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1、,材料科学与工程学院,第二章 锻造用原材料及下料方法,一、分类 锻造用原材料的分类：钢锭和型材 C低于0.25%低碳钢 C在0.25%0.6%中碳钢 C大于0.6%高碳钢,2-1 锻造用原材料,二、冶炼 1、冶炼的任务：化学成分，金属液体的纯净度，减少夹杂和气体的含量。 2、主要方法：碱性平炉、酸性平炉、碱性电炉、双联法、真空冶炼法、电渣重熔法等。,三、钢锭的内部结构 钢锭是由冒口、锭身和底部组成。钢锭表层为细小等轴结晶区，向里为柱状结晶区，枝状结晶区，心部为粗大等轴结晶区。,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。但冒口有补缩和容纳夹
2、杂物、气体以纯净锭身的作用，因此应占钢锭的一定比例。冒口切除1520。,四、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。 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。,偏析 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） 造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。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。,夹杂 分为内在夹杂和外来夹杂 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
3、。它破坏金属的连续性，夹杂处产生应力集中，引发显微裂纹，成为疲劳源，低熔点夹杂在晶界上分布易引起热脆现象。可见夹杂降低铸锭的锻造性能和锻后的力学性能。,气体 常见的残存气体是氧、氮、氢等。氢是钢中危害最大的气体。 对于白点敏感钢，当氢含量达到一定数值后，冷却时易产生白点缺陷。氢含量高还会引起氢脆现象，钢的塑性显著下降。只要气泡不是敞开的或气泡内壁没有被氧化，通过锻造可以焊合，但皮下气泡常常容易引起裂纹。,缩孔和疏松 缩孔在冒口区，由于冷却时钢液补充不足而形成，含有大量杂质，必须将缩孔与冒口一起切除。 疏松集中在中心部位，降低组织的致密度，破坏了金属的连续性，锻造时用大变形才能消除。,溅疤 当采
4、用上注法浇注时，钢液将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。锻前应铲除，否则会在锻件上形成夹层。 一般来说，钢锭越大，产生上述缺陷的可能性就越大，缺陷性质就越严重。,五、型材的常见缺陷,1、表面缺陷： 划痕 轧制中的意外原因在其表面划出伤痕，深度达0.20.5mm，会影响锻件的质量 折迭 已氧化的表层金属被压入金属内部而形成折迭，折缝内有氧化物而不能锻合。在折迭处易产生应力集中，影响锻件质量。 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。在高碳钢和合金钢中易产生此缺陷,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
5、而附于轧材表面，其深度约为1.5mm。 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。主要原因为挤压时金属与挤压筒间摩擦太大而形成的死区。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： 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，其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。 非金属夹杂 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。,白点 隐藏在锻坯内部，在纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，在横
