第一章;合金鋼與工具鋼鍛造

有色金屬及合金鋼鍛造tel/p>

課程介紹及要求本課程對有色金屬、合金鋼鍛造技術(shù)作了全面、系統(tǒng)的介紹，內(nèi)容涉及原理、工藝、設(shè)備、模具、測試和廢次品分析及有關(guān)國內(nèi)外鍛造技術(shù)現(xiàn)狀等。

1各種材料鍛造技術(shù)的基本原理和工藝方法，打下金屬塑性成形工藝的扎實(shí)基礎(chǔ)創(chuàng)造條件，具有一定的綜合分析和處理材料成形實(shí)際問題的能力；

2能對具體產(chǎn)品鍛造方法的選擇迅速做出可行性和局限性的評價(jià)，為鍛造工藝參數(shù)的典型化、系統(tǒng)化打下基礎(chǔ)，也為現(xiàn)代信息技術(shù)在鍛件設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用開辟新的道路。主要參考書：《鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計(jì)》西北工業(yè)大學(xué)出版社姚澤坤主編《鍛造工藝過程及模具設(shè)計(jì)》中國林業(yè)出版社胡亞民主編《鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社閆洪主編《鍛造工藝學(xué)》機(jī)械工業(yè)出版社呂炎主編考核方式：1、考核方式：本課程考核方式為考試。2、成績綜合評定：平時(shí)表現(xiàn)占總成績20%，課程學(xué)習(xí)情況占總成績80%，滿分100分。

第一章合金結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼鍛造

§1.1合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼§1.2.鍛造用原材料§1.3.可鍛性

§1.4.鍛造熱力規(guī)范

§1.5.鍛造工藝特點(diǎn)

§1.6.模鍛工藝舉例

§1.7.鍛件典型缺陷1.1合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼一、合金結(jié)構(gòu)鋼

用于制造各種機(jī)械零件以及各種工程構(gòu)件的鋼材稱為結(jié)構(gòu)鋼,當(dāng)加入各種合金元素（Cr、Mn、Si、Ni、W、V、Ti、Nb等）—合金結(jié)構(gòu)鋼。主要用于：飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的承力構(gòu)件。合金鋼按用途和熱處理可分為：調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、超高強(qiáng)度鋼、彈簧鋼、軸承鋼。1

調(diào)質(zhì)鋼：碳含量為0.25%-0.5%之間，屬于中碳鋼，具有良好的綜合機(jī)械性能，用于制作承受較大負(fù)荷的零件如航空發(fā)動機(jī)的渦輪軸、飛機(jī)起落架的承力件等。2滲碳鋼：碳含量為0.12%-0.25%之間,能夠承受較大負(fù)荷外，表面還耐磨，主要用于加工某些零件的齒輪、活塞銷及凸輪等。3超高強(qiáng)度鋼：材料具有更高強(qiáng)度的一種新鋼材，主要用于制造起落架的外筒、活塞桿等承重零件結(jié)構(gòu)。4合金彈簧鋼：碳含量為0.46%-0.9%之間，航空工業(yè)中常用的是硅錳鋼（60Si2Mn），同時(shí)加入其它少量元素。5軸承鋼：通常稱為高碳鉻鋼，碳含量為0.95%-1.15%之間，二、合金工具鋼

化學(xué)成分分：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼；

按用途分：刃具鋼、模具鋼、量具鋼；1

合金刃具鋼：碳含量為0.7%-1.5%之間，具有高的硬度和韌性。2合金量具鋼：主要制作形狀復(fù)雜、精度要求高的量具。3合金模具鋼：

1）冷變形模具鋼：主要制造沖、切、拉、擠、彎等模具，要求具有高硬度、高耐磨性的鋼材；

2）熱變形模具鋼：碳含量為0.3%-0.6%之間，在高溫下具有較高的機(jī)械性能。1.2鍛造用原材料

鍛造用的原材料為鋼錠和鋼材，以棒材居多。原材料的質(zhì)量主要取決于：冶煉工藝、澆鑄工藝、成形工藝等。一、冶煉工藝對鋼材質(zhì)量的影響目前主要的冶煉工藝為：電弧爐冶煉、電渣重熔、真空熔煉（真空感應(yīng)熔煉、真空自耗重熔）。圖1-1為電渣重熔原理圖：

