第2章鍛造用原材料及坯料準(zhǔn)備

第2章

鍛造用原材料及

坯料準(zhǔn)備

2.1鍛造用原材料鍛造用坯料一般為棒、板、管狀的黑色金屬、有色金屬和貴金屬。圓柱體毛坯要考慮高徑比H/d,當(dāng)高徑比H/d≥2時(shí)，要預(yù)制坯，防止在成形過程中彎曲失穩(wěn)，或產(chǎn)生彎曲，形成折疊；H/d較小時(shí)，可采用板料下料。薄板毛坯采用普通沖裁落料或精密沖裁下料2.1.1黑色金屬種類舉例普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q195、Q215、Q235優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼10、20、30、40

合金結(jié)構(gòu)鋼鉻鋼20Cr、30Cr、40Cr鉻鉬鋼20CrMo、30CrMo、40CrMo鉻鎳鉬鋼20CrNiMo、30CrNiMo鉻錳鋼20CrMn、30CrMn

不銹鋼奧氏體鋼0Cr18Ni9、0Cr17Ni11MoZ、00Cr18Ni10馬氏體鋼1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2鐵素體鋼1Cr17、0Cr13部分冷鍛用鋼

冷鍛用材料

狀態(tài)

鋼熱軋退火狀態(tài)；熱軋退火后的剝皮材或無心磨削坯料；經(jīng)小變形量拉拔的棒材；退火狀態(tài)的拉拔棒材；鑄錠；鍛坯

有色金屬熱軋棒材；熱軋板材；退火狀態(tài)的擠壓坯料；退火狀態(tài)的拉拔坯料；鑄件冷鍛用材料狀態(tài)冷鍛用鋼的尺寸公差圓鋼外徑mm允差mm圓度mmd<9.00+0-0.03<0.0159.0≤d<18.0+0-0.04<0.02d≥18.0+0-0.05<0.025

剝皮料、無心磨削料的直徑公差為0.05~0.1mm。棒材彎曲度≤1%。管材壁厚差<0.3mm。薄壁管的精度要高一些。鍛造用鋼的宏觀缺陷表面缺陷一般包括裂紋、疤痕、折疊和夾雜等。內(nèi)部缺陷包括低倍缺陷和顯微缺陷。低倍缺陷主要有殘余縮孔、疏松、氣孔、裂紋、樹枝晶偏析、異金屬夾雜等。顯微組織缺陷主要有非金屬夾雜物和晶粒度不合格(1)折疊折疊是軋材表面的常見缺陷，折痕方向?yàn)檐堉品较?，邊緣彎曲不齊，有時(shí)存在一些氧化物夾雜物。這些夾雜物一般較長，在棒材兩側(cè)對稱分布。若棒材表面存在折疊，必須剝皮去掉。否則將使大批成形件成為廢品。(2)劃痕材料縱向劃痕的產(chǎn)生是由于在軋制、擠壓、拉拔過程中，表面金屬的流動受到孔型或模具上某種機(jī)械阻礙（如毛刺、斑痕及積瘤）而形成的。在低溫下形成的劃痕，其根部有輕微的變形，附近沒有脫碳和氧化現(xiàn)象。劃痕能使棒材、板材報(bào)廢，是造成冷鍛成形件開裂的主要原因。(3)發(fā)紋

發(fā)紋一般順著鋼材的纖維方向，長短不一，細(xì)如發(fā)絲，頭部較淺較尖。往往在發(fā)紋中可以發(fā)現(xiàn)夾雜物，發(fā)紋的周圍無氧化脫碳現(xiàn)象。鋼材表面的發(fā)紋是冷鍛成形用鋼的一個(gè)重大缺陷。在冷鍛成形后開裂的零件中，多數(shù)由于產(chǎn)生這種缺陷引起。

鋼的低倍組織(1)偏析(2)縮孔殘余(3)白點(diǎn)(1)偏析偏析是鋼錠在凝固過程中產(chǎn)生的化學(xué)成份以及雜質(zhì)的不均勻現(xiàn)象。主要類型有方框偏析、點(diǎn)狀偏析和枝晶偏析。碳化物偏析會降低鋼的鍛造性能，嚴(yán)重者在熱加工過程中零件內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，引起鍛件開裂。嚴(yán)重硫偏析的存在，會造成材料強(qiáng)度的顯著降低，在零件加工后服役使用的過程中，易產(chǎn)生早期脆性斷裂。(2)縮孔殘余縮孔：鋼錠在凝固過程中，由于各部分結(jié)晶先后不同以及體積收縮，在鋼錠頭部的軸心處形成縮孔。縮孔殘余：鋼錠在開坯時(shí)未能全部去掉縮孔，縮孔殘留在隨后鍛軋好的鋼材之中，這就是縮孔殘余。（3）白點(diǎn)白點(diǎn)是由于鋼中存在一定量的氫和各種應(yīng)力（組織應(yīng)力、溫度應(yīng)力、塑性變形后的殘余應(yīng)力等）共同作用產(chǎn)生的。白點(diǎn)是隱藏在鍛坯內(nèi)部的一種缺陷，在鋼坯的縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，在橫向斷口上呈細(xì)小裂紋，顯著降低鋼的韌性。非金屬夾雜物

