锻造用材料准备

1、锻造工艺及模具设计,主讲人：王菊线,安徽职业技术学院,第二章 锻造用材料准备,2.1 锻造用钢锭与型材 2.2 下料和下料方法 2.3 模锻时的润滑 2.4 钢的软化退火 2.5 钢的磷化处理,锻前材料准备主要包含以下两项内容： 1）选择材料；2）锻件大小切成一定长度的毛坯。 碳素钢 铸造钢锭 合金钢 轧材 有色金属 挤压棒材 贵金属 锻坯,型材,一、适宜于冷锻成形的材料,适合于冷锻的材料，应当具有较高的塑性，不但冷态塑性要好，而且变形时硬化程度也不要太强。,适于冷锻的材料主要是有色金属铝/镁等、低碳钢、中碳钢和低合金结构钢和某些不锈钢。,部分冷锻用钢,冷锻用材料状态,二、热锻用金属材料,热锻

2、用钢材 热锻用钢材有钢锭和钢坯两种。大型锻件使用钢锭作为原材料，中小型锻件使用各种截面的钢坯作为原材料。,热锻用有色金属及贵金属,2.1 锻造用钢锭与型材,一、钢锭的内部结构,钢锭是由冒口、锭身和底部组成，其内部组织结构，取决于结晶热力学和动力学条件。 表层为细小等轴晶区 向里为柱状结晶区 再往里为倾斜树枝状结晶区 心部为粗大等轴晶区,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。 钢锭底部和冒口占钢锭质量的5%7%和18%25%。对于合金钢，一般冒口切除25%30%，底部切除7%10%。,二、大型钢锭的主要缺陷,钢锭的常见缺陷有：偏析、夹杂

3、、气体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤等。 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 钢锭内部各成分不均匀的现象，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）。 影响：造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。 措施： 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 定义：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。 影响：破坏金属的连续性，在夹杂处产生应力集中，引起显微裂纹，成为

4、锻件的疲劳源。降低锻造性能和锻件的力学性能。,气体 钢锭中常见的残存气体是氢、氧、氮等。氢是钢中危害最大的气体。 当氢含量达到一定数值后，锻后冷却时锻件内部会产生白点缺陷。氢含量过高还会引起氢脆现象，使钢的塑性显著下降。,缩孔和疏松 缩孔在冒口区（凝固最慢），由于冷却时钢液补充不足而形成，含有大量杂质，因此必须将缩孔与冒口一起切除。 疏松集中在中心部位，由于晶间钢液最后凝固收缩或钢液凝固过程中析出气体形成，会降低组织的致密度，破坏金属的连续性，在锻造时需用大变形才能消除。,溅疤 浇注时，钢液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。 锻前必须铲除，否则会在锻件上形

5、成夹层。,三、型材的常见缺陷,型材表面缺陷,型材内部缺陷,碳化物偏析,非金属夹杂流线,白点,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。,1、型材表面缺陷： 划痕 轧制中的意外原因在其表面划出伤痕，深度达0.20.5mm，会影响锻件的质量。 折叠 已氧化的表层金属被压入金属内部而形成折叠，折缝内有氧化物而不能锻合。在折叠处易产生应力集中，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0.51.5mm。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

6、 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。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，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 硅酸盐、硫化物和氧化物等。 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。 其形成原因是由于在温度降低时，钢

7、中的氢来不及逸出而聚集在钢中空隙处而结合形成巨大压力产生白点。 存在白点的金属必须切除，不能再使用。,原材料在加热和锻造之前必须要按锻件的大小和工艺要求切割成一定尺寸的坯料。 下料工序，它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。,2.2 下料和下料方法,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 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。,（

8、1）工作原理：剪切过程分三个阶段 1）第一阶段：刀刃压进棒料，塑性变形区不大，由于加工硬化有作用，刃口端首先出现裂纹； 2）第二阶段：裂纹随刀刃的深入而继续扩展； 3）第三个阶段：在刀刃的压力作用下，上下裂纹间的金属被拉断，造成“S”形断面。,剪切下料示意图,P剪切力 PT水平阻力 PQ压板阻力,（a）出现裂纹 （b）裂纹扩展 （c）断裂 棒材剪切下料过程,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,（2）特点：生产率高、操作简单，模具费用低等；但端面质量较冲床下

