锻造基础知识.pdf

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1、一、锻造基础知识1.锻压是锻造和冲压的合称，是利用锻压机械的锤头、砧块、冲头或通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的成形加工方法。2.当温度超过 300-400（钢的蓝脆区），达到700-800时，变形阻力将急剧减小，变形能也得到很大改善。根据在不同的温度区域进行的锻造，针对锻件质量和锻造工艺要求的不同，可分为冷锻、温锻、热锻三个成型温度区域。原本这种温度区域的划分并无严格的界限，一般地讲，在有再结晶的温度区域的锻造叫热锻，不加热在室温下的锻造叫冷锻。3.锻模寿命（热锻 2-5 千个，温锻 1-2 万个，冷锻 2-5 万个）4.在低温锻造时，锻件的尺寸变化很小

2、。在700以下锻造，氧化皮形成少，而且表面无脱碳现象。因此，只要变形能在成形能范围内，冷锻容易得到很好的尺寸精度和表面光洁度。只要控制好温度和润滑冷却，700以下的温锻也可以获得很好的精度。热锻时，由于变形能和变形阻力都很小，可以锻造形状复杂的大锻件。要得到高尺寸精度的锻件，可在900-1000温度域内用热锻加工5.坯料在冷锻时要产生变形和加工硬化，使锻模承受高的荷载，因此，需要使用高强度的锻模和采用防止磨损和粘结的硬质润滑膜处理方法6.一般说来，铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良

3、好的力学性能与长的使用寿命。7.计算锻造难度系数:K=锻件体积/最大包容体积(矩形);若 K6,则锻件属于易锻产品,若K3,则属于难锻产品.(当然具体情况具体对待).8.根据坯料的移动方式，锻造可分为自由锻、镦粗、挤压、模锻、闭式模锻、闭式镦锻。闭式模锻和闭式镦锻由于没有飞边，材料的利用率就高。用一道工序或几道工序就可能完成复杂锻件的精加工。由于没有飞边，锻件的受力面积就减少，所需要的荷载也减少。但是，应注意不能使坯料完全受到限制，为此要严格控制坯料的体积，控制锻模的相对位置和对锻件进行测量，努力减少锻模的磨损。9.根据锻模的运动方式，锻造又可分为摆辗、摆旋锻、辊锻、楔横轧、辗环和斜轧等方式。

4、摆辗、摆旋锻和辗环也可用精锻加工。为了提高材料的利用率，辊锻和横轧可用作细长材料的前道工序加工。与自由锻一样的旋转锻造也是局部成形的，它的优点是与锻件尺寸相比，锻造力较小情况下也可实现形成。包括自由锻在内的这种锻造方式，加工时材料从模具面附近向自由表面扩展，因此，很难保证精度，所以，将锻模的运动方向和旋锻工序用计算机控制，就可用较低的锻造力获得形状复杂、精度高的产品。例如生产品种多、尺寸大的汽轮机叶片等锻件。10.锻造设备的模具运动与自由度是不一致的，根据下死点变形限制特点，锻造设备可分为下述四种形式：限制锻造力形式：油压直接驱动滑块的油压机。准冲程限制方式：油压驱动曲柄连杆机构的油压机。冲程

5、限制方式：曲柄、连杆和楔机构驱动滑块的机械式压力机。能量限制方式：利用螺旋机构的螺旋和磨擦压力机。11.锻压的生产过程包括成形前的锻坯下料、锻坯加热和预处理；成形后工件的热处理、清理、校正和检验12.未来锻压工艺将向提高锻压件的内在质量、发展精密锻造和精密冲压技术、研制生产率和自动化程度更高的锻压设备和锻压生产线、发展柔性锻压成形系统、发展新型锻压材料和锻压加工方法等方面发展。提高锻压件的内在质量，主要是提高它们的机械性能(强度、塑性、韧性、疲劳强度)和可靠度。这需要更好地应用金属塑性变形理论；应用内在质量更好的材料；正确进行锻前加热和锻造热处理；更严格和更广泛地对锻压件进行无损探伤。少、无切

