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工厂锻造知识及问题汇总 一 锻造材料二 锻造的基本知识三 锻件的主要缺陷及产生原因 一 锻造材料 一 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的宏观组织一般由三个晶区组成 即外表层的细晶区 中间的柱状晶区和心部的等轴晶区 如下图所示 A 高温金属液体进入铸模 表面的液体产生极大过冷 临近的晶粒长大时迅速彼此相遇 不能继续长大 形成了一层很细的薄层等轴晶粒区 B 柱状晶区由垂直于模壁的粗大的柱状晶构成 在表层金属细晶粒形成的同时 一方面模壁温度迅速上升 另一方面金属凝固收缩后 细晶区与模壁脱离 形成一层薄薄空气层 散热愈发困难 过冷减小 温度梯度变得平缓 逐渐开始形成柱状晶区 柱状晶区中 晶粒彼此间的界面平直 气泡缩孔较小 组织致密 但是当沿不同方向生长的两组相近柱状晶相遇后 就形成柱晶间界 而柱晶间界是杂质 气泡 缩孔密集的区域 也是铸锭的脆弱面 当压力加工时 易于沿着弱面裂开或形成裂纹 对于塑性较好的金属 可以压力加工不至于开裂 但塑性差的合金 应尽力避免形成发达的柱状晶区 从而避免压力加工时开裂报废 C 中心等轴晶区的晶粒在长大时 枝晶交叉 裂纹不易扩展 各个晶粒的取向各不相同 性能没有方向性 这是其优点 但是 等轴晶区树枝状晶发达 纤维缩孔较多 组织致密性差 但是此处的显微缩孔未被氧化 经过热压力加工之后 一般可可以焊合 这也是普通铸件力求得到柱状晶区的原因 D 但是不是所有的缩孔都可以焊合 在金属结晶时 在金属的冒口附近形成的集中缩孔以及二次缩孔 由于其表面被氧化 故不能在压力加工时焊合 此外 分散缩孔 即缩松 和等轴晶区的显微组织相似 杂质较少 且表面未被氧化 也是可以在压力加工时焊合的 二 钢中杂质元素的影响 1 锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂 用以去除溶于钢液中的氧 锰除了脱氧的作用外 还有除硫作用 及与钢中的硫结合成MnS从而在相当大程度上消除硫在钢中的有害影响 这些反应物大部分进入炉渣 小部分残留于钢中 成为非金属夹杂物 锰对碳钢的机械性能有良好的影响 它能提高钢的强度和硬度 当锰含量不高时 可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性 硅也是钢中的有益元素 硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用 显著提高钢的强度和硬度 但含量较高时 将使钢的塑性和韧性下降 2 硫的影响硫是钢中的有害元素 它是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中来的杂质 硫只溶于钢液中 在固态铁中几乎不能溶解 而是以FeS杂质的形式存在于固态钢中 硫的最大的危害是引起钢在热加工时开裂 这种现象称为热脆 造成热脆的原因 防止热脆的方法 3 磷的影响磷具有很强的固溶强化作用 磷会引起冷脆 磷的有害影响磷溶于铁素体中 会使其晶格歪曲 晶粒长大 而且有冷脆性 P 0 13 时脆性特甚 P使钢破断能转变温度增高的作用比碳强约20倍 和Mn一样使钢晶粒粗化 4 氢的影响钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸入的 此外在含氢的还原性气氛中加热钢材 酸洗及电镀等 氢均可被钢件吸收 并通过扩散进入钢内 氢对钢的危害是很大的 一是引起氢脆 即在低于钢材强度极限的应力任用下 经一定时间后 在无任何预兆的情况下突然断裂 往往造成灾难性的后果 二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷 白点 白点使钢材的延伸率显著下降 