鍛造工藝與模具設計-鍛造用材料準備

1、第二章第二章 鍛造鍛造用材料準備用材料準備1謝利謝利材料工程材料工程學院學院主要包括碳素鋼、合金鋼、高溫合金、有色金屬及其合金按加工狀態(tài)分類：鑄錠(大型鍛件)、軋材、鍛坯(中小型鍛件)和擠壓棒 C低于0.25%低碳鋼碳鋼 C在0.25%-0.6%中碳鋼 C大于0.6%高碳鋼2-1 鍛造用原材料2鋼錠是由冒口、錠身和底部組成。鋼錠表層為細小等軸結晶區(qū)，向里為柱狀結晶區(qū)，枝狀結晶區(qū)，心部為粗大等軸結晶區(qū)。2.1.1鋼錠的內部結構及缺陷3由金屬學所學內容知，鋼錠的內部缺陷主要集中在冒口、底部和中心部分;選擇結晶,冒口處聚集著輕質夾雜物和氣體,形成收縮空,周圍產生嚴重疏松;心部和底端為沉積區(qū),含有較大

2、密度的夾雜物;其中冒口和底部作為廢料應予切除;由于冶金和物理化學的規(guī)律性,鋼錠的常見缺陷有：偏析、夾雜、氣體、氣泡、縮孔、疏松、裂紋和濺疤等;這些缺陷的形成與冶煉、澆注和結晶過程緊密相關，并且空洞和疏松一類的缺陷不可避免.4偏析 包括枝晶偏析（指鋼錠在晶體范圍內化學成分的不均勻性）和區(qū)域偏析（鋼錠在宏觀范圍內的不均勻性）;造成力學性能不均勻和裂紋缺陷。枝晶偏析現象可以通過鍛造、再結晶、高溫擴散和鍛后熱處理得到消除;區(qū)域偏析只有通過反復鐓拔變形工藝才能使其化學成分趨于均勻化.5夾雜夾雜 分為分為內在夾雜和外來夾雜內在夾雜和外來夾雜 內在內在夾雜指冶煉時產生的氧化物、硫化物、夾雜指冶煉時產生的氧化

3、物、硫化物、硅酸鹽等非金屬夾雜，外來夾雜是耐火材質、爐硅酸鹽等非金屬夾雜，外來夾雜是耐火材質、爐渣碎粒渣碎粒等等; ;它它破壞金屬的連續(xù)性，夾雜處產生應破壞金屬的連續(xù)性，夾雜處產生應力集中，引發(fā)顯微裂紋，成為疲勞源，低熔點夾力集中，引發(fā)顯微裂紋，成為疲勞源，低熔點夾雜在晶界上分布易引起雜在晶界上分布易引起熱脆熱脆現象現象; ;可見可見夾雜降低夾雜降低鑄錠的鍛造性能和鍛后的力學性能。鑄錠的鍛造性能和鍛后的力學性能。6氣體和氣泡氣體和氣泡 常見的殘存氣體是氧、氮、氫常見的殘存氣體是氧、氮、氫等等; ;氫氫是鋼中危害最大的是鋼中危害最大的氣體氣體; ;對于白點敏感鋼，當氫含量達到一定數值后，冷卻對于

4、白點敏感鋼，當氫含量達到一定數值后，冷卻時易產生時易產生白點白點缺陷缺陷. .氫氫含量高還會引起含量高還會引起氫脆現象氫脆現象，鋼的塑性顯著鋼的塑性顯著下降下降. .只要只要氣泡不是敞開的或氣泡內氣泡不是敞開的或氣泡內壁沒有被氧化，通過鍛造可以焊合，但皮下氣泡常壁沒有被氧化，通過鍛造可以焊合，但皮下氣泡常常容易引起常容易引起裂紋裂紋. . 7縮孔和疏松縮孔和疏松 縮孔在冒口區(qū)，由于冷卻時鋼液補充不足而形縮孔在冒口區(qū)，由于冷卻時鋼液補充不足而形成，含有大量雜質，必須將縮孔與冒口一起切除。成，含有大量雜質，必須將縮孔與冒口一起切除。 疏松疏松集中在中心部位，降低組織的致密度，破集中在中心部位，降低