6、削加工是机械工业提高材料利用率、提高劳动生产率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。锻坯少、无氧化加热，以及高硬、耐磨、长寿模具材料和表面处理方法的发展，将有利于精密锻造、精密冲压的扩大应锻压设备知识锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压机械主要用于金属成形，所以又称为金属成形机床。锻压机械是通过对金属施加压力使之成形的，力大是其基本特点，故多为重型设备，设备上多设有安全防护装置，以保障设备和人身安全。人们为了制造工具，最初是用人力、畜力转动轮子来举起重锤锻打工件的

7、，这是最古老的锻压机械。14 世纪出现了水力落锤。1516 世纪航海业蓬勃发展，为了锻造铁锚等，出现了水力驱动的杠杆锤。18 世纪出现了蒸汽机和火车，因而需要更大的锻件。1842 年，英国工程师内史密斯创制第一台蒸汽锤，开始了蒸汽动力锻压机械的时代。1795年,英国的布拉默发明水压机，但直到19 世纪中叶，由于大锻件的需要才应用于锻造。随着电动机的发明，十九世纪末出现了以电为动力的机械压力机和空气锤，并获得迅速发展。第二次世界大战以来，七十五万千牛的模锻水压机、一千五百千焦的对击锤、六万千牛的板料冲压压力机、十六万千牛的热模锻压力机等重型锻压机械，和一些自动冷镦机相继问世，形成了门类齐全的锻压

8、机械体系。二十世纪 60 年代以后，锻压机械改变了从19 世纪开始的，向重型和大型方向发展的趋势，转而向高速、高效、自动、精密、专用、多品种生产等方向发展。于是出现了每分种行程 2000 次的高速压力机、六万千牛的三坐标多工位压力机、两万五千千牛的精密冲裁压力机、能冷镦直径为 48 毫米钢材的多工位自动冷镦机和多种自动机，自动生产线等。各种机械控制的、数字控制的和计算机控制的自动锻压机械以及与之配套的操作机、机械手和工业机器人也相继研制成功。现代化的锻压机械可生产精确制品，有良好的劳动条件，环境污染很小。锻压机械主要包括各种锻锤、各种压力机和其他辅助机械。锻锤是由重锤落下或强迫高速运动产生的动

9、能，对坯料做功，使之塑性变形的机械。锻锤是最常见、历史最悠久的锻压机械。它结构简单、工作灵活、使用面广、易于维修，适用于自由锻和模锻。但震动较大，较难实现自动化生产。机械压力机是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动，工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高，易于实现机械化、自动化，适于在自动线上工作。机械压力机在数量上居各类锻压机械之首。冷镦机等各种线材成形自动机、平锻机、螺旋压力机、径向锻造机、大多数弯曲机、矫正机和剪切机等，也具有与机械压力机相似的传动机构，可以说是机械压力机的派生系列。液压机是以高压液体(油、乳化液等)传送工作压力的锻压机械。液压机的行程是可变的，能够在任意位置

10、发出最大的工作力。液压机工作平稳，没有震动，容易达到较大的锻造深度，最适合于大锻件的锻造和大规格板料的拉深、打包和压块等工作。液压机主要包括水压机和油压机。某些弯曲、矫正、剪切机械也属于液压机一类。旋转锻压机是锻造与轧制相结合的锻压机械。在旋转锻压机上，变形过程是由局部变形逐渐扩展而完成的，所以变形抗力小、机器质量小、工作平稳、无震动，易实现自动化生产。辊锻机、成形轧制机、卷板机、多辊矫直机、辗扩机、旋压机等都属于旋转锻压机.锻坯下料在锻造前把棒料切成所需长度的工序。下料方法主要有切削下料和锻压设备下料两种。切削下料 用锯片锯条锯带薄片砂轮和车刀切断锻坯。切削下料端面平整但切口损耗材料生產率低

11、多用於品种多批量较小或对切口质量要求高的锻坯。锻压设备下料 有剪切摺断加热后用剁刀切等方法。剪切下料刀口形状和棒料截面相似。小尺寸的棒料多用冷剪。对有些合金钢和尺寸较大的碳钢棒料为防止断口產生裂纹还须加热到 350550剪切。如果用多工位热锻自动机也可在锻造温度下热切。剪切下料效率高适用於大批生產切口没有材料损耗但剪切端面质量较差。採用精密剪切工艺和设备可以改善剪切端面的平整度和减小下料的重量误差。提高剪切精度的办法因材料而异。主要方法有把棒料置於夹紧状态下剪切和高速剪切。剪切后的端面和轴线的不垂直度可小於 1重量误差在 0.51以内。摺断下料是在棒料需摺断处先锯切或气割出一小缺口然后将棒料两

