锻造工艺学(兰州理工大学)

1、锻锻 造造 工工 艺艺 学学 材料科学与工程学院 Seite 2 第一章 绪 论 Seite 3 塑性成型生产过程简述 原材料下料 加 热 （在给定温度） 不加热坯 料 模具、工具 润 滑 机 器 成型件 成型后工序（切 变、精整、清理、 热处理） 锻压件或冲压件（形 状与尺寸合格、组织 性能合格） 给给定定速速度度或或行行程程 控控制制力力及及其其分分布布 Seite 4 什么是锻造？什么是锻造？金属塑性加工方法之一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热的金属坯料施力，使金属材料

2、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。常锻造是在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。 Seite 5 锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的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 追溯到公元前追溯到公元前4000年年甚至甚至8000年。年。 锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航空、航锻造生产广泛应用于机械、

3、冶金、造船、航空、航 天、兵器以及其它许多工业部门。天、兵器以及其它许多工业部门。 Seite 6 航空航天航空航天 Seite 7 武器装备武器装备 Seite 8 交通运输交通运输 中国动车组列车中国动车组列车 Seite 9 全全 铝铝 汽汽 车车 Seite 10 齿轮齿轮 曲轴曲轴 连杆连杆 Seite 11 1任务：解决锻件的成形及其内部组织性能的任务：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。控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。 2目的：锻造的目的：锻造的根本目的根本目的是利用外加载荷（冲是利用外加载荷（冲 击载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使

4、金属毛击载荷或静载荷）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。技术的要求。 Seite 12 实质实质：锻造工艺的实质是如何利：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状和性能而成为合格锻件的加工 过程。过程。 Seite 13 一、锻造生产的特点及其在国民经济中的作用一、锻造生产的特点及其在国民经济中的作用 （一）锻造生产的优点和缺点（一）锻造生产的优点

5、和缺点 1优点：优点：优质、高产、低消耗、灵活。优质、高产、低消耗、灵活。 1) 优质优质 指可以改善金属组织性能。指可以改善金属组织性能。 金属零件的传统生产过程是：金属零件的传统生产过程是： 冶炼冶炼制坯制坯切削加工切削加工热处理热处理 制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻造毛坯。制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻造毛坯。 铸造毛坯铸造毛坯的组织性能差，只适用于性能要求低的零、部件的组织性能差，只适用于性能要求低的零、部件 Seite 14 锻造：锻造： 纤维组织变形后的杂纤维组织变形后的杂 质仍具有方向性，呈现纤维状质仍具有方向性，呈现纤维状 条纹条纹 锻造流线变形后杂质锻造流线变

6、形后杂质 的纤维分布，使组织、的纤维分布，使组织、 性能呈性能呈 方向性方向性 Seite 15 钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意 Seite 16 2) 高产高产 指机械化生产，生产率高指机械化生产，生产率高 二、三百件二、三百件/小时，现在更高了，一百多件小时，现在更高了，一百多件/分，分， 1.2万件万件/小时。据统计，每模锻小时。据统计，每模锻100万吨钢，由于提高万吨钢，由于提高 了生产率，可比切削加工减少了生产率，可比切削加工减少23万工人，少用万工人，少用15000 台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金属台机床。在现今技术水平条件下，几乎任

7、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。不同而已。 Seite 17 今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达到今天，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。、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西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线 Seite 18 3) 低消耗低消耗 指少、无切削，省工省料。指少、无切削，省工省料。

8、 4) 灵活灵活 指锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯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（如曲轴、精锻齿轮等） 锻件的重量小的不到锻件的重量小的不到1公斤公斤 大的可达几百吨大的可达几百吨 单件小批量生产单件小批量生产 大批量生产。大批量生产。 Seite 19 2缺点：缺点：1)模具成本高，加工周期长。模具成本高，加工周期长。 2)受锻造设备吨位的限制。受锻造设备吨位的限制。 Seite 20 （二）锻造业的地位（二）锻造业的地位 锻造在

9、工业生产中占有锻造在工业生产中占有举足轻重举足轻重的地位。的地位。 锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的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，难以工业、农业、国防和科学技术的影响，难以 估量。估量。 锻造生产的能力在一定程度上锻造生产的能力在一定程度上标志标志着一个国着一个国 家的家的工业水平工业水平。 Seite 21 二、锻件生产的分类及其工艺流程二、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。种锻造。 1自由锻造自由锻造 把加热好的坯料放在自由锻造设备的