5、組織的致密度，破壞了金屬的連續(xù)性，鍛造時用大變形才能消除。壞了金屬的連續(xù)性，鍛造時用大變形才能消除。濺疤濺疤 當采用上注法澆注時，鋼液將沖擊鋼錠模當采用上注法澆注時，鋼液將沖擊鋼錠模底而飛濺至模壁上，濺珠和鋼錠不能凝為一體，在底而飛濺至模壁上，濺珠和鋼錠不能凝為一體，在鋼錠表面形成濺鋼錠表面形成濺疤疤. .鍛鍛前應鏟除，否則會在鍛件上前應鏟除，否則會在鍛件上形成形成夾層夾層. .一般來說一般來說，鋼錠越大，產生上述缺陷的可能性就越，鋼錠越大，產生上述缺陷的可能性就越大，缺陷性質就越大，缺陷性質就越嚴重嚴重. .82.1.2型材的常見缺陷1 1、表面缺陷、表面缺陷： 劃痕劃痕 軋制中的意外原因在

6、其表面劃出傷痕，深度軋制中的意外原因在其表面劃出傷痕，深度達達0.2-0.5mm0.2-0.5mm，會影響鍛件的，會影響鍛件的質量質量; ; 折迭折迭 已氧化的表層金屬被壓入金屬內部而形成折已氧化的表層金屬被壓入金屬內部而形成折迭，折縫內有氧化物而不能鍛迭，折縫內有氧化物而不能鍛合合. .在在折迭處易產生應力集折迭處易產生應力集中，影響鍛件中，影響鍛件質量質量. . 發(fā)裂發(fā)裂 鋼錠皮下氣泡被軋扁、拉長、破裂形成發(fā)狀鋼錠皮下氣泡被軋扁、拉長、破裂形成發(fā)狀裂紋，深度約為裂紋，深度約為0.5-1.5mm.0.5-1.5mm.在在高碳鋼和合金鋼中易產生此高碳鋼和合金鋼中易產生此缺陷缺陷. .9結疤結疤

7、 澆注時，鋼液飛濺而凝固在鋼錠表面，軋制過程澆注時，鋼液飛濺而凝固在鋼錠表面，軋制過程中被軋成薄膜而附于軋材表面，其深度約為中被軋成薄膜而附于軋材表面，其深度約為1.5mm;1.5mm;粗晶環(huán)粗晶環(huán) 鋁合金、鎂合金擠壓棒材，在其圓斷面的外層鋁合金、鎂合金擠壓棒材，在其圓斷面的外層區(qū)域，常出現粗大晶粒，稱為粗晶環(huán)。主要原因為擠壓時區(qū)域，常出現粗大晶粒，稱為粗晶環(huán)。主要原因為擠壓時金屬與擠壓筒間摩擦太大而形成的死區(qū)。鍛造時易開裂，金屬與擠壓筒間摩擦太大而形成的死區(qū)。鍛造時易開裂，或留在鍛件表層降低鍛件性能。因此，鍛前應將粗晶環(huán)切或留在鍛件表層降低鍛件性能。因此，鍛前應將粗晶環(huán)切除。除。102 2、

8、材料內部缺陷：、材料內部缺陷：碳化物偏析碳化物偏析 在高碳合金鋼中易產生。原在高碳合金鋼中易產生。原因是碳化物在開坯和軋制時未被打碎和不均因是碳化物在開坯和軋制時未被打碎和不均勻分布造成的。碳化物偏析容易引起鍛件開勻分布造成的。碳化物偏析容易引起鍛件開裂等。消除碳化物偏析，其最有效的辦法是裂等。消除碳化物偏析，其最有效的辦法是采用反復鐓采用反復鐓拔工藝，徹底打碎碳化物并均拔工藝，徹底打碎碳化物并均勻分布。勻分布。非金屬夾雜非金屬夾雜 夾雜物被軋成帶狀，破壞金屬夾雜物被軋成帶狀，破壞金屬的連續(xù)性，嚴重時，會引起鍛件開裂。的連續(xù)性，嚴重時，會引起鍛件開裂。11 白點白點 隱藏在鍛坯內部，在縱向斷口

9、上呈圓隱藏在鍛坯內部，在縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點，在橫向斷口上呈細形或橢圓形的銀白色斑點，在橫向斷口上呈細小裂紋，顯著降低鋼的韌性。白點的大小不一小裂紋，顯著降低鋼的韌性。白點的大小不一，長度為，長度為1-20mm1-20mm不等或更長。其原因是鋼中氫不等或更長。其原因是鋼中氫含量太高和各種內應力共同作用下產生的。當含量太高和各種內應力共同作用下產生的。當鋼中氫含量較多和熱加工后冷卻太快時容易產鋼中氫含量較多和熱加工后冷卻太快時容易產生白點。生白點。存在白點的金屬存在白點的金屬必須切除必須切除，不能再使用。，不能再使用。12總之總之 表面缺陷表面缺陷，鍛前應去除，以免影響鍛件質量。