非金屬夾雜物在鋼中破壞了金屬基體的連續(xù)性，使材料的塑性和韌性降低；當(dāng)夾雜物呈鏈條狀分布，或者沿著晶界分布時(shí)，對金屬的力學(xué)性能，特別是動載荷下的力學(xué)性能的影響更為嚴(yán)重，常常由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致零件突然斷裂。

鋼中常見的非金屬夾雜物(1)硫化物(2)硅酸鹽夾雜物(3)氧化物(4)夾渣(1)硫化物若鋼中含錳量較低，硫與鐵化合生成硫化鐵，硫化鐵與鐵形成共晶體。熱脆：硫化鐵熔點(diǎn)只有985℃，經(jīng)常存在于晶界處。一般鋼材在800~1200℃軋制或鍛造時(shí)，由于共晶體的熔化，導(dǎo)致鋼材沿晶界開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。當(dāng)鋼中含錳量較高時(shí)可優(yōu)先形成硫化錳，可減輕硫的有害影響。如果鋼中存在較多的硫化物，將顯著降低材料的疲勞性能，尤其是橫向力學(xué)性能。

(2)硅酸鹽夾雜物硅酸鹽夾雜物可分為塑性和脆性兩種。塑性硅酸鹽的形態(tài)與硫化錳相似，也沿著鋼材軋制方向延伸，呈長條狀。脆性硅酸鹽也沿著金屬流動方向分布，在金屬變形時(shí)容易發(fā)生脆裂。(3)氧化物鋼中氧化物主要有FeO、SiO2及Al2O3等FeO很脆，熱加工過程中幾乎不發(fā)生變形，只有在很大的壓力下才稍呈橢圓形。SiO2在鋼中很少單獨(dú)存在，經(jīng)常與其它氧化物形成復(fù)雜化合物。Al2O3在顯微鏡的明場下觀察呈暗灰?guī)ё仙耐庑尾灰?guī)則，常以細(xì)小顆粒積聚成群分布。Al2O3硬度高、脆性大，外形有棱角。在鋼中起到尖銳的缺口作用。(4)夾渣夾渣是用肉眼可觀察到的大塊夾雜物。夾渣通常是由于冶煉以及澆注過程中，鋼液表面的爐渣，或者從出鋼槽、鋼水包等內(nèi)壁剝落的耐火材料，在鋼液凝固前未能浮出，存留在鋼錠內(nèi)部。鋼材中存在大塊肉眼可見的夾雜物是不允許的鋼的晶粒度鋼的晶粒度一般指鋼的奧氏體晶粒大小，奧氏體晶粒度包括本質(zhì)晶粒度和實(shí)際晶粒度兩種。本質(zhì)晶粒度是指鋼加熱到930℃時(shí)所具有的奧氏體晶粒的大小。它表示該鋼的奧氏體晶粒長大傾向。實(shí)際晶粒度是指鋼在某一具體熱處理?xiàng)l件下所獲得的奧氏體晶粒的大小。它主要取決于加熱溫度和熱加工工藝過程制度。45鋼在不同回火溫度下晶粒度與沖擊韌度和硬度的關(guān)系序號回火溫度/℃晶粒度（7~8級）晶粒度（1~2級）ak(J/cm2)HBak(J/cm2)HB1315102.7