10、平砧之间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。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。一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。 手工锻造手工锻造 自由锻自由锻 机械（锤上自由锻和水压机上自由锻）机械（锤上自由锻和水压机上自由锻） Seite 22 Seite 23 u自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单、粗糙度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。要求较低、加工余量较大的锻件生产。 u使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产 准

11、备周期短，所以使用范围广。准备周期短，所以使用范围广。 u锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大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。，不易保证，生产效率低。 Seite 24 自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称 胎模锻胎模锻。 胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预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。胎模

12、内成形），这种锻造方法称为胎模锻造。 Seite 25 2模锻模锻 把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的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。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。一致的锻件。 根据根据变形特点变形特点，分为开式模锻和闭式模锻。，分为开式模锻和闭式模锻。 Seite 26 根据根据设备结构特性和工艺特性设备结构特性和工艺特性的不同，分为锤上模锻的不同，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（自由锻锤上模锻、高速锤上模锻）、摩擦压力机

13、上 模锻、热模锻压力机上模锻、液压机上模锻、平锻机模锻、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。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，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。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。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。精密锻件的成形也要通过模锻来实现。 Seite 27 3特种锻造特种锻造 即在专用锻压设备上或在特殊模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。具型槽内使坯料成形

14、的一种特殊锻造工艺。 一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻造一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻造 工艺。工艺。 如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动辗如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动辗 压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超塑性压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超塑性 模锻等。模锻等。 Seite 28 锻造工艺流程锻造工艺流程是指生产一个锻件所经过的是指生产一个锻件所经过的 锻造生产过程。锻造生产过程。 以模锻为例，其锻造工艺流程是：以模锻为例，其锻造工艺流程是： 备料加热模锻切边、冲孔备料加热模锻切边、冲孔 热处理酸洗、清理校正。热处理酸洗、清理校正。 Seite 29 一般来

15、说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产，与形状、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。尺寸、技术要求和生产批量大小等很多因素有关。 通常，单件、小批量生产通常，单件、小批量生产 自由锻方法自由锻方法 大批量大批量 模锻方法模锻方法 生产生产 但有些但有些航空重要产品航空重要产品上的锻件，虽然批量不大，但由于流上的锻件，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。模锻方法生产。 Seite 30 三、锻造工艺的发展简史及其发展趋势三、锻造工艺的

16、发展简史及其发展趋势 （一）锻造技术的发展简史（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。中国约在公元前装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用冷锻工多年已应用冷锻工 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。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。车来提起重锤再自由落下的方法

17、锻打坯料。14世纪以后出世纪以后出 现了畜力和水力落锤锻。现了畜力和水力落锤锻。 Seite 31 Seite 32 为锻铜浮雕。是为锻铜浮雕。是 手工锻造作品。手工锻造作品。 手工锻造是一种手工锻造是一种 古老的金属加工古老的金属加工 工艺，是以手工工艺，是以手工 锻打的方式，在锻打的方式，在 金属板上锻锤出金属板上锻锤出 各种高低凹凸不各种高低凹凸不 平的浮雕效果。平的浮雕效果。 Seite 33 1842 1842年，英国的内史密斯制成第一台年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤蒸汽锤，使，使 锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机 、电

18、机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。夹板、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锤最早应用于美国内战(1861(18611865)1865)期间，用以模锻期间，用以模锻 武器的零件，随后在欧洲出现了武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤蒸汽模锻锤，模锻工，模锻工 艺逐渐推广。到艺逐渐推广。到1919世纪末已形成近代锻压机械的基本世纪末已形成近代锻压机械的基本 门类。门类。 20 20世纪初期，随着汽车开始大量生产，世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模热模 锻锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。迅速发展，成为锻造的主要工艺。 Seite 34 锻压经过锻压经过100多年

19、的发展，今天已成为一多年的发展，今天已成为一 门综合性学科。门综合性学科。 它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为 理论基础，同时涉及传热学、物理化学、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技术，与其它学科一起支撑机器制造业机器制造业。 Seite 35 我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比 还有一定还有一定差距差距。 表现在：表现在：1) 工业发达国家的模锻件已占全部锻件的工业发达国家的模锻件已占全部锻件的 70以上，而我国尚