10、，鍛前應去除，以免影響鍛件質量。 內部缺陷內部缺陷，嚴重時不應投入生產。，嚴重時不應投入生產。 132-2 下料方法在在加熱和鍛造之前，將原材料切成所需長度或所加熱和鍛造之前，將原材料切成所需長度或所需幾何尺寸的工序，稱為需幾何尺寸的工序，稱為下料下料。大大鑄錠下料屬于自由鍛的任務，通常用自由鍛方鑄錠下料屬于自由鍛的任務，通常用自由鍛方法進行開坯，然后將錠料兩端切除，并按一定尺法進行開坯，然后將錠料兩端切除，并按一定尺寸將坯料分割開來寸將坯料分割開來。其它材料的下料工作，一般都在其它材料的下料工作，一般都在鍛造車間的下料鍛造車間的下料工段工段進行。進行。14l常用的下料方法有：剪切、冷折、鋸切

11、、車削、砂輪切割、剁斷及特殊精密下料等。l各種下料方法都有其特點，它們的毛坯質量、材料利用率、加工效率等往往有很大不同。選用何種方法，應視材料性質、尺寸大小、批量和對下料質量的要求而定。151 1、剪切法、剪切法(1)(1)剪切剪切下料的特點：生產率高、操作簡下料的特點：生產率高、操作簡單，斷口無金屬損耗、工具簡單，模具費單，斷口無金屬損耗、工具簡單，模具費用低等；但端面質量較沖床下料和切削加用低等；但端面質量較沖床下料和切削加工方法下料差。工方法下料差。適用于適用于大批量生產大批量生產，被普，被普遍采用。遍采用。16(2)(2)剪切過程剪切過程: :通過通過上下兩刀片作用給坯料以上下兩刀片作

12、用給坯料以一定壓力一定壓力F F，在坯料內產生彎曲和拉伸變形，在坯料內產生彎曲和拉伸變形，當應力超過材料的剪切強度時發(fā)生斷裂。當應力超過材料的剪切強度時發(fā)生斷裂。 剪切剪切三階段：一、刀刃壓進棒料，塑性變三階段：一、刀刃壓進棒料，塑性變形區(qū)不大，形區(qū)不大， 由于加工硬化的作用，刃口端處由于加工硬化的作用，刃口端處首先出現裂紋；二、裂紋隨刀刃的深入而繼首先出現裂紋；二、裂紋隨刀刃的深入而繼續(xù)擴展；三、在刀刃的壓力作用下，上下兩續(xù)擴展；三、在刀刃的壓力作用下，上下兩裂紋間的金屬被拉斷，造成裂紋間的金屬被拉斷，造成S S形斷面。形斷面。17(3)(3)剪切剪切下料可分為兩種：下料可分為兩種： 專用剪

13、床下料，即在專用剪床上進行；專用剪床下料，即在專用剪床上進行； 其它設備上剪切下料，即在壓力機、其它設備上剪切下料，即在壓力機、 液液壓機或鍛錘上用剪切模具進行下壓機或鍛錘上用剪切模具進行下料料; ;(4)(4)質量問題：坯料局部被壓扁、端面不平整質量問題：坯料局部被壓扁、端面不平整、剪斷面常有毛刺和、剪斷面常有毛刺和裂縫裂縫; ;(5)(5)冷剪切和熱剪切冷剪切和熱剪切：按剪切時坯料溫度不同：按剪切時坯料溫度不同分為冷切和分為冷切和熱切熱切. .18冷剪切冷剪切的生產率高，但所需剪切力的生產率高，但所需剪切力較大較大, ,一般用于一般用于低、中低、中碳結構鋼和截面尺寸較小的棒材碳結構鋼和截面

14、尺寸較小的棒材。鋼中碳含量或合金含鋼中碳含量或合金含量較多時，強度高且塑性差，冷剪切時鋼中產生很大的量較多時，強度高且塑性差，冷剪切時鋼中產生很大的應力而在切口出現裂紋或崩碎，這時，應采用熱剪切法應力而在切口出現裂紋或崩碎，這時，應采用熱剪切法下下料，如料，如工具鋼、合金鋼和截面尺寸較大的棒料或鋼坯工具鋼、合金鋼和截面尺寸較大的棒料或鋼坯; ;采用采用冷剪切或熱剪切下料應根據坯料橫斷面尺寸大小和冷剪切或熱剪切下料應根據坯料橫斷面尺寸大小和化學成分而化學成分而定定; ;例：截面大或者直徑大于例：截面大或者直徑大于120mm120mm的的中碳鋼，應進行預熱剪中碳鋼，應進行預熱剪切；高碳鋼和合金鋼應