從發(fā)熱原理來說，電渣重熔爐是一種電阻熔煉爐。電渣重熔工藝是電極下端部浸埋在熔融的熔渣中。交流電流通過高電阻渣池時(shí)產(chǎn)生大量熱量，它把浸埋在熔融的熔渣中的電極端部熔化，熔化產(chǎn)生的金屬熔滴穿過渣池滴入金屬熔池，然后被水冷結(jié)晶器冷卻后凝結(jié)成錠。在此過程中，金屬熔滴與高溫高堿度的熔渣充分接觸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的冶金化學(xué)反應(yīng)，使金屬得到了精煉。

圖1-2為真空自耗重熔原理圖：世界上第一臺真空自耗電弧爐是于1950年在美國誕生的。首先，在自耗電極下端部同結(jié)晶器之間燃起電弧，自耗電極下端部同熔池之間形成電弧等離子區(qū)，該區(qū)具有極高的溫度，能使自耗電極端部首先在這里被熔化掉。隨著自耗電極中一些非金屬夾雜物，如氧化物、氮化物，在真空和高溫條件下，發(fā)生離解或被碳還原而被去除掉，達(dá)到進(jìn)一步提純的目的。二、成形工藝對鋼材質(zhì)量的影響

1軋制成形：軋制主要是鋼材沿著一個(gè)方向延伸變形，總變形量大，但每道次的變形量較小，且各向異性也較明顯。因此，變形深透不足，斷面尺寸較大的部件心部不如外部組織致密。

2鍛造成形：鍛造能使合金完成再結(jié)晶，對合金鋼的塑性恢復(fù)有利鍛造時(shí)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)有利于提高塑性。三、鋼錠和鋼材的冶金質(zhì)量問題

1表面質(zhì)量主要指結(jié)痂、表面夾渣和夾雜、表面裂紋及皮下氣泡等缺陷。

2低倍缺陷是指通過肉眼或者不大于10倍的放大鏡檢驗(yàn)的，常見的有：縮孔、疏松、氣泡、夾雜和夾渣、翻皮、裂紋、白點(diǎn)等。

1）縮孔鋼錠在澆鑄時(shí)最后凝固時(shí)得不到鋼液補(bǔ)充，形成收縮空洞。防止措施是使縮孔集中在鋼錠的冒口部位，并保證足夠的切頭率。

2）疏松由收縮或其他因素引起的細(xì)小孔隙稱為疏松。疏松直接影響其力學(xué)性能，特別是塑性。

3）夾雜和夾渣主要是冶煉或澆鑄設(shè)備上脫落的耐火材料或未脫凈的爐渣及摻入的其他異物。破壞了金屬組織的連續(xù)性，使鋼的性能降低。由于硬而脆，加熱或熱處理時(shí)往往形成裂紋。

4）翻皮澆鑄時(shí)將富集夾雜物的液面結(jié)膜卷入鋼中形成的一種缺陷。破壞了鋼材的連續(xù)性，使鋼材局部嚴(yán)重污染，并在進(jìn)一步的變形加工中導(dǎo)致裂紋，因此翻皮缺陷是絕不容許的。

5）白點(diǎn)鋼熱加工時(shí)，在一定溫度范圍冷卻較快時(shí)，過飽和的原子氫脫熔進(jìn)入鋼內(nèi)微孔隙中合成為分子氫，形成巨大壓力，并和冷卻時(shí)的熱應(yīng)力及相變所產(chǎn)生的組織應(yīng)力相結(jié)合，使鋼材內(nèi)部細(xì)小裂紋。這種細(xì)小裂紋在鋼材的縱向斷口上呈圓形或者橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，所以稱為白點(diǎn)如圖1-3所示。

防止白點(diǎn)的根本措施是降低鋼中H的含量。例如：真空冶煉、真空處理、真空澆鑄等。

6）偏析是指鋼中化學(xué)成分及雜質(zhì)的不均勻分布現(xiàn)象，它是在鋼的冶煉及其結(jié)晶過程中，由于某些因素的影響而形成的。按其形態(tài)可分為：方框偏析、點(diǎn)狀偏析、波紋偏析、枝晶偏析等。

1.3可鍛性

可鍛性一般用塑性和變形抗力來衡量，可鍛性對鍛件成形和鍛件質(zhì)量有重要影響，因此研究金屬材料的可鍛性，能夠確定正確的鍛造工藝及鍛造設(shè)備的噸位。一、塑性

