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1、第2章 锻造用原材料及坯料准备,锻造用的金属材料包括碳素钢、合金钢、有色金属及其合金。按照加工状态分为铸锭、轧材、挤压的棒材、和锻坯等， 大型锻件一般直接用铸锭锻制，中小型锻件一般用轧材、挤压棒材和锻坯生产。,2.1 锻造用钢锭结构,一、钢锭结构（冒口、锭身和底部组成）,锻造用钢基本上是镇静钢，我国锻造用大型钢锭有两种规格，一种是普通锻件用的4锥度、高径比为1.82.3、冒口比例为17的钢锭；另一种是优质锻件用的1112锥度、高径比为1.5左右、冒口比例为2024的钢锭。,二 大型钢锭的内部缺陷,大型钢锭的内部缺陷有：偏析、夹杂、气体、缩孔、疏松和溅疤等。并且不可避免。钢锭愈大，缺陷愈严重，往
2、往是造成大型锻件报废的主要原因。,1、偏析: 钢锭内部化学成分和杂质分布的不均匀性称为偏析。 偏析可分为树枝状偏析(或显微偏析)和区域偏析(或低倍偏析)两种。树枝状偏析是指钢锭在晶体范围内化学成分的不均匀性。 树枝状偏析通过锻造和锻后热处理可以消除；区域偏析是指钢锭在宏观范围内的不均匀性，可通过变形减小危害性。,原因：选择性结晶、比重差异或流速不同造成的； 危害：造成力学性能不均匀和裂纹缺陷， 措施：变形和热处理可消除或减小。,2、夹杂 : 钢锭内部不溶解于基体金属的非金属化合物，经过加热与冷却热处理仍不能消失，称为非金属夹杂物，通称夹杂。大型锻件内部通常存在的非金属夹杂有：硅酸盐、硫化物和氧
3、化物等，它们的主要特征见表2-1。,表2-1 夹杂主要特征,危害：夹杂破坏金属的连续性，容易发生显微裂纹，会降低锻件的机械性能。 在夹杂的含量、种类、大小、分布状况等因素中，以夹杂的大小和分布状态对锻件质量影响最大。 如果分布在晶界上的低熔点夹杂(硫化物)过多时，锻造会引起热脆现象，严重地降低钢的锻造性能。了解夹杂在钢锭中的分布，对指导大锻件生产非常重要。危害最大的粗大夹杂，主要分布在钢锭底部，而引起热脆危险的硫化物夹杂多出现在钢锭心部且接近冒口区。 措施：变形改变分布。,3、气体 在钢锭中常见的残存气体有氧、氮、氢等。其中氧和氮在钢锭里最终以氧化物和氮化物存在-夹杂。氢是钢中危害性最大的气体
4、，它在钢中的含量超过一定极限值时，会在锻后冷却过程中，在锻件内部产生白点和氢脆缺陷使钢的塑性显著下降。 措施：降低气体含量，控制炉气。,4、缩孔和疏松 缩孔是在冒口区形成的，此区凝固最迟，由于没有钢液补充而造成不可避免缺陷。缩孔的大小与位置和锭模结构及浇注工艺有关。 措施：锭模适当，冒口位置正确，采用保温等。一般情况下，锻造时将缩孔与冒口一并切除、否则因缩孔不能锻合而造成内部裂缝，导致锻件报废。 疏松是由于晶间钢液最后凝固收缩造成的晶间空隙和钢液凝固过程中析出气体构成的显微孔隙。这些孔隙在区域偏析处较大者变为疏松，在树枝晶间处较小的孔隙则变为针孔。 危害：缩孔和疏松使钢锭组织致密程度下降，破坏
5、了金属的连续性，影响锻件的力学性能。 措施：锻造时要求大变形，以便锻透钢锭将疏松消除。,铸件经过轧制、挤压或锻造加工后、组织结构得到改善，性能相应提高。通常、变形越充分、残存的铸造缺陷就越少，材料质量提高的幅度也越大。但在轧、挤、锻过程中、材料有可能产生新的缺陷。常见的缺陷如下； 划痕(划伤)：金属在轧制过程中，由于各种意外原因在其表面划出伤痕，深度常达0.20.5mm，会影响锻件质量。 折叠：轧制时，轧材表面金属被翻入内层并被拉长，折逢内由于有氧化物而不能被焊合，结果形成折叠。形成应力集中，影响锻件的质量。 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