15、按化學成分和尺寸大小確定預熱切；高碳鋼和合金鋼應按化學成分和尺寸大小確定預熱溫度，在溫度，在400-700400-700范圍內選定范圍內選定。但。但剪切較軟材料時預熱剪切較軟材料時預熱溫度不宜過高，利用藍脆現象（鋼材為溫度不宜過高，利用藍脆現象（鋼材為250-350250-350），可），可提高剪切質量，獲得光滑的斷面。提高剪切質量，獲得光滑的斷面。19(5)(5)剪切力剪切力按下式計算：按下式計算：F=KAF=KA 式式中中 FF計算的剪切力；計算的剪切力； A A剪切斷面積剪切斷面積(mm(mm2 2) )； 材料剪切抗力材料剪切抗力(MPa)(MPa)，剪切強度比同溫度下，剪切強度比同溫

16、度下的強度極限小一些的強度極限小一些，一般，一般為：為：剪剪=(=(0.70.8)0.70.8)b b； K K考慮到刃口磨鈍和間隙考慮到刃口磨鈍和間隙變化的系數，一般變化的系數，一般為為K=1.0-1.2K=1.0-1.2。202 2、鋸切法鋸切法 鋸鋸切能切斷橫斷面較大的坯料，雖然生產率切能切斷橫斷面較大的坯料，雖然生產率較低，鋸口損耗大，但因為較低，鋸口損耗大，但因為下料精確，切口平整下料精確，切口平整，特別用在精鍛工藝上，仍不失為一種主要的的，特別用在精鍛工藝上，仍不失為一種主要的的下料手段。下料手段。 對于對于端面質量、長度精度要求高的鋼材下料端面質量、長度精度要求高的鋼材下料，也采

17、用鋸切下料。所以，鋸床下料使用仍較普，也采用鋸切下料。所以，鋸床下料使用仍較普遍。金屬可以在熱態(tài)下或冷態(tài)下鋸切。鍛造生產遍。金屬可以在熱態(tài)下或冷態(tài)下鋸切。鍛造生產中大都采用冷態(tài)鋸切，只有軋鋼廠才采用熱態(tài)鋸中大都采用冷態(tài)鋸切，只有軋鋼廠才采用熱態(tài)鋸切。切。21常用的下料鋸床有圓盤鋸、帶鋸和弓形鋸等。常用的下料鋸床有圓盤鋸、帶鋸和弓形鋸等。圓盤鋸圓盤鋸：的鋸片厚度一般為的鋸片厚度一般為3-8mm3-8mm，鋸屑損耗較大，鋸屑損耗較大。且鋸切速度較低，圓周速度約為。且鋸切速度較低，圓周速度約為0.5-1.0m/s0.5-1.0m/s。比普通切削加工速度低，故生產率較低。鋸切直比普通切削加工速度低，故

18、生產率較低。鋸切直徑可達徑可達750mm750mm。帶鋸：帶鋸：有立式、臥式、可傾立式等。其生產率是有立式、臥式、可傾立式等。其生產率是普通圓鋸床的普通圓鋸床的1.5-21.5-2倍，切口損耗為倍，切口損耗為2-2.2mm2-2.2mm，主，主要用于鋸切直徑在要用于鋸切直徑在350mm350mm以內的棒料以內的棒料。弓形鋸：弓形鋸：是一種往復鋸床，由弓臂及可以獲得往是一種往復鋸床，由弓臂及可以獲得往復運動的連桿機構等組成。鋸片厚度為復運動的連桿機構等組成。鋸片厚度為2-5mm2-5mm，一，一般用來鋸切直徑為般用來鋸切直徑為100mm100mm以內的棒料。以內的棒料。223 3、其他下料方法、其他下料方法砂輪砂輪片切割片切割法法: :適用于適用于切割小截面棒料、管料和異形切割小截面棒料、管料和異形截面材料，以及其它下料方法難于切割的金屬截面材料，以及其它下料方法難于切割的金屬 ，如，如高溫合金高溫合金GH33GH33、GH37GH37