尤其是断面收缩率和冲击韧性降低得更多 有时可接近于零值 有白点的钢是不能使用的 5 氧及其它非金属夹杂物的影响氧在钢中的溶解度非常小 几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中 如FeO Al2O3 SiO2等 此外钢中还存在FeS MnS 硅酸盐 氮化物 磷化物等 这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性 在静载荷和动载荷的作用下 往往在为裂纹的起点 因此对非金属夹杂物应严加控制 6 氮的有害影响 它与合金元素生成氮化物是非金属夹杂物 更重要的是降低了合金元素的作用 含N钢在退火过程中因氮化物析出而会显著降低它的塑性 但在钢中加入足够数量的铝 铝能与氮结合成AlN 可以起到细化晶粒的作用 减弱或消除氮的危害 7 铜的不良影响是 含Cu量较高时将导致钢具热脆性 而使热锻轧加工困难 铜脆 在钢的缺陷一文中指出当Cu 0 2 时 加热过程由于表面发生选择性氧化 使Fe先Cu而发生氧化 而表层Cu含量即相对增加形成一层薄膜 然后向扩散形成含Cu网络 在1030 即容易锻裂 适量加Ni可生成熔点较高的Cu Ni固溶体 可降低 铜脆 二 锻造的基本知识 一 锻造的含义锻造就是利用锻压机械对金属坯料施加压力 使其产生塑性变形 以获得具有一定机械性能 一定形状和尺寸锻件的加工方法 二 锻造的基本知识 二 锻造的分类 1 按照工具模具安置情况分类自由锻造 固定的平砧或者型砧成型 胎模锻 锻造模具为可移动式 模锻 锻造模具为固定式 2 按照成型温度分类热锻 终锻温度高于再结晶温度 特点是工件温度高于模具温度 温锻 介于热锻与冷锻间的加热锻造 冷锻 室温下或者低于工件再结晶温度 保温锻 模具带有加热和保温装置 三 锻造的目的 锻造改善金属材料的强度指标 塑性指标 冲击韧度 疲劳强度 断裂韧度 和抗应力腐蚀性能等 对于部分高温工作的零件 还改善材料的高温瞬时拉伸性能 持久性能 抗蠕变性能和热疲劳性能等 主要体现在以下组织和性能 1 打碎柱状晶 改善宏观偏析 把铸态组织变为锻态组织 并在合适的温度和应力条件下 焊合内部空隙 提高材料的致密度 2 铸锭经过锻造形成纤维组织 进一步通过轧制 挤压 模具锻造 使锻件得到合理的纤维方向分布 3 控制晶粒度的大小和均匀度 4 是组织得到形变强化或形变 相变强化等 通过上述组织的改变 使锻件的塑性 冲击韧度 疲劳强度 断裂韧度 和持久强度也随之得到了改善 之后通过锻后热处理就可以得到零件所要求的硬度 强度 塑性等良好的综合性能 四 锻造的工艺流程原材料 钢锭或坯料 材料加热 锻件锻造 锻件锻后冷却 锻件锻后热处理 五 锻造工艺的制定 1 锻造用原材料估算的基本原理是 体积不变定律 即 去除气孔 缩孔 疏松等因素的影响 认为锻造变形前的坯料体积等于锻造变形后锻件的体积 V坯料 V锻件 V工艺 V烧损式中 V坯料 坯料的体积 V锻件 锻件的体积 V工艺 因轴端切头 冲孔连皮 模锻毛边等形成的工艺废料的体积之和 V烧损 因加热时的氧化和烧损的体积 如果金属在锻造前后的密度不变 则 体积不变定律 可以看成是 质量不变定律 锻件重量 金属的密度 锻件的体积锻件坯料重量 金属的密度 锻件坯料的体积 2 锻件的加工余量是按照厂标 TZY90301 2002 锤上自由锻件机械加工余量与公差 TZY90302 2002 水压机上自由锻件机械加工余量与公差 3 锻造比的计算锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法 锻造比以金属变形前后的横断面积的比值来表示 不同的锻造工序 锻造比的计算方法各不相同 锻造比包含工序锻造比 每火次锻造比 总锻造比 1 拔长时 锻造比为KL D12 D22 l2 l1 D1为变形前截面积 D2为变形后截面积 L1为变形前长度 L2为变形后长度 2 镦粗时的锻造比 