1雜質(zhì)及合金元素對鋼的塑性的影響鋼中的主要元素為：硫、磷、氮、氧、氫、碳、錳、鎳、鉻、鎢、礬、鉬、銅、鈦、硼。

2高溫塑性熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)室測量鋼的可鍛性的一種常用手段。實(shí)驗(yàn)中記錄下扭轉(zhuǎn)圈數(shù)（塑性指標(biāo)）及扭矩（變形抗力指標(biāo)）。圖1-4為熱扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)所確定的幾種合金結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼的塑性圖。圖1-5為Cr12MoV工具鋼塑性曲線圖1-6為各種加工溫度下鑄態(tài)鋼和鍛態(tài)鋼加工塑性的比較。

二、變形抗力金屬抵抗形狀變化和殘余應(yīng)變的能力。高溫拉伸時(shí)測得的變形抗力的指標(biāo)有：

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

1.4鍛造熱力規(guī)范

鍛造熱力規(guī)范是指鍛造時(shí)采用的一些熱力學(xué)參數(shù)（鍛造溫度、變形程度、變形速率、應(yīng)力狀態(tài)、加熱、和冷卻速度等），制定一個(gè)合理額鍛造工藝。一、鍛造溫度范圍

是指始鍛溫度與終鍛溫度之間的一段溫度間隔，確定鍛造溫度的基本原則是：保證金屬在鍛造溫度范圍內(nèi)具有較高的塑性和較小的變形抗力。并能夠得到所要求的組織和性能。鍛造溫度范圍應(yīng)盡可能寬一些，以減小鍛造火次，提高生產(chǎn)效率。

圖1-10為碳鋼的鍛造溫度范圍。

1始鍛溫度:

鋼或合金在加熱爐中允許的最高加熱溫度，始鍛溫度要低于熔點(diǎn)（狀態(tài)圖固相線溫度）150-200度。對于碳鋼始鍛溫度隨含碳量的增加而降低；對于合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼始鍛溫度隨含碳量的增加降低得更多。由于過熱的影響鋼錠的始鍛溫度比同種鋼坯和鋼材高20-30度。

過熱：鋼材加熱超過某一定溫度時(shí)，便產(chǎn)生奧氏體晶粒急劇長大的現(xiàn)象。鎳鉻鉬鋼對過熱最為敏感。除此之外冶煉方法對鋼的過熱溫度也有顯著的影響。

不穩(wěn)定過熱：經(jīng)過正火熱處理（正火、淬火）之后性能也隨之恢復(fù)。

穩(wěn)定過熱：雖熱經(jīng)過正火、淬火時(shí)鋼重新奧氏體化了，但是鋼材的機(jī)械性能降低了，尤其是沖擊韌性的降低更明顯。

2終鍛溫度：允許最低溫度，主要應(yīng)保證在結(jié)束鍛造之前鋼仍具有足夠的塑性，以及鍛件在鍛后獲得再結(jié)晶組織。

過共析鋼的終鍛溫度一般應(yīng)高于A1（SE′線）50-100度以上；

亞共析鋼的終鍛溫度應(yīng)在A3以上15-50度；

低碳亞共析鋼終鍛溫度應(yīng)在A3以下；

鑄錠的終鍛溫度比鍛坯高30-50度。

終端溫度過高，停鍛后，鍛件內(nèi)部晶粒會繼續(xù)長大，形成粗晶組織，例如過熱產(chǎn)生的魏氏組織僅用退火或淬火是難以完全消除的，必須用鍛造予以糾正。

鍛造溫度范圍的選擇：狀態(tài)圖能大致確定溫度范圍，但是狀態(tài)圖上的臨界點(diǎn)與鋼在鍛造時(shí)的相變溫度并不一致。例如：常用30CrMnSiA鋼的熔點(diǎn)為1380℃，Ac3為830℃，Ac1為760℃。根據(jù)狀態(tài)圖臨界點(diǎn)確定的鍛造溫度范圍為850-1200℃。而在1-12中通過鋼的塑性圖及變形抗力圖可看出，在1200℃時(shí)，鋼的ak(金屬材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌性)值開始有較多的下降，所以始鍛溫度取值為1180℃，終鍛溫度為850℃。

除了狀態(tài)圖能大致確定溫度范圍外塑性圖、變形抗力等也是必須考慮的因素。生產(chǎn)條件不同，各工廠所用的鍛造溫度范圍也是不一樣的，合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛造溫度如表1-4所示；合金結(jié)構(gòu)鋼鋼錠的鍛造溫度如表1-5所示；合金工具鋼、彈簧鋼、滾珠軸承鋼的鍛造溫度范圍如表1-6所示。二、變形程度