12、端垫起使缺口悬空在缺口背面施加压力将棒料摺断。这种方法适用於摺断塑性较差的钢材下料设备 用於下料的锻压设备主要是剪断机，也可用机械压力机和螺旋压力机下料。中国生產的 16000 千牛棒料剪断机可剪直径230 毫米的碳钢棒料。坯料加热热态锻造前的重要工序。金属加热到一定温度后塑性提高变性抗力减小，金属随著温度提高而强度降低。加热温度 锻坯一般加热到金属的允许始锻温度。为保证裡外温度均匀锻坯表面加热到所需温度后还应保温一定时间。保温时间与金属的导热係数锻坯的截面尺寸和在炉内的放置状态有关。冷坯料加热的昇温速度不宜太高以防止表层与心部之间出现过大的温差和在心部出现大的热应力。心部热应力容易引起裂纹。

13、常用的测温仪錶有测炉温的热电偶测金属表面温度的光学高温计。加热方法 古代锻造是用明火直接加热锻坯。现代锻坯加热使用各种燃煤燃油燃气和电热式的工业炉包括间歇式的室式炉台车式炉电阻炉感应炉和连续式炉。感应炉具有加热速度快温度均匀佔地小便於自动控制等优点已广泛应用於中小模锻件生產线中。锻坯加热消耗大量能源因此必须提高工业炉的热效率改进加热的管理和操作。在高温下钢中的铁与炉气中的氧化合形成 FeOFe3O4Fe2O3 等氧化物称为氧化皮。氧化皮的產生会增加金属的耗损。一般间歇式火焰加热炉的氧化烧损率为 23感应加热小於 0.5。此外氧化皮还会加剧模具的磨损降低锻件精度和导致表面粗糙从而加大机械加工的加

14、工餘量增加了材料消耗。氧化皮还阻碍热的传导延长加热时间影响炉底寿命和工业炉的机械化作业。氧化除產生氧化皮外还会减少钢的表层碳含量形成脱碳层降低锻件表层的硬度和强度。氧化皮的產生更不利於精密锻造。为避免或减少氧化引起的各种问题和损失20 世纪以来人们对锻坯少无氧化加热作了许多研究研究成果已用於工业生產。一般来说，钢加热温度 1100 度左右（理论始锻温度 1200 左右，理论终锻温度 800 左右），紫铜在 800 左右（理论始锻温度 950，理论终锻温度650），铝合金400 左右（理论始锻温度450 左右，理论终端温度380 左右），无氧化加热或少氧化加热可以高点.无氧加热使锻坯表层没有或只

15、有少量氧化皮的锻坯加热工艺。这种加热法特别适宜於同少无切削加工和精密锻造配套使用。影响氧化的主要因素是炉气成分加热温度和加热时间。炉气成分炉气中的O2CO2H2O等属於氧化气氛易使金属氧化COH2Cn H mN2等分别是还原气氛和惰性气体可防止氧化。加热温度温度越高氧化也越激烈。钢在500下氧化甚缓600700氧化加快900以上急剧氧化。以900的氧化指数为1则1000时增加为 21100时为 3.51300时为 7。加热时间在同样温度和气氛条件下氧化随时间成正比增加。在合理的加热温度条件下减少氧化的途径是缩短坯料在炉内停留时间勤装料勤出料儘量减少多餘的空气严格控制通风量减少漏风保持炉内还原性