也称镦粗比或压缩比 其值为KH H0 H1 H0为变形前高度 H1为变形后高度 3 连续拔长或镦粗时 总锻比为各分锻比之积 反复镦粗拔长结合时 总锻比为各分锻比之和 六 自由锻造的工序根据工序的变形性质和变形程度的不同 自由锻的工序可分为基本工序 辅助工序和修整工序三类 基本工序包括 镦粗 拔长 冲孔 扩孔 弯曲 芯轴拔长 错移 扭转 剁切 辅助工序包括 压钳把 倒棱 压痕 修正工序包括 校正 滚圆 平整 拔长拔长是使毛坯长度增加 横截面面积减小的工序 它除了用于锻件成形外 还常用来改善锻件的内部组织 提高力学性能 拔长操作的基本方法有三种 沿螺旋线翻转90 拔长 常用于塑性较低的材料 反复翻转90 拔长 常用于塑性较好的材料 单向顺序拔长 常用于大型锻件 镦粗镦粗是将毛坯局部或全部横截面面积增大 高度减小的锻造工序 镦粗变形区 在平砧上镦粗圆柱形毛坯时 其变形分布如图 区 受摩擦和砧子激冷影响最大 该区变形十分困难 称为 难变形区 区 不但受摩擦的影响较小 应力状态也有利于变形 该区变形程度最大 称为 大变形区 区 其变形程度介于 区和 区之间 称为 小变形区 因鼓形部分存在切向拉应力 容易引起表面产生纵向裂纹 冲孔在坯料上锻出通孔或盲孔的锻造工序称为冲孔 用于锻造各种带孔件和空心锻件 常用的冲孔方法常用的冲孔方法有三种 即在漏盘上冲孔 实心冲子冲孔和空心冲子冲孔 扩孔减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序称为扩孔 用以锻造各种圆环锻件 常用的扩孔方法有两种 即冲子扩孔和芯轴扩孔 三 锻件的主要缺陷及产生原因 在自由锻造的全部工艺过程中 锻件产生的缺陷与以下几方面的因素有关 原材料及下料产生的缺陷未清除 坯料加热不当 锻造操作或使用工具不当 锻后冷却及热处理方法不当等 因此 要掌握不同情况下锻件产生缺陷的特征 并进行综合分析 找出产生原因 及时采取措施 自由锻锻件的主要缺陷及产生的原因如下 一 横行裂纹1 表面横向裂纹缺陷现象 锻造时坯料表面出现较浅 约10mm深 的横向裂纹或较深的横向裂纹 产生原因 浅裂是钢锭皮下气泡未焊合形成的 深裂是由钢锭浇注受锭内壁质量 钢水摆动和钢锭与锭模铸合等因素形成的 2 内部横向裂纹缺陷现象 在锻件内部产生的横向裂纹 产生原因 冷锭在低温区加热过快 中心引起较大拉力造成 或高碳钢和高合金钢塑性较差 在锻造操作相对送进量过小造成的 二 纵向裂纹 1 缺陷现象 经常在第一次拔长或镦粗时出现 产生原因 锭模内壁缺陷和新锭模未很好退火 操作不当 高温 高速浇注 钢锭脱模冷却不当或脱模过早 倒棱时压下量过大 轧制钢锭时产生纵向划痕等 2 缺陷现象 在坯料近冒口中心出现 产生原因 由于钢锭冷却时缩孔未集中于冒口部分 锻造冒口端切头量过少 使坯料近冒口端存在二次缩孔或残余缩孔 锻造则引起纵向裂纹 三 炸裂缺陷现象 一般在坯料锻造前加热时或锻件冷却 热处理后 在表面或内部炸开而形成的裂纹 产生原因 因为坯料具有较高的残余应力 在未予消除的情况下 错误的采用快速加热或不适当的冷却 即引起裂纹 四 龟裂缺陷现象 锻件在锻造时表面出现的龟甲状或裂纹 钢料表面较浅的龟裂应清除后再锻造 产生原因 由于钢中Cu Sn As S的含量较多 或者在加热炉中铜料渗入 熔化的铜渗入钢料晶界 造成铜料热脆 或者由于坯料始锻温度过高 开始锻造时锤击过重等原因造成 五 白点缺陷现象 锻件内部有银白色或灰色的圆形裂纹 钢中含 Ni Cr Mo W等元素 在合金钢大型锻件中易产生 产生原因 钢中含氢量过高 而锻后冷却或热处理工艺不当 便会产生该缺陷 六 疏松缺陷现象 沿钢锭中心的疏松组织锻造时未能锻合 由于钢锭本身疏松严重或者锻造比不当 变形方案不佳 及锻造时相对送进量过小 不能锻透而引起该缺陷 七 折叠缺陷现象 在锻造过程中金属不合理的流动造成 产生原因 因砧面形状不适当 砧边圆角过小和拔长时送进量小于单边压下量等原因