6、向断口上呈细小裂纹，显著降低钢的韧性。白点的大小不一，长度为120mm不等或更长。其原因是钢中氢含量太高和各种内应力共同作用下产生的。当钢中氢含量较多和热加工后冷却太快时容易产生白点。 存在白点的金属必须切除，不能再使用。,总之 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。,2-2 下料方法,在加热和锻造之前，将原材料切成所需长度或所需几何尺寸的工序，称为下料。 大铸锭下料属于自由锻的任务，通常用自由锻方法进行开坯，然后将锭料两端切除，并按一定尺寸将坯料分割开来。,其它材料的下料工作，一般都在锻造车间的下料工段进行。 常用的下料方法有：剪切、冷折、锯切、车削、砂轮切
7、割、剁断及特殊精密下料等。 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 1. 剪切下料的特点：生产率高、操作简单，断口无金属损耗、工具简单，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。适用于成批大量生产，被普遍采用。,2. 剪切过程 是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。 剪切三阶段：一、刀刃压进棒料，塑性变形区不大， 由于加工硬化的作用，刃口端处首先出现裂纹；二、裂纹随刀刃的深入而继续扩展；三、在刀刃的
8、压力作用下，上下两裂纹间的金属被拉断，造成S形断面。,3. 剪切下料可分为两种： 专用剪床下料，即在专用剪床上进行； 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。,4. 质量问题：坯料局部被压扁、端面不平整、剪断面常有毛刺和裂缝。 5. 剪床上的剪切装置 棒料2送进剪床后，用压板3固紧，下料长度L0由可调螺杆5定位，在上刀片4和下刀片1的作用下将毛坯6剪断。,6. 冷剪切和热剪切：按剪切时坯料温度不同分为冷切和热切。 冷剪切的生产率高，但所需剪切力较大。钢中碳含量或合金含量较多时，强度高且塑性差，冷剪切时钢中产生很大的应力而在切口出现裂纹或崩碎，这时，应采用热剪切法下料
9、。采用冷剪切或热剪切下料应根据坯料横断面尺寸大小和化学成分而定。,例：截面大或者直径大于120mm 的中碳钢，应进行预热剪切；高碳钢和合金钢应按化学成分和尺寸大小确定预热温度，在400700范围内选定。 但剪切较软材料时预热温度不宜过高，利用蓝脆现象（钢材为250350），可提高剪切质量，获得光滑的断面。,7. 剪切力按下式计算： F=KA 式中 F计算的剪切力； A剪切断面积(mm2)； 材料剪切抗力(MPa)，剪切强度比同温度下的强度极限小一些， 一般为：剪=(0.70.8)b。 K考虑到刃口磨钝和间隙变化的系数，一般为K=1.01.2。,二、锯切法 锯切能切断横断面较大的坯料，虽然生产率
10、较低，锯口损耗大，但因为下料精确，切口平整，特别用在精锻工艺上，仍不失为一种主要的的下料手段。 对于端面质量、长度精度要求高的钢材下料，也采用锯切下料。所以，锯床下料使用仍较普遍。金属可以在热态下或冷态下锯切。锻造生产中大都采用冷态锯切，只有轧钢厂才采用热态锯切。,常用的下料锯床有圆盘锯、带锯和弓形锯等。 圆盘锯：的锯片厚度一般为38mm，锯屑损耗较大。且锯切速度较低，圆周速度约为0.51.0m/s。比普通切削加工速度低，故生产率较低。锯切直径可达750mm。,带锯：有立式、卧式、可倾立式等。其生产率是普通圆锯床的1.52倍，切口损耗为22.2mm，主要用于锯切直径在350mm以内的棒料。,弓
11、形锯：是一种往复锯床，由弓臂及可以获得往复运动的连杆机构等组成。锯片厚度为25mm，一般用来锯切直径为100mm以内的棒料。,三、砂轮片切割法 适用于切割小截面棒料、管料和异形截面材料，以及其它下料方法难于切割的金属 ，如高温合金GH33、GH37等。优点是设备简单，操作方便， 下料长度准确，端面质量较好，生产率高于锯片下料而低于剪切和冷折下料，但砂轮片耗量大，且易崩碎，噪声大。,四、折断法（又叫冷折法） 其工作原理：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。 原因是当毛坯内的平均应力达到屈服极限时，缺口处的局部应力早已超过强度极限，所以毛坯来不及塑性变形就已断裂。,五、气割法 其它下料方法还有摩擦锯切割、电机械锯割、阳极机械切割法、电火花切割法、精密下料方法等，可查阅有关资料。,例：电火花切割 其工作原理为：直流电机通过电阻R和电容C，使毛坯接正极，锯片接负极，在电解液（如煤油）中切割，产生电火花的脉冲电流强度很大，达到数百或数千安培；脉冲功率达到数万瓦。而切割处的接触面积又很小，因而电流密度可能高达数十万A/mm2。因此， 毛坯上局部温度很高，约为10000，促使金属熔化实现下料目的。,