16、气氛。少氧化和无氧化加热有多种方法。保护气氛下电阻炉加热 这是最方便的无氧化加热方法但需要大的电源热效率低加热缓慢。保护气氛下马弗炉加热 在马弗式电阻炉中通入保护气氛加热。在没有充分的电源时仍用火焰炉加热但需将锻坯放在马弗罩中使之与氧化性的炉气隔离。炉气将马弗罩加热至高温再由马弗辐射加热锻坯。马弗罩用碳化硅刚玉等耐高温材料製成寿命较短限制了这个方法的应用。盐浴加热和玻璃浴加热 用熔融的金属盐(一般用氯化钡和氯化钠混合物)或玻璃将锻坯与空气隔离用电阻加热盐浴。锻坯上的盐膜或玻璃还能保护金属出炉后不受二次氧化但盐或玻璃可能留存在模膛内造成锻件缺陷和损坏模具。另外这种方法的热效率也较低。盐浴需要好的

17、通风装置以排除有害健康的盐蒸气(见盐浴炉)。浮动粒子炉加热 用石墨石英砂刚玉粒代替熔盐作加热介质。工作时粒子形成悬浮状态的流床锻坯在其中加热。採用这种方法可避免盐浴加热的缺点但需要有鼓风装置和保护气体。涂保护覆盖层后加热 在锻坯加热前用水玻璃铝粉镁砂硼酸盐等涂料浸渍或涂刷形成保护性覆盖层然后在火焰炉加热。这种方法简单但保护不完全可靠。快速电感应加热和电接触加热 这类高速加热设备主要用在锻造生產线中从坯料开始加热到锻成成品仅需几分鐘虽不用保护气体氧化也较轻微。对於大批量生產的中小型精密锻件这是有更大发展前途的加热方法。它的主要缺点是不适用於多品种小批量生產。敞焰少无氧化加热 敞焰少无氧化加热可用

18、於大件生產加热方法可以是间歇式的也可以是连续式的且不需要大的电源是一种最常用的少无氧化加热方法。加热时将工件直接放在有还原性气氛的火焰炉中当钢锻坯加热到1200炉气中小於 0.3小於 0.8 时氧化与还原作用平衡可以获得少无氧化的气氛钢坯不產生氧化或仅產生轻微氧化。控制助燃空气使煤气燃烧不完全以產生较多的 CO 和 H2使炉气成为少无氧化气氛。另在炉膛上部补充通入预热到 300500的二次空气煤气在炉膛上部二次燃烧提高预热温度使热量辐射给炉底的钢坯。较高的炉膛结构使上层的氧化性炉气不易到达钢坯加热区。这种加热方法的缺点是热效率较普通的火焰加热炉低操作复杂。铁素体铁素体(ferrite，缩写：F

19、N)即-Fe 和以它为基础的固溶体，具有体心立方点阵。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。纯铁在 912以下为具有体心立方晶格（注 1）的-Fe。碳溶于-Fe 中的间隙固溶体称为铁素体，以符号 F 表示。由于-Fe 是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在 727时溶

20、碳量最大，可达 0.0218,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在 600时溶碳量约为 0.0057，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，其数值如下：抗拉强度 180280MN/平方米屈服强度 100170MN/平方米延伸率 30-50断面收缩率 70-80冲击韧性 160200J/平方厘米硬度 HB 5080由此可见，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织，有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。铁素体在 770以下具有铁磁性，在770以上则失去铁磁性。注 1：体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心

21、立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列一个原子。可见，体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有 1/8 个原子。而中心的原子却为该晶胞所独有。所以，体心立方晶胞中原子数为8*1/8+1=2 个。碳原子存在于四面、八面体间隙。马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称。马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条

22、状(lath)，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。20 世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。马氏

23、体就是以人命命名的：对于学材料的人来说，“马氏体”的大名如雷贯耳，那么说到阿道夫马滕斯又有几个人知道呢？其实马氏体的“马”指的就是他了。在铁碳组织中这样以人名命名的组织还有很多，今天我们就来说说这些名称和它们背后那些材料先贤的故事。马氏体 Martensite，如前所述命名自 Adolf Martens(1850-1914)。这位被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作，并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜观察铁的金相组织，并在1878 年发表了铁的显微镜研究，阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。（这个工作我们现在做的好像也蛮多的。）他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则（大概其中就有马氏体），并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一（有远见）。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长，也就是柏林皇家材料试验所（StaatlicheMaterialprfungsamt）的前身，他在那里建立了第一流的金相试验室。1895 年国际材料试验学会成立，他担任了副主席一职。直到现在，在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。