20、不足以上，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。方法还很薄弱。 Seite 36 3) 精锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发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。要的大型自由锻件还常常需从国外进口。 4) 在在CAD/CAM方面，一些发达国家已进入实用方面，一些发达国家已进入实用 阶段，在这些方面，

21、我国还刚刚起步。阶段，在这些方面，我国还刚刚起步。 Seite 37 （二）锻造生产的发展趋势（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、无切削加工的目的，为此应逐步发展和 完善完善精密成形新技术精密成形新技术，发展高效精密的锻，发展高效精密的锻 压设备。压设备。 2) 为适应大批量生产的需要，应发展为适应大批量生产的需要，应发展专业专业 化的连续生产线化的连续生产线，建立地区性的专门化锻，建立地区性的专门化锻 造中心，如齿轮

22、精锻中心、连杆锻造中心造中心，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、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。造及采用最新设备和先进工艺。 Seite 38 3) 为适应新产品开发，缩短研制周期，应发展为适应新产品开发，缩短研制周期，应发展柔性加柔性加 工技术和工技术和CAD/CAM 技术技术。 锻模的锻模的CAD/CAM的主要优点有：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。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，方便地应用于设可

23、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。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。可以实现多方案比较设计，达到优化的目的。 Seite 39 4) 提高锻件的内在提高锻件的内在质量质量。 5) 提高机械化、提高机械化、自动化自动化水平。水平。 6) 发展以煤气、油、电等为热源的发展以煤气、油、电等为热源的先进加热先进加热 技术，改善劳动条件。技术，改善劳动条件。 Seite 40 （三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳（三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳 为如下为如下 l 装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低装备水平低，其主要

24、表现是设备老化、精确度低 l 管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散 l 厂家封闭式经营厂家封闭式经营 l 研究和生产不平衡研究和生产不平衡 Seite 41 四、本课程的性质和任务四、本课程的性质和任务 锻造工艺学锻造工艺学是研究如何利用各种锻造方法有效地控制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。学科。 锻造工艺学锻造工艺学任务是通过本课程的教学，达到如下任务是通过本课程的教学，达到如下要求要求： 1) 基本掌握自由锻工艺设计、模锻工艺设计和锻

25、模设计的方法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。具有初步分析和解决锻件质量问题的能力。 Seite 42 五、主要参考书简介五、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，姚泽坤主编，锻造工艺学，西北工业大学出版社，19981998 张志文主编：锻造工艺学，机械工业出版社，张志文主编：锻造工艺学，机械工业出版社，19831983 杨振恒、陈镜清等编：锻造工艺学，西北工业大学出版社，杨振恒、陈镜清等编：锻造工艺学，西北工业大学出版社，1986198

26、6 锻件质量分析编写组编：锻件质量分析，机械工业出版社，锻件质量分析编写组编：锻件质量分析，机械工业出版社，19831983 锻工手册编写组编：锻工手册，机械工业出版社，锻工手册编写组编：锻工手册，机械工业出版社，19781978 李尚健主编，锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社，李尚健主编，锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社，19911991 张振纯编：锻模图册，机构工业出版社，张振纯编：锻模图册，机构工业出版社，19801980 材料科学与工程学院 第二章第二章 锻造用原材料及下料方法锻造用原材料及下料方法 Seite 44 一、分类一、分类 锻造用原材料的分类：钢锭和型材锻造用原材

27、料的分类：钢锭和型材 C低于低于0.25%低碳钢低碳钢 C在在0.25%0.6%中碳钢中碳钢 C大于大于0.6%高碳钢高碳钢 2-1 锻造用原材料锻造用原材料 Seite 45 二、冶炼二、冶炼 1、冶炼的任务：化学成分，金属液体的、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。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、主要方法：碱性平炉、酸性平炉、碱 性电炉、双联法、真空冶炼法、电渣重性电炉、双联法、真空冶炼法、电渣重 熔法等。熔法等。 Seite 46 三、钢锭的内部结构三、钢锭的内部结构 钢锭是由冒口、锭身钢锭是由冒口、锭身 和底部组成。钢锭