24217.02672425132.023421.02123540164.020731.02124650209.0

18770.0184鋼的實(shí)際晶粒度鋼的實(shí)際晶粒度過大，會顯著地惡化鋼材的塑性。鋼材的晶粒度較大時(shí)，其加工性能較好，淬透性可以提高。鋼的顯微組織(1)珠光體形態(tài)(2)表面脫碳層(3)再結(jié)晶組織(1)珠光體形態(tài)粗大片狀珠光體不利于冷鍛加工成形，而細(xì)小的球狀珠光體可顯著地提高鋼材塑性變形的能力。鋼材的金相組織由粗變細(xì)，由片狀變?yōu)榍驙?，冷鍛成形時(shí)不易開裂。對珠光體含量較多的中碳鋼和中碳合金鋼，在冷鍛前必須進(jìn)行球化處理，以便獲得均勻細(xì)致的珠光體。(2)表面脫碳層鋼材表面的脫碳層影響零件的強(qiáng)度及疲勞性能，降低零件的使用壽命。對冷鍛成形用毛坯一般要求在退火后車加工剝皮；退火后不車加工剝皮，那么每邊脫碳層深度不得大于其直徑的1.5%。（3）再結(jié)晶組織對于某些零件，為了保證其有較高的韌度和塑性，需要采用再結(jié)晶退火處理。再結(jié)晶處理時(shí)，要控制的主要參數(shù)是加熱溫度。鋼材再結(jié)晶時(shí)的初始溫度與冷鍛形變的程度也有關(guān)。2.1.2有色金屬和貴金屬純鋁、純銅成形容易；合金成份高的鋁合金變形性能差，難于成形；黃銅的變形抗力相當(dāng)于低碳鋼；純鎳、銀等成形容易。精鍛用有色金屬和貴金屬種類舉例鋁及其合金純鋁L2、L4、L6；防銹鋁LF21；鍛鋁LD2、LD10、LD31；硬鋁LY12、超硬鋁LC4鉛及其合金純鉛、鉛合金鋅及其合金純鋅、鋅合金錫及其合金純錫、錫合金銅及其合金純銅T2、無氧銅TU1、黃銅H65、H80、H96、鋅白銅Bzu15~20、白銅B19貴金屬鉑、金、銀、鎳、鈦、白金有色金屬和貴金屬的缺陷（1）鋁合金的氧化膜在熔煉工程中，敞露的熔體液面與大氣中的水蒸氣或其它金屬氧化物相互作用形成的氧化膜，在澆注時(shí)被卷入液體金屬內(nèi)部，鑄錠經(jīng)軋制或鍛造，其內(nèi)部的氧化物被拉成條狀或片狀，降低了橫向力學(xué)性能。（2）粗晶環(huán)鋁合金、鎂合金擠壓棒材，在其圓斷面的外層區(qū)域，常出現(xiàn)粗大晶粒，稱為粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的產(chǎn)生與許多因素有關(guān)，其中主要是由于擠壓過程中金屬與擠壓筒之間的摩擦過大。有粗晶環(huán)的棒料，鍛造時(shí)容易開裂，如粗晶環(huán)保留在鍛件表層，會降低鍛件的性能。因此，鍛前須將粗晶環(huán)車去2.2下料和下料方法下料是自由鍛和模鍛的第一道工序。不同的下料方式，直接影響著鍛件的精度、材料的消耗、模具與設(shè)備的安全以及后續(xù)工序過程的穩(wěn)定。下料方法的優(yōu)缺點(diǎn)傳統(tǒng)的下料方法的下料品質(zhì)均不太理想，斷口不齊，坯料的長度與品質(zhì)重復(fù)精度低。離子束切割、電火花線切割等新型下料方法，能鋸切很硬的材料，剪切品質(zhì)很好，但成本高，不宜用于大批量生產(chǎn)。金屬帶鋸下料既能得到高的下料精度，又能適應(yīng)大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的下料方式：坯料體積和余量計(jì)算坯料體積應(yīng)以制件本身的體積為基礎(chǔ)，加上精鍛成形后飛邊、沖孔、切削加工等消耗的廢料體積。廢料體積大體占整個(gè)坯料體積的10%~30%，在特定情況下也可小到5%，大到50%。在采用冷精鍛工藝過程生產(chǎn)零件時(shí)，特別是在大批量生產(chǎn)的情況下，應(yīng)該優(yōu)先考慮節(jié)省材料。一般小件精鍛時(shí)，坯料直徑比模具內(nèi)腔直徑小0.1~0.2mm。

2.2.1剪切法一般棒料剪切法一般棒料剪切法有：剪床剪切、沖床剪切。在剪床上剪切的棒料截面尺寸在φ15~（φ150~φ200）mm。剪床的大小，一般由強(qiáng)度極限為450MPa的鋼材被剪切的最大直徑表示。棒料的剪切過程如下圖所示。圖2.2棒材的剪切過程

z值的大小與所剪切材料的力學(xué)性能有關(guān)。最差的情況下z值最大可達(dá)0.15~0.20倍棒料直徑。如果剪切質(zhì)量很好，在棒料的剪切端部只產(chǎn)生不大的壓痕（如圖2.2(d)）。剪切缺陷(如圖2.2(e))（1）端面裂紋y；（