鍛造比是鍛造時(shí)金屬變形程度的一種表示方法。鍛造比是影響鍛件質(zhì)量的最主要因素之一。因此鍛件比有很重要的實(shí)際意義。

1鍛造比的計(jì)算：拔長時(shí)，鍛造比為：y=F0/F1或y=L1/L0

F0，L0—拔長前尺寸（面積、長度）；

F1，L1—拔長后尺寸（面積、長度）。鐓粗時(shí)，鍛造比為：y=F1/F0或y=H0/H1

F0，H0—鐓粗前尺寸（面積、高度）；

F1，H1—鐓粗后尺寸（面積、高度）。

2鍛造比對鋼錠低倍組織和機(jī)械性能的影響：

鑄錠經(jīng)過熱塑性變形后，組織和性能將發(fā)生很大變化：

1）破碎粗大的樹枝狀和柱狀結(jié)晶組織，使之細(xì)化；

2）有效的消除鑄錠中的氣孔、疏松、縮孔等缺陷；3）充分破碎鑄錠中的偏析、夾雜物等而使組織趨于均勻。

例如：40CrNiMoA鋼錠經(jīng)不同鍛造比后的組織變化如表1-7和圖1-13所示。，1)鍛造比y<4~6時(shí)，中心疏松和一般疏松隨鍛造比增大而顯著減小。說明在高溫高壓下，鋼錠的內(nèi)部的疏松、氣泡、微裂紋等缺陷得到焊合，鋼的致密度顯著提高，當(dāng)鍛造比y>8之后，鋼的致密度幾乎不再發(fā)生變化。，

從圖1-13中可看出低倍組織變化如下：

1）當(dāng)鍛造比小時(shí)，低倍組織為明暗交叉的條帶，如圖1-13a，枝晶主桿間的疏松、孔隙及夾雜物明顯可見；

2）當(dāng)鍛造比逐漸增大時(shí)，鋼的低倍組織為完全變形組織，纖維結(jié)構(gòu)明顯，組織的致密性與均勻性得到提高，如圖1-13d、e；

3）隨著鍛造比進(jìn)一步增大，纖維結(jié)構(gòu)越來越細(xì)而致密，通過電子探針進(jìn)行微觀分析證明，纖維組織中暗帶的鉻、鎳、鉬、錳等合金元素比明帶處多等。

對應(yīng)的性能組織變化：

1)鍛造比y<8：縱向機(jī)械性能各項(xiàng)指標(biāo)隨著鍛造比的增大而略有提高；2)鍛造比y>8：縱向機(jī)械性能各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定，3)鍛造比y<4：橫向機(jī)械性能各項(xiàng)指標(biāo)隨鍛造比增大而增大。

注：纖維組織對鋼性能的影響；

纖維組織對鋼的強(qiáng)度指標(biāo)影響不大，而對塑性指標(biāo)影響比較大。

如前所述，鋼錠內(nèi)部的樹枝晶組織未破碎，未能使樹枝晶組織的晶軸與金屬的主伸長方向相一致，鋼材和鍛件上就會出現(xiàn)“殘余枝晶”。導(dǎo)致鋼的組織致密性和均勻性不高，有偏析存在，這些會導(dǎo)致晶體間的聯(lián)系，引起應(yīng)力集中，成為疲勞源。綜上所述，偏析對鋼的性能有很大的影響。改善枝晶偏析的方法主要是改善鋼材的結(jié)晶條件，抑制粗大枝晶的出現(xiàn)，并在熱加工過程中保證足夠的鍛造比，使枝晶能夠充分的破碎而得到改善。高溫退火對枝晶偏析的改善也有一定的作用。

3鍛造比的選擇

1）考慮因素：金屬材料種類、鍛件性能要求、工序種類、鍛件的尺寸形狀等。

2）最小必須滿足的鍛造比為：

1t鋼錠為2.5；

3t鋼錠為2.7；

5t鋼錠為2.8；

10t鋼錠為3；

30t鋼錠為4；

4變形程度對鋼晶粒度的影響30CrMnSiA鋼的再結(jié)晶圖如圖1-15所示，終鍛時(shí)不會引起臨界粗晶的產(chǎn)生；在始鍛溫度（1-150℃）鋼的臨界變形程度約為5-15%。1.3鍛造熱力規(guī)范一、備料