28、表和底部组成。钢锭表 层为细小等轴结晶区层为细小等轴结晶区 ，向里为柱状结晶区，向里为柱状结晶区 ，枝状结晶区，心部，枝状结晶区，心部 为粗大等轴结晶区。为粗大等轴结晶区。 Seite 47 由金属学所学内容知，钢锭的内部缺陷主要集中在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。冒口切净锭身的作用，因此应占钢锭的一定比例。冒口切 除除1520。 Seite 48 四、大型钢锭的

29、主要缺陷四、大型钢锭的主要缺陷 钢锭的常见缺陷有：偏析、夹杂、气钢锭的常见缺陷有：偏析、夹杂、气 体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤。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。程紧密相关，并且不可避免。 Seite 49 偏析偏析 包括包括枝晶偏析枝晶偏析（指钢锭在晶体范围内化学（指钢锭在晶体范围内化学 成分的不均匀性）和成分的不均匀性）和区域偏析区域偏析（钢锭在宏观范围内（钢锭在宏观范围内 的不均匀性）的不均匀性） 造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。枝晶偏析现造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。枝晶偏析现 象可以通

30、过锻造、再结晶、高温扩散和锻后热处理象可以通过锻造、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得到消除。区域偏析只有通过反复镦拔变形工艺拔变形工艺 才能使其化学成分趋于均匀化。才能使其化学成分趋于均匀化。 Seite 50 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 内在夹杂指冶炼时产生的氧化物、硫化物、硅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

31、在晶界，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。性能和锻后的力学性能。 Seite 51 气体气体 常见的残存气体是氧、氮、氢等。常见的残存气体是氧、氮、氢等。氢氢是钢中危是钢中危 害最大的气体。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，通过下降。只要气泡不是

32、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。锻造可以焊合，但皮下气泡常常容易引起裂纹。 Seite 52 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成缩孔在冒口区，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。，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。了金属的连续性，锻造时用大变形才能消除。 Seite 53 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

33、 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 钢锭表面形成溅疤。锻前应铲除，否则会在锻件上钢锭表面形成溅疤。锻前应铲除，否则会在锻件上 形成夹层。形成夹层。 一般来说，钢锭越大，产生上述缺陷一般来说，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。的可能性就越大，缺陷性质就越严重。 Seite 54 五、型材的常见缺陷五、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其表面划出伤痕，深度达轧制中的意外原因在其表面划出伤痕，深度达 0.20.5mm0.20.5mm，会影响锻件的质量，会影响锻件的质量 折迭折迭

34、已氧化的表层金属被压入金属内部而形成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，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。影响锻件质量。 发裂发裂 钢锭皮下气泡被轧扁、拉长、破裂形成发状裂钢锭皮下气泡被轧扁、拉长、破裂形成发状裂 纹，深度约为纹，深度约为0.51.5mm0.51.5mm。在高碳钢和合金钢中易产生此缺。在高碳钢和合金钢中易产生此缺 陷陷 Seite 55 结疤结疤 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

35、于轧材表面，其深度约为1.5mm1.5mm。 粗晶环粗晶环 铝合金、镁合金挤压棒材，在其圆断面的外铝合金、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。留在锻件表层降低锻件性能。因此，锻前应将粗晶环切除。 Seite 56 2、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。原因是碳化在高碳合金钢中易产生。原因是碳化 物

36、在开坯和轧制时未被打碎和不均匀分布造成的。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效的办法是采用反复镦拔工艺，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，破坏金属的连续性夹杂物被轧成带状，破坏金属的连续性 ，严重时，会引起锻件开裂。，严重时，会引起锻件开裂。 Seite 57 白点白点 隐藏在锻坯内部，在纵向断口上呈圆形或椭圆形隐藏在锻坯内部，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

37、纹，显著降低钢的的银白色斑点，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，长度为韧性。白点的大小不一，长度为120mm不等或更长。其不等或更长。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。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。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。 Seite 58 总之总之 表面缺陷，锻前应去除，以免影响锻件质量。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。内部缺陷，严重时不

38、应投入生产。 Seite 59 2-2 下料方法下料方法 在加热和锻造之前，将原材料切成所需在加热和锻造之前，将原材料切成所需 长度或所需几何尺寸的工序，称为下料。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。寸将坯料分割开来。 Seite 60 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工段锻造车间的下料工段 进行。进行。 常用的下料方法有：剪切、冷折、锯切、车削、砂轮常用的下料方法有