2）端面剪切斜度χ過大；（

3）毛刺m；（

4）端面上產(chǎn)生凹陷w；（

5）較大的壓痕z。全封閉剪切模具裝置如下圖：圖2.3全封閉剪切模具裝置1－固定剪刀；2－坯料；3－活動剪刀；4－滑板5－上壓頭；6－打料銷；7－推料彈簧；8－推簧閥9－定位螺釘；10－滑輪；11－斜塊座；12－復(fù)位彈簧13－限位螺釘；14－棒料精密模鍛對下料的品質(zhì)要求生產(chǎn)中評定毛坯的剪切質(zhì)量和精度，通常以，，，，和等技術(shù)參數(shù)或以、、、、等數(shù)值來表示。參見下圖。、、、、和分別為毛坯的體積偏差（或重量偏差）、塌陷、壓塌、截面不平度，截面橢圓度和截面傾角。為剪切后的毛坯實(shí)際體積與精鍛工藝所要求的毛坯體積的差值,v為精鍛工藝所要求的毛坯體積。

圖2.4評價(jià)毛坯剪切品質(zhì)的一些技術(shù)參數(shù)、－分別為靜、動剪刀形成的壓塌深度－截面不平度；－截面傾角；、－分別為棒料直徑和毛坯最小直徑；－截面光亮帶寬度；L－毛坯長度鍛造工藝對剪切的質(zhì)量要求精密棒料剪切法利用專用剪斷機(jī)的徑向夾緊剪切；在普通壓力機(jī)上安裝專用模具的徑向夾緊剪切。圖2.5徑向夾緊剪切原理1－動剪刀；2－夾緊塊；3－棒料；4－靜剪刀；5－擋板

徑向夾緊剪切原理如下圖所示：圖2.6差動式剪切模的工作原理

1－楔塊；2-楔形滑板；3-彈4－剪刀；5－棒料差動式剪切模的工作原理如下圖所示：2.2.2鋸切法

一般鋸切弓形鋸鋸條往復(fù)運(yùn)動，鋸割效率低，而且鋸斷大直徑圓鋼時(shí)，鋸條要加厚，材料利用率降低。圓盤鋸在鋸斷大直徑圓鋼時(shí)，必須使用大直徑的圓鋸片，機(jī)器也變大。鋸縫越大，材料利用率越低。弓形鋸、圓盤鋸、帶鋸機(jī)鋸切坯料時(shí)消耗鋸縫的質(zhì)量比為：1.56:1.87:1。帶鋸鋸切金屬帶鋸主要由六個(gè)部分構(gòu)成：變速機(jī)構(gòu)鋸帶張緊裝置無級變速液壓控制系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)鋸刷床身。下圖為GZ4025型臥式帶鋸的外形圖

圖2.7GZ4025型臥式帶鋸的外形圖雙金屬鋸帶目前常用的金屬帶鋸鋸帶以高速鋼為齒部材料，以彈簧鋼為背部材料，通過電子束復(fù)合后開齒而成的雙金屬鋸帶。

圖2.8電子束焊接的雙金屬鋸帶典型鋸齒形狀如下圖：(a)a((b)(b)(c)(d)(e)圖2.9典型鋸齒形狀(a)標(biāo)準(zhǔn)齒；(b)強(qiáng)力齒；(c)MG齒；(d)ACG齒；(e)變化齒鋸齒定向也影響鋸帶的切削性能。如圖所示為三種典型的鋸齒定向型式：(a)(b)(c)