鑄錠大小的選擇、表面處理、進(jìn)場復(fù)驗(yàn)等鍛造用的鋼材有軋材、鍛材、擠材和冷拉鋼材等。二、加熱

火焰加熱、電阻爐加熱、電感應(yīng)加熱或點(diǎn)接觸加熱、保護(hù)氣體加熱。根據(jù)鋼材大小加熱的溫度也不同，合金結(jié)構(gòu)鋼材和鋼錠的加熱規(guī)范如表1-4和1-5所示。三、自由鍛

三、自由鍛

自由鍛主要解決兩個(gè)方面問題：

一是成形；二是質(zhì)量。鋼錠和大型鍛件的自由鍛，主要問題是要解決好內(nèi)部質(zhì)量問題，因此還需要解決好以下有關(guān)質(zhì)量問題。

1合金結(jié)構(gòu)鋼原材料內(nèi)部缺陷的鍛合

1）缺陷主要是指：未經(jīng)氧化、不含非金屬夾雜的內(nèi)部疏松、氣泡、微裂紋（白點(diǎn)）等。

2）鍛合：是指孔隙內(nèi)壁閉合，使相臨的原子恢復(fù)結(jié)合力并形成應(yīng)有的規(guī)則點(diǎn)陣狀態(tài)。溫度越高，孔隙越易焊合。

如圖所示，當(dāng)壓縮至H/D=0.2時(shí)，軸心缺陷全部焊合

2合金工具鋼中網(wǎng)狀碳化物的破碎

1）原因：鍛后易沿晶界形成網(wǎng)狀碳化物，其起著分割金屬集體的作用，使鋼的強(qiáng)度及韌性降低，在隨后鍛造或熱處理過程中易造成開裂；制成的刀具由于脆性大，易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

2）解決方法：（a）

在鋼的碳化物析出溫度范圍內(nèi)的較低溫度下結(jié)束鍛造并給予足夠大的變形量，以破碎沿晶界析出的碳化物使之彌散分布于基體中；（b）加速鋼的鍛后冷卻。四、模鍛

飛機(jī)、發(fā)動機(jī)上的主要受力構(gòu)件絕大多數(shù)是模鍛件，這是因?yàn)槟ｅ懠睦w維組織不被切斷鍛件質(zhì)量比自由鍛好。

五、鍛件的冷卻

六、熱處理

1合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件熱處理

2合金工具鋼鍛件熱處理

各類合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼的最終處理方法及機(jī)械性能見課本表1-1。

1.6模鍛工藝舉例一、側(cè)吊掛支架開式模鍛

側(cè)吊掛支架開式模鍛工藝過程如下：

1.7鍛件典型缺陷

脫碳、萘狀斷口、石狀斷口、層狀斷口、低倍粗晶（大晶粒）、本質(zhì)晶粒度粗大不均粗晶、低倍“螺線”、鍛造裂紋一、脫碳1脫碳是指金屬在高溫下表層的碳被氧化，使得表層的含碳量較內(nèi)部有明顯降低的現(xiàn)象。2脫碳層的深度與鋼的成分、爐氣的成分、溫度和在此溫度下的保溫時(shí)間有關(guān)。采用氧化性氣氛加熱易發(fā)生脫碳，高碳鋼易脫碳，含硅量多的鋼也易脫碳。3脫碳使零件的強(qiáng)度和疲勞性能下降，磨損抗力減弱。

二、萘狀斷口1萘狀斷口屬于粗晶粒的結(jié)晶端口，端口表面有金屬光澤，分布著許多小亮點(diǎn)。2產(chǎn)生原因：主要是由加熱溫度過高或者終鍛溫度太高，變形量又不夠大而引起的，其實(shí)質(zhì)是鋼已經(jīng)過熱。3處理方法：高溫正火和回火來消除或改善。

三、石狀斷口1萘石狀斷口是沿粗晶粒的晶界斷裂，端口表面凹凸不平，無金屬光澤。2產(chǎn)生原因：主要是由加熱溫度過高、奧氏體晶粒粗大、冷卻時(shí)沿奧氏體晶界析出了第二相質(zhì)點(diǎn)或薄膜。3處理方法：一般的熱處理方法是不易改善和消除的，要求評級后使用。

四、層狀斷口1層狀斷口的特征是其斷口或斷面與折斷了的石板、樹皮很相似。2層狀斷口多發(fā)生在合金鋼（鉻鎳鋼、鉻鎳鎢鋼等），碳鋼中也有發(fā)現(xiàn)。3這種缺陷的產(chǎn)生是由于鋼中存在的非金屬夾雜物、枝晶偏析以及氣孔疏松等缺陷