39、：剪切、冷折、锯切、车削、砂轮 切割、剁断及特殊精密下料等。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，应视材料性质、尺寸大小、批量和对下料质量的要 求而定。求而定。 Seite 61 一、剪切法一、剪切法 1. 剪切下料的特点：生产率高、操作简单，断口剪切下料的特点：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；但端面质无金属损耗、工具简单，模具费用低等；但端面

40、质 量较冲床下料和切削加工方法下料差。适用于成批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。大量生产，被普遍采用。 Seite 62 2. 剪切过程剪切过程 是通过上下两刀片作用给坯料以一定压是通过上下两刀片作用给坯料以一定压 力力F，在坯料内产生弯曲和拉伸变形，当应力超过材料，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。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

41、续扩展；三、在刀刃的压力、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，造成作用下，上下两裂纹间的金属被拉断，造成S形断面。形断面。 Seite 63 3. 剪切下料可分为两种：剪切下料可分为两种： 专用剪床下料，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、 液压液压 机或锻锤上用剪切模具进行下料。机或锻锤上用剪切模具进行下料。 Seite 64 4. 质量问题：坯料局部被压扁、端面不平整、剪质量问题：坯料局部被压扁、端面不平整、剪 断面常有毛刺和裂缝。断面常有毛刺和裂缝。 5. 剪床

42、上的剪切装置剪床上的剪切装置 棒料棒料2送进剪床后，用压板送进剪床后，用压板3 固紧，下料长度固紧，下料长度L0由可调螺杆由可调螺杆5定位，在上刀片定位，在上刀片4和和 下刀片下刀片1的作用下将毛坯的作用下将毛坯6剪断。剪断。 Seite 65 6. 冷剪切和热剪切：按剪切时坯料温度不同分为冷切冷剪切和热剪切：按剪切时坯料温度不同分为冷切 和热切。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，应产生很

43、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。坯料横断面尺寸大小和化学成分而定。 Seite 66 例：截面大或者直径大于例：截面大或者直径大于120mm 的中碳钢，应进的中碳钢，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，在寸大小确定预热温度，在400700范围内选定。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（钢材为现象（钢材为250350

44、），可提高剪切质量，获），可提高剪切质量，获 得光滑的断面。得光滑的断面。 Seite 67 7. 剪切力按下式计算：剪切力按下式计算： F=KA 式中式中 F计算的剪切力；计算的剪切力； A剪切断面积剪切断面积(mm2)； 材料剪切抗力材料剪切抗力(MPa)，剪切强度比同温度下的强度极，剪切强度比同温度下的强度极 限小一些，限小一些， 一般为：一般为：剪 剪=(0.70.8)b。 。 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，一般为变化的系数，一般为 K=1.01.2。 Seite 68 二、锯切法二、锯切法 锯切能切断横断面较大的坯料，虽然生产率较锯切能切断横断面较大的坯料，虽

45、然生产率较 低，锯口损耗大，但因为下料精确，切口平整，特低，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别用在精锻工艺上，仍不失为一种主要的的下料手 段。段。 对于端面质量、长度精度要求高的钢材下料，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。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。采用冷态锯切，只有轧钢厂才采用热态锯切。 Seite 69 常用的下料锯床有圆盘锯、带锯和弓形锯

46、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38mm，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0.51.0m/s。比普。比普 通切削加工速度低，故生产率较低。锯切直径可达通切削加工速度低，故生产率较低。锯切直径可达 750mm。 Seite 70 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1.52倍，切口损耗为倍，切口损耗为22.2mm，主，主 要用于锯切直径在要用于锯切直径在350mm以内的棒料。以内的棒料。 Seite 71

47、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25mm ，一般用来锯切直径为，一般用来锯切直径为100mm以内的棒料。以内的棒料。 Seite 72 三、砂轮片切割法三、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，以及其它下料方法难于切割的金属 ，如高温合，如高温合 金金GH33、GH37等。优点是设备简单，操作方便等。优点是设备简单，操作方便 ， 下料长度准确，端面质量较好，生产率高于锯下料长度准确，

48、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，且易崩碎，噪声大。 Seite 73 四、折断法（又叫冷折法）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，在压其工作原理：先在待折断处开一小缺口，在压 力力F作用下，在缺口处产生应力集中使坯料折断。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。塑性变形就