9、料和切削加工方法下料差，剪切面常有毛刺。 （3）影响剪切下料质量的因素: 刀刃的利刃程度、刀片间隙大小、支撑情况、材料性质及剪切速度,（4）剪切下料分类 1）按照剪切时坯料温度： 冷剪切； 热剪切； 对于低中碳钢/截面尺寸较小的棒材常采用冷剪切，而对于工具钢/截面尺寸较大的棒料，则要采用热剪切。 2）按照剪切设备： 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。,二、冷折法 先在待折断处开一小缺口，在压力作用下，在缺口处产生应力集中使坯料折断。冷折法适用于硬度较高的高碳钢和合金钢，同时预热坯料。 三、砂轮片切割法 利用高速旋转的薄片砂轮

10、切割坯料。不受材料硬度的限制，适合切割硬而塑性较差的高温合金。 四、气割法 利用气焊（氧和C2H2）阁炬切割。被割金属燃点必须低于其熔点,适应中低碳钢/低合金钢，截面尺寸无限制。,五、锯切法,采用锯床下料，常用锯床有圆片锯、带锯、弓形据。一般来说锯条或锯片磨损严重。,GZ4025型卧式带锯,六、其它下料方法 1.电机械锯割法 2.电火花切割 3.阳极切割 阳极切割是利用电蚀作用和电化学腐蚀作用的原理切开金属材料,2.3 模锻时的润滑,模锻时接触面上的单位压力一般在 8001200MPa，也有高达2500MPa，热模锻的温度一般在11501200。 在如此高的压力和温度下，建立润滑膜非常困难，模

11、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。,常用热模锻润滑剂配方（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40140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。,温锻润滑剂,可用作碳钢和不锈钢在300700温度下温锻的润滑剂：,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

12、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-非石墨型润滑剂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。具有如下物理特性： 液体成分：去离子水。 比重：1.11.2。 P H值：910。 结冰点：0(32F)。,无色、透明，无毒性，使用安全，无烟、不燃烧。 不产生沉淀。 对锻件无腐蚀作用，易洗涤清除。 锻后自然挥发，表面不留残渣，保证锻件表面光洁、美观和避免模具型腔生锈。,DF型非石墨型模锻润滑剂的优点,2.4 钢的软化退火,软化退火常用来消除钢锭和锻连铸|轧钢材的内应力并降低硬度，防止引起开裂 意义：

13、锻前对毛坯进行退火软化处理是冷锻过程中的一个重要工序，其目的是减小变形抗力，提高塑性。 退火后的坯料晶粒得到细化，改善钢的硬化性能，降低硬度；同时使钢的成分和组织均匀，消除内应力，对于冷锻意义重大。 不同的退火工艺，会得到不同的力学性能。,珠光体球化处理曲线a)碳素钢b)合金钢,20#钢不同热处理状态下的力学性能,2.5 钢的磷化处理,冷锻成形的坯料制取一般需要经过切断、软化退火和磷化处理3个步骤。 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。 磷酸盐被膜与钢表面结合牢固，对润滑剂有很好的吸附作用，而且磷酸盐被膜具有一定的塑性，冷锻时与钢材一起变形，使坯料和模具不直接接触。,钢制

14、坯料的一般磷化处理工艺,钢制坯料的快速磷化处理工艺,磷化处理操作过程要点,（1）处理液槽的体积要根据处理坯件质量大小合理选择，一般以1m3为宜。 水洗、中和、脱脂、被膜处理、润滑处理宜采用钢板制的液槽。 在对不锈钢进行草酸盐被膜处理和润滑处理时，液槽宜用木槽或在钢板槽内表面衬橡皮。,（2）加热装置可为电热、蒸汽加热等直接加热装置； 加热温度不能低于或高于规定的加热温度； 所配制的磷化液或其它溶液浓度不合适时，应随时添加水。,(3) 坯料的搅拌很重要。 (4) 处理液槽可按直线布置。 (5)干燥要充分。被膜处理和润滑处理过的坯料应充分干燥。,磷化膜品质不良的形式及防治措施,（1）不产生磷化膜或磷化膜太薄。 （2）磷化膜有空白片。 （3）磷化膜分布不均匀，有花斑。 措施：延长磷化时间，提高磷化温度 （4）磷化膜结晶粗大。 措施：用压缩空气搅拌磷化