指室温下开始装炉的锭料 其加热关键在于低温阶段 因冷锭塑性差 且内部残余应力与温度应力同向 加上各种组织缺陷造成的应力集中 加热不当易产生裂纹 所以在低温阶段必须缓慢进行 装炉温度不能太高 由于大型冷钢锭因尺寸大 产生的温度应力也大 因此大型冷锭均采用二段 三段 四段或五段的分段加热规范 实例见图3 18和3 19 小型钢锭因断面尺寸小 加热时温度应力不大 故加热速度可快一些 可在700 1000 下装炉 2 热锭加热规范由炼钢车间直接送到锻压车间 表面温度不低于600 的钢锭称为热锭 直接进行加热锻造的热钢锭 可缩短加热时间 节约燃料 并且可避免在低温段加热时所产生的温度应力和开裂 由于各种钢在高温时 导热性都很接近 所以热锭的加热规范 只取决于断面尺寸 而与钢种无关 三 钢材与中小钢坯的加热规范 一般中小型锻件采用钢材与钢坯为原材料 其特点是断面尺寸小 经过变形 强度和塑性均较高 铸造残余应力已被消除 加热时温度应力也小 因此 可以进行快速加热 3 5少无氧化加热 烧损量小于0 5 的锻前加热为少氧化加热 烧损量小于0 1 的锻前加热为无氧化加热 为了获得表面光洁和尺寸准确的精锻件 坯料在锻前的加热必须是无氧化或少氧化 因此 能否实现坯料的少无氧化加热是决定精锻工艺成败的关键问题之一 实现少无氧化加热常用和较快的方法有 快速加热介质保护加热少无氧化火焰加热 一 快速加热 rapidheating 快速加热包括火焰炉中的辐射快速加热和对流快速加热 感应电加热 接触电加热等 它由于加热速度快 加热时间锻 所以坯料表面氧化少 二 介质保护加热1 气体介质常用的保护气体有惰性气体 不完全燃烧的煤气 天然气 石油液化气或分解氨等 2 液体介质如熔融玻璃 熔融盐 玻璃浴炉 盐浴炉等 3 固体介质如玻璃粉 珐琅粉 石墨粉以及金属薄膜等 三 少无氧化火焰加热通过控制炉气的成分和性质 利用燃料不完全燃烧所产生的中性炉气或还原性炉气 来实现金属的少无氧化加热 3 6金属的锻后冷却 锻件的冷却是指锻件从终锻温度出模冷却到室温 一 锻后冷却常见缺陷产生的原因和防止措施1 裂纹冷却裂纹是由于锻件冷却过程中的内应力引起的 它由锻件表面向内部扩展 按照冷却时内应力产生的原因 有温度应力 组织应力和残余应力 2 白点银白色斑点 属脆性裂纹 白点多发生在珠光体类和马氏体类合金钢中 锻件的尺寸愈大 白点愈容易形成 白点形式的原因是由于钢中氢气和组织应力共同作用的结果 冷却速度愈快时 愈容易形成白点 3 网状碳化物过共析钢和轴承钢如果终锻温度较高并在锻后缓冷 特别是在Arm Ar1区间缓冷时 由奥氏体中大量析出二次碳化物并扩散到晶界 于是便沿原奥氏体晶界形成碳化物网 当网状碳化物较严重时 材料的冲击韧性下降 淬火时常引起龟裂 这几种缺陷都与冷却速度有关 因此要确定合适的冷却速度防止这些缺陷的产生 二 锻件的冷却方法 按冷却速度分有三种 即空冷 坑冷 炉冷 空冷终锻结束后锻件出模就放在静止的空气中冷却 冷却速度较快 对于有色金属 铝合金 镁合金 钛合金 锻件 常用 坑 箱 灰砂冷一般锻件 砂温度不应低于500 周围蓄砂厚度不能小于80mm 炉冷入炉温度一般不低于600 650 出炉温度不应高于100 150 这种方法冷却速度很慢 生产率低 主要用于中碳钢和低合金钢的大型锻件 和高合金钢的重要锻件 空冷 冷却速度较快 坑冷次之 炉冷最慢 三 锻件的冷却规范 制定锻件冷却规范的关键是冷却速度 正确的锻造工艺可以得到质量好的锻件 但如果锻后冷却不当 将使锻件变形 表面过硬 甚至由于冷却过快而开裂使锻件报废 一般来说 成分简单的 尺寸小的坯料 允许锻后冷却速度快 反之 合金化复杂的要缓慢冷却 另外 含碳量高的 碳素工具钢 合金工具钢 轴承钢 应先空冷 后坑冷或炉冷 这是因为在锻后初期如果缓慢冷却 会析出网状碳化物 