49、已断裂。 Seite 74 五、气割法五、气割法 其它下料方法还有摩擦锯切割、电机械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。、精密下料方法等，可查阅有关资料。 Seite 75 例：电火花切割例：电火花切割 其工作原理为：直流电机通过电阻其工作原理为：直流电机通过电阻R和电容和电容C，使毛，使毛 坯接正极，锯片接负极，在电解液（如煤油）中切坯接正极，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

50、数万瓦。而切割处的接触数千安培；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面积又很小，因而电流密度可能高达数十万A/mm2 。因此，。因此， 毛坯上局部温度很高，约为毛坯上局部温度很高，约为10000，促，促 使金属熔化实现下料目的。使金属熔化实现下料目的。 材料科学与工程学院 第三章第三章 锻造的热规范锻造的热规范 Seite 77 一、加热目的一、加热目的 提高金属塑性，降低变形提高金属塑性，降低变形 抗力，即抗力，即增加金属的增加金属的可锻可锻 性性。使之易于流动成形并。使之易于流动成形并 获得良好的锻后组织和力获得良好的锻后组织和力 学性能。学性能。 3

51、-1 锻前加热的目的及方法锻前加热的目的及方法 Seite 78 可锻性可锻性衡量指标：金属的塑性和变形抗力金属的塑性和变形抗力 影响可锻性的因素：影响可锻性的因素： 1 1金属的本质金属的本质 化学成分化学成分 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） Seite 79 2 2压力加工条件压力加工条件 1 1）变形温度变形温度 随着温度的升高，钢的强度下降，塑性上升 ，即钢

52、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锻造温度范围。 2 2）变形速度）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临 界变形速度界变形速度。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。 Seite 80 3 3）应力状态）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

53、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。 Seite 81 锻前加热是整个锻造过程中的一个重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选择加热温度，就可使坯料在塑性较好的状 态下进行成形。态

54、下进行成形。 Seite 82 二、二、加热方法加热方法 按所采用的热源不同，可分为按所采用的热源不同，可分为火焰加热火焰加热和和电加热电加热两大类。两大类。 1 1火焰加热火焰加热利用燃料燃烧产生的热能对金属坯料进行加热。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

55、用各种大、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。缺点是：劳动条件差，加热速度慢，加热质量难以控制等。 Seite 83 2 2电加热电加热是通过把电能转变为热能来加热金属坯料。利用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。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。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，设备结构缺点是：对毛坯

56、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。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加热法按其传热方式可分为 电阻加热电阻加热（电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热（电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热 ） 感应电加热感应电加热 Seite 84 电阻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。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电阻炉加热：利用电流通过炉内的电热体产生的热量进

57、行加热。该法受电热体的使用温度的限制，热效率较低。在电行加热。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。阻炉内辐射传热是加热金属的主要方式。 Seite 85 接触电加热：是以低压大电流直接通过金属坯料，由金属接触电加热：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。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、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热

58、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，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。温度的测量和控制也比较困难。 Seite 86 盐浴炉加热：是电流通过炉内电极产生的热量把盐浴炉加热：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的坯料加热。内热式电极盐浴炉原理如图3-43-4

59、所示所示 。这种方法的加热速度快，加热温度均匀，可以实。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。，辅助材料消耗大，劳动条件差。 Seite 87 感应电加热感应电加热 坯料放入感应圈坯料放入感应圈 中，在交变电流的感应电动势的作中，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，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使坯料内部的电能直接转变为热能 而加热。而加热。 感应电加热具有加热速度快、感应电加热具有加热速度快、 加热质量好，温度易于

60、控制、金属加热质量好，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：利于锻件质量的提高。其缺点是： 设备投资费用高、每种感应器的尺设备投资费用高、每种感应器的尺 寸范围窄、电能消耗较大寸范围窄、电能消耗较大( (大于接大于接 触电加热，小于电阻炉加热触电加热，小于电阻炉加热) )。 Seite 88 感应电加热时，电流密度沿坯料横截面的分感应电加热时，电流密度沿坯料横截面的分 布为：中心电流小，表层大，这种现象称为布为：中心电流小，表层大，这种现象称为 趋肤效应趋肤效