圖2.10典型的鋸齒定向形式(a)耙形定向；(b)波狀定向；(c)直線定向2.2.3其它下料方法砂輪切斷：由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)下的熱影響，產(chǎn)生粉塵，噪音，污染環(huán)境。可燃?xì)怏w熔斷：主要是在切斷的過程中受到熔斷熱影響，材料的組織會發(fā)生變化，形成變質(zhì)層，需采用熱處理工藝過程消除這種變化。放電切割：成本高，普及率低，不能廣泛用于鋼材的切斷，只宜于應(yīng)用在經(jīng)過熱處理以后的模具以及高硬材料零件的切割。激光切割：在板料加工上用得較多，但在棒材、型材的切割上用得較少。2.3模鍛時(shí)的潤滑模鍛時(shí)接觸面上的單位壓力一般在800～1200MPa，也有高達(dá)2500MPa，溫度一般在1150～1200℃。在如此高的壓力和溫度下，建立潤滑膜非常困難，模鍛時(shí)變形金屬與模膛表面間的摩擦，將使模膛表面磨損，增大金屬的流動阻力并造成脫模困難。2.3.1傳統(tǒng)熱模鍛潤滑劑和溫鍛潤滑劑熱模鍛潤滑劑配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）使用石墨潤滑劑的一般要求使用石墨潤滑劑時(shí)，要求石墨純要高，粒要細(xì)。一般礦區(qū)提供的石墨純度平均在82%左右，粒度在40～140左右。在石墨中加入某種在升溫過程不能脫掉結(jié)晶水的無機(jī)鹽，可使石墨在升溫過程中不斷得到微量水分，保證提高石墨高溫潤滑性能。在水基石墨中加人少量親液膠體或締合膠體的分散劑，能顯著提高溶膠對電解質(zhì)的穩(wěn)定性，保護(hù)石墨顆粒不致凝聚結(jié)團(tuán)。為了減少石墨的表面張力，加入少量表面活性利，使水與液體或固體的表面張力顯著下降，以增強(qiáng)石墨能均勻地分散在水中的能力，防止石墨沉積。具有多性能的水基石墨潤滑劑的成分，其配方主要是由固體石墨和無機(jī)鹽類及介質(zhì)組成。無機(jī)鹽在潤滑劑中主要起潤滑脫模、絕熱和高溫濕潤作用。溫鍛潤滑劑可用作碳鋼和不銹鋼在300～700℃溫度下溫鍛的潤滑劑：2.3.2新型綠色熱精密模鍛潤滑劑由于石墨在生產(chǎn)和使用過程中可能對環(huán)境造成污染，21世紀(jì)以來，美國、德國、日本正推廣使用非石墨型復(fù)合材料合成的模鍛潤滑劑。國產(chǎn)DF型非石墨型復(fù)合材料具有良好的潤滑性能，可減少模鍛變形力，保證模鍛件易于脫模，有效延長模具使用壽命1～5倍。DF型非石墨型模鍛潤滑劑物理特性

DF型非石墨型復(fù)合材料合成的模鍛潤滑劑為膠態(tài)，在原封裝情況下保存12個(gè)月后潤滑性能仍不變。具有如下物理特性：

液體成分：去離子水。比重：1.1～1.2。

PH值：9~10。結(jié)冰點(diǎn)：0℃(32°F)。DF型非石墨型模鍛潤滑劑的優(yōu)點(diǎn)無色、透明，無任何毒性，使用安全，無煙、不燃燒。不產(chǎn)生沉淀。對鍛件無任何腐蝕作用，易洗滌清除。鍛壓后自然揮發(fā)，表面不留殘?jiān)匀桓街粚佑湍?，保證鍛件表面光潔、美觀和避免模具型腔生銹。

2.4鋼的軟化退火退火軟化處理是為了減小變形抗力，提高塑性。對于含碳量0.3%以上的鋼材（共析鋼和過共析鋼），需作珠光體球化處理。參見下圖。對于含碳量0.2%以下的鋼（亞共析鋼）及非鐵金屬，鋼的加熱溫度可在Ac3相變點(diǎn)以上，按含碳量的不同在820~930℃變化。圖2.11珠光體球化處理曲線

a)碳素鋼b)合金鋼軟化退火退火后的坯料晶粒細(xì)化，改善了鋼的硬化性能，降低了硬度，一般為90~165HBs。退火還能使鋼的成份和組織均勻，消除前一工序中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，對于保證冷鍛件品質(zhì)起著舉足輕重的作用。為了避免退火時(shí)發(fā)生氧化或者脫碳，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，得到光潔或光亮的表面，確保材料的力學(xué)性能，保證產(chǎn)品品質(zhì)，可以對材料進(jìn)行真空退火或保護(hù)氣氛熱處理，即所謂的光潔退火。20鋼不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能采用磷化處理可以使鋼坯料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成磷酸鹽被膜。磷酸鹽被膜是無機(jī)鹽，由細(xì)小片狀結(jié)晶組織構(gòu)成，它呈多孔狀態(tài)，對潤滑劑有很好的吸附作用。磷酸鹽被膜與鋼表面結(jié)合得很牢固，而且磷酸鹽被膜具有一定的塑性，冷擠壓和冷鍛時(shí)與鋼材一起變形，坯料和模具不直接接觸。磷化膜由磷酸鹽溶液與金屬鐵相互作用生成。2.5鋼的磷化處理

2.5.1鋼制坯料的一般磷化處理工藝2.5.2鋼制坯料的快速磷化處理工藝磷化液成份的調(diào)整工藝過程(1)當(dāng)游離酸度低時(shí)，加