没有相变的钢 如奥氏体钢 铁素体钢 空冷 在空冷中容易产生马氏体相变的钢 如高速钢 不锈钢 高合金工具钢 避免产生裂纹 需要缓慢冷却 对白点敏感的钢 炉冷 铝合金导热性好 可空冷或水冷 课堂作业 根据所示的图分析 1 始锻温度 2 图中三段平台线段各表示什么 目的 3 v vM 所示的斜线段代表什么含义 为什么图示的两个斜线斜率不一样 说明理由 4 说出该加热曲线的类型 材料科学与工程学院 第四章自由锻主要工序分析 空气锤 4 1概述 一 定义自由锻 利用冲击力或压力使金属在上下两个平板之间产生变形 从而得到所需形状及尺寸的锻件 或者说 只用简单的工具 或在锻造设备的上下砧间直接对坯料施加外力 使坯料产生变形而获得所需形状及内部质量的锻件的加工方法 自由锻造 手工自由锻造和机械自由锻造 自由锻 锻锤自由锻 产生冲击力使金属坯料变形 中小型 水压机自由锻 靠压力使坯料变形 大型 优点 所用工具简单 通用性强 灵活性大 因此适合单件和小批锻件 缺点 锻件精度低 加工余量大 生产率低 劳动强度大 二 自由锻工序分类自由锻工序 基本工序 辅助工序和修整工序 基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序 是主要变形工序 如镦粗 拔长 冲孔 芯轴拔长 弯曲 错移 扭转 切割 芯轴扩孔等 辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序 如钢锭倒棱和缩颈倒棱 预压钳把 阶梯轴分段压痕等 修整工序即后续工序 指用来精整锻件尺寸和形状使完全达到锻件图要求的工序 一般是在某一基本工序完成后进行 如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆 凸起 凹下及不平和有压痕面的平整 拔长后的弯曲校直和锻斜后的校正等 自由锻件的成形都是这三类工序的组合 辅助工序 修整工序 三 金属塑性变形及流动的几个问题 一 影响金属塑性变形流动的三个因素加载情况 受力情况 变形情况整体加载 整体受力如镦粗局部加载 整体受力 整体变形如冲孔 D d5 二 金属塑性变形的不均匀性实质上是由金属质点的不均匀流动引起的 三 塑性变形时金属的流动方向最小阻力定律 4 2自由锻工序特点 定义 在外力作用下 使坯料高度减小 横截面增大的锻造工序 一 镦粗 二 镦粗的作用 获得横截面较大而高度较小的锻件 饼块件 用作冲孔前的准备工序 增大坯料的横截面积以便于冲孔 反复镦拔法 镦粗与拔长相结合 可提高锻造比 同时击碎合金工具钢中的块状碳化物 并使其分布均匀以提高锻件的使用性能 提高锻件的横向力学性能以减小力学性能的异向性 四 主要质量问题和变形流动特点 针对圆截面坯料的镦粗讨论1 质量问题 侧表面产生纵向或45 裂纹 侧表面出现鼓形 上下端存留铸态组织 高坯料镦粗易失稳弯曲 三 主要方法 平砧镦粗 垫环镦粗和局部镦粗 2 变形流动特点 1 镦粗时由于坯料两端面与工具存在摩擦力而导致金属变形不均匀 坯料上下端面及其表层金属因受摩擦力影响成为难变形区 区域 为大变形区 区域 为小变形区 因此 镦粗结果 坯料由圆柱形变为鼓形 另外 I 区与工具接触 温度降低快 也是难变形的原因之一 i 这样三个区域的变形不均匀使金属内部晶粒粗细不一 大变形区变形充分 得到细晶粒 难变形区 还保留粗大的铸态组织 ii 区变形的不均 又引起了侧表面裂纹的产生 平砧镦粗变形分布与应力状态分析 2 不同高径比坯料的镦粗坯料形状和尺寸对镦粗时不均匀变形也有影响 3 为减少缺陷可采取的措施有 a采用润滑 预热工具b用侧凹形毛坯镦粗 c使用软金属垫镦粗 d叠料镦粗 f反复镦粗拔长工艺 局部镦粗 二 拔长 一 定义 使坯料横截面减小 以增加其长度的锻造工序 二 拔长作用 由横截面积较