6、金钢中容易产生这种缺陷。,三、型材的常见缺陷,结疤：浇注时，钢液飞溅而凝固在钢锭表面，在轧制过程中被辗轧成薄膜而附于轧材表面，其厚度约为1.5mm。 碳化物偏析：通常在含碳量高的合金钢中容易出现这种陷。 其原因是钢中的菜氏体共晶碳化物和二次网状碳化物在开坯和轧制时未被打碎和不均匀分布所造成。 危害：碳化物偏析会降低钢的锻造性能，容易引起锻件开裂，热处理淬火时容易局部过热、过烧和淬裂，制成的刀具在使用时刃口易崩裂。 措施：为了消除碳化物偏析所引起的不良影响，最有效的办法是采用反复镦拔工艺彻底打碎碳化物，使之均匀分布，并为其后的热处理作好组织准备。,白点：白点是隐藏在钢坯内部的一种缺陷。显著降低钢
7、的韧性 特征：它在钢坯的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，白点的大小不一，长度由1-20 mm不等或更长。 原因：一般认为白点是由于钢中存在定量的氢和各种内应力组织应力、温度应力、塑性变形后的残余应力等)，并在其共同作用下产生的。当钢中含氢量较多和热压力加工后冷却太快时容易产生白点。 措施：首先应提高钢的冶炼质量，尽可能降低氢的含量，其次采用缓慢冷却的方法，让氢充分逸出和减小各种内应力。,非金属夹杂 在钢中通常存在着硅酸盐、硫化物和氧化物等非金属夹杂物，这些夹杂物在轧制时被辗轧成条状。 危害：夹杂物破坏基体金属的连续性，严重时会引起锻造开裂。 措施：通过变形改善。,
8、粗晶环：铝合金、镁合金挤压棒材，在其横断面的外层环形区域，常出现粗大晶粒故称为粗晶环。 粗晶环产生原因与很多因素有关，其中主要是由于挤压过程中金属与挤压筒之间的摩擦过大表面温降过快，破碎的晶粒未能再结晶，在其后淬火加热时再结晶合并长大所致。 危害：锻造时容易开裂，如粗晶环留在锻件表层，将会降低锻件的性能。 措施：锻造前通常须将粗晶环车掉。,在上述中，划痕、折迭发裂、结疤和粗晶坏等均属于材料表面缺陷，锻前应去除避免在锻造过程中继续扩展或残留在锻件表面，降低锻件质量或导致锻件报废。 碳化物偏析、非金属夹杂、自点等属于材料内部缺陷，严重时将显著降低锻造性能和锻件质量。因此，在锻造前应加强材料质量检验
9、，不合格材料不应投入生产。,下料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 下料方法,下料方法的优缺点,传统的下料方法的下料品质均不太理想，断口不齐，坯料的长度与品质重复精度低。 离子束切割、电火花线切割等新型下料方法，能锯切很硬的材料，剪切品质很好，但成本高，不宜用于大批量生产。 金属带锯下料既能得到高的下料精度，又能适应大批量生产。,传统的下料方式 ：,一、热锻原材料及下料方法,第2章 锻造用原材料及下料方法,锯切下料： 断面平整，尺寸准确；但生产效率低，有锯口损失，且锯条和锯盘损耗也比较大。 圆盘锯：d
10、750mm，在锯断大直径圆钢时，必须使用大直径的圆锯片，机器也变大。锯缝越大，材料利用率越低。 弓形锯：d100mm,小直径棒料可成捆锯断 高速带锯：生产效率高，且毛坯形状规则。 弓形锯、圆盘锯、带锯机锯切坯料时消耗锯缝的质量比为：1.56:1.87:1。,第2章 锻造用原材料及下料方法,带锯锯切,金属带锯主要由六个部分构成： 变速机构 锯带张紧装置 无级变速液压控制系统 冷却系统 锯刷 床身。 下图为GZ4025型卧式带锯的外形图,第2章 锻造用原材料及下料方法,图2.2 GZ4025型卧式带锯的外形图,第2章 锻造用原材料及下料方法,双金属锯带,目前常用的金属带锯锯带以高速钢为齿部材料，以
