锻造用材料准备 2

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按组织成分按加工状态型材一、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。s材料牌号机械性能（MPa）（MPa）（%）（%）HB备注1A7080～1003035～4070～9025～30退火2A11380～4202401530100淬火+时效2A11210110183860～70退火15钢360～3802855110退火bs部分冷锻用钢种类举例普通碳素结构钢Q195、Q215、Q235优质碳素结构钢10、20、30、40合金结构钢铬钢20Cr、30Cr、40Cr铬钼钢20CrMo、30CrMo、40CrMo铬镍钼钢20CrNiMo、30CrNiMo铬锰钢20CrMn、30CrMn不锈钢奥氏体钢0Cr18Ni9、0Cr17Ni11MoZ、00Cr18Ni10马氏体钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2铁素体钢1Cr17、0Cr13冷锻用材料状态冷锻用材料状态钢热轧退火状态；热轧退火后的剥皮材或无心磨削坯料；经小变形量拉拔的棒材；退火状态的拉拔棒材；铸锭；锻坯有色金属热轧棒材；热轧板材；退火状态的挤压坯料；退火状态的拉拔坯料；铸件二、热锻用金属材料•热锻用钢材•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种类举例铝及其合金纯铝L2、L4、L6；防锈铝LF21；锻铝LD2、LD10、LD31；硬铝LY12、超硬铝LC4铅及其合金纯铅、铅合金锌及其合金纯锌、锌合金锡及其合金纯锡、锡合金铜及其合金纯铜T2、无氧铜TU1、黄铜H65、H80、H96、锌白铜Bzu15~20、白铜B19贵金属铂、金、银、镍、钛、白金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、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。⑴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。⑵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，成为锻件的疲劳源。降低锻造性能和锻件的力学性能。⑶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。⑷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。⑸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，否则会在锻件上形成夹层。三、型材的常见缺陷型材表面缺陷型材内部缺陷划痕折叠发裂结疤粗晶环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：⑴划痕轧制中的意外原因在其表面划出伤痕，深度达0.2~0.5mm，会影响锻件的质量。⑵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。⑶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0.5~1.5mm。在高碳钢和合金钢中易产生此缺陷。⑷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。⑸粗晶环铝合金、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：⑹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。⑺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。⑻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。（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：①冷剪切；②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：①专用剪床下料，即在专用剪床上进行；②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800～1200MPa，也有高达2500MPa，热模锻的温度一般在1150～1200℃。•在如此高的压力和温度下，建立润滑膜非常困难，模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40～140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300～700℃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：1.1～1.2。•PH值：9~10。结冰点：0℃(32°F)。•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：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液（5）磷化膜膜层有黄色沉淀物。措施：捞出沉淀物，保持清洁（6）磷化膜层有挂灰。措施：对磷化液定期过滤清理（7）磷化膜呈红锈色。措施：稀释磷化液，降低亚铁离子本章小结1、锻造用钢锭与型材的缺陷2、下料和下料方法3、模锻常用的润滑剂4、钢的软化退火及磷化处理作业布置1）钢锭常见缺陷有哪些？它们产生的原因和危害是什么？2）常见的型材缺陷有哪些？它们产生的原因和危害是什么？3）锻造用型材常采用哪些方法下料？各自有何特点？