11、弹簧钢为背部材料，通过电子束复合后开齿而成的双金属锯带。,图2.3 电子束焊接的双金属锯带,第2章 锻造用原材料及下料方法,典型锯齿形状如下图：,(a),a(b),(b),(c),(d),(e),图2.4 典型锯齿形状 (a) 标准齿；(b) 强力齿；(c) MG齿；(d) ACG齿；(e) 变化齿,第2章 锻造用原材料及下料方法,剪切法： 生产率高、操作简单、切口无金属损耗；但剪切面不平，略带歪斜，普遍常用，d200mm。 高碳钢、合金钢或断面尺寸较大的钢坯需预热。 一般棒料剪切法有：剪床剪切、冲床剪切。 在剪床上剪切的棒料截面尺寸在 (150200）mm 。,第2章 锻造用原材料及下料方法
12、,特点：效率高，操作简单，断口无金属损托、模具费用低等。 缺点：坯料局部被压扁；端面不平整；剪断面有毛刺和裂逢。 其剪切过程如图：剪切下料过程可分为三个阶段，,图2.5 F-剪切力 FT-水平阻力 FO-压板阻力,a)出现裂缝 b)裂纹扩展 c)断裂,图2.6 剪切下料过程,第2章 锻造用原材料及下料方法,影响剪切端面质量的因素： 刀刃锐利程度：刃口圆顿时，将扩大塑性变形区，刃尖处裂纹出现晚，结果剪切端面不平整。 刀口间隙的大小：刀口间隙大，坯料容易产生弯曲，结果使断面与轴线 不相垂直，刃口间隙太小，容易碰损刀刃。 支承情况：若坯料支承不利，因弯曲使上下两裂纹方向不相平行，断口则偏斜。 剪切速
13、度快：塑性变形区和加工硬化集中，上下两边裂纹方向一致，可获平整断口：剪切速度慢，情况则相反。 方法：按剪切温度不同，分为冷剪切和热剪切冷剪切生产率高，但需要较大的剪切力；强度高塑性差、截面尺寸大的钢材，采用热剪切。,锻造工艺对剪切的质量要求,第2章 锻造用原材料及下料方法,折断下料：适用于硬度较高的高碳钢及高合金钢。如GCr15，GSiMnMo等轴承钢，加热温度为300-400。如图1-4所示，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。 特点：折断法生产率高，断口金属 损牦小 所用工具简单，尤其适 用硬度较高的钢，如高碳钢和合金 钢，不过这类钢在折断之前应预热
14、于300400,图2.9 折断示意图,第2章 锻造用原材料及下料方法,砂轮片切割法（无齿锯）：可切割d40mm以下的任何硬度的金属毛坯。生产效率高，断面平整，工作条件差。 特点：设备简单，操作方便，下料长度准确，端面平整。缺点：砂轮片耗量大，易蹦碎，噪声大， 适用于切割小截面棒料管料和异形截面材料。 气割：主要用于大型钢坯和锻件的大断面切割（断面厚度可达1500mm以上）。,基本概念 偏析、夹杂、缩孔、疏松、溅疤、划痕、折迭、粗晶环 思考题 1、 试阐述镇静钢锭的结构及其主要缺陷的产生部位。 2、 钢锭常见缺陷有哪些？它们产生的原因和危害性是什么？ 3、 常见的型材缺陷有哪些？它们产生的原因和危害性是什么？ 4、 锻造用型材常采用哪些方法下料？各自有何特点？ 5、 铸锭作为锻造坯料时如何下料？,本节小结,据冶炼时脱氧程序的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。镇静钢为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的回收率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。,镇静钢,返回文档,