锻造工艺学

第一、二章 锻造生产用原材料与下料1、钢锭由冒口、锭身和底部组成。

2、大型钢锭的组织结构：答：1）细晶粒层 由于钢液接触模壁冷凝速度快，产生大量晶核，因而表面首先凝固成细小的等轴晶粒层（或称激冷层）；2）柱状晶区 表面细晶粒层形成后，锭模温度上升，继续散热速度减慢，晶粒开始沿着与模壁垂直的方向发展，从而形成柱状晶区。

由于选择结晶的缘故，易熔成分挤向中心，所以柱状晶区的夹杂及其他缺陷较少；3）倾斜树枝晶区 随着柱状晶区的不断发展，锭模温度继续上升，散热速度愈加减慢，加以杂质和气体上浮的运动作用，于是形成晶轴偏离柱状晶体方向的倾斜树枝晶区，并且A 形偏析区也在这一区间形成；4）粗大等轴晶区 倾斜树枝晶区长大到一定阶段后，由于外层收缩脱离锭模产生间隙，散热速度更加减慢，中心区的钢液有可能达到同一过冷度而同时凝固，最终形成粗大等轴晶区。

在这一区间的上部出现V 形偏析，下部出现负偏析，夹杂与疏松等缺陷较多，由此不难看出钢锭中心处组织较差；5）沉积堆 底部的钢液凝固快，形成较厚的细晶粒层。

此外，由于上部钢液中最初形成的晶体因比重大而下沉，并将碰断的树枝状晶分枝一起向下堆积。

在这一过程中，由于周围凝固，并且钢液补缩能力较小，所以沉积堆的组织疏松，氧化物夹杂多，在化学成分上构成负偏析区；6）冒口区 因为选择结晶的关系，钢锭内首先凝固的部分纯度高，最后凝固的冒口区杂质最多，特别是熔点低的硫化物和磷化物。

冒口区的钢液比重小，在凝固过程中得不到补缩，因而最终形成大缩孔，其周围并存在大量疏松。

钢锭底部和冒口占钢锭重量的5--7%和18--25%。

对于合金钢，切除的冒口应占钢锭的25--30%，底部占7--10%。

3、大型钢锭的内部缺陷以及形成原因：答：1）偏析 钢锭内部化学成分和杂质分布不均匀性称为偏析。

偏析是钢液凝固时选择结晶的产物。

偏析可分为树枝状偏析（或显微偏析）和区域偏析（或低倍偏析）两种。

树枝状偏析是指钢锭在晶体范围内化学成分的不均匀性。

区域偏析是指钢锭在宏观范围内的不均匀性；2）夹杂 钢锭内部不溶解于基体金属的非金属化合物，加过加热、冷却热处理仍不能消失，称为非金属夹杂物，通称夹杂。

大型锻件内部通常存在的非金属夹杂有：硅酸盐、硫化物和氧化物等；3）气体 在冶炼过程中氮、氢、氧等气体通过炉料和炉气溶入钢液。

钢液凝固时，这些气体虽然析出一部分，但在固态钢锭内仍有残余。

氢和氮在钢锭中以氧化物和氮化物出现，氢则以原子状态存在，也可能形成一部分分子状态氢和氰化物；4）缩孔和疏松 从钢液冷凝成钢锭时，发生物理收缩现象，如果没有钢液补充，钢锭内部某些地方将形成空洞。

缩孔是在冒口区形成的。

疏松是由于晶间钢液最后凝固收所造成的晶间空隙和钢液凝固过程中析出气体构成的显微空隙。

4、生产过程中常见的下料方法有：剪切、冷折、锯断、车断、砂轮切割、剁断及特殊精密下料等。

第三章 锻前加热、锻后冷却与热处理5、锻造前加热的目的及加热方法加热的目的是：提高金属塑性、降低变形抗力、使之易于流动成形并获得良好锻后组织。

按所采用的热源不同，可以分为火焰加热与电加热两大类。

火焰加热是利用燃气（煤、焦炭、重油、柴油和煤气）在火焰加热炉内燃烧产生含有大量热能的高温气体（火焰），通过对流、辐射把热能传给坯料表面，再由表面向中心热传导而使金属坯料加热。

电加热是通过把电能转变为热能来加热金属坯料。

其中有感应电加热、接触电加热、电阻炉加热和盐浴炉加热等。

6、加热过程中常见的缺陷（种类、原因、危害）（1）氧化 钢加热到高温时，表层中的铁和炉气中的氧化性气体（如2O 、2CO 、O H 2和2SO ）发生化学反应，结果使钢料表层变成氧化铁（即氧化皮），这种现象称为氧化。

氧化造成的危害：1）造成钢料的烧损。

2）影响锻件表面质量。

3）降低模具使用寿命。

4）引起炉底腐蚀损坏。

（2）脱碳 钢在高温加热时，表层中的碳和炉气中的氧化性气体（2O 、2CO 、O H 2等）及某些还原性气体（如2H ）发生化学反应，造成钢料表层的含碳量减少，这种现象称为脱碳。

脱碳造成的危害：在加热时钢发生了脱碳，会使锻件表面变软，强度和耐磨性降低。

（3）过热 当钢的加热超过某一定温度，并在此温度停留的时间过长，会引起奥氏体晶粒迅速长大，这种现象称为“过热”。

产生过热的钢，会导致钢的强度和冲击韧性降低。

（4）过烧 当钢加热到接近熔化温度，并在此温度长时间停留，这时不但奥氏体的晶粒粗大，同时由于氧化性气体渗入到晶界，使晶间物质Fe 、C 、S 发生氧化，形成易熔共晶体氧化物，这种现象称为过烧。

产生过烧的钢，由于晶间联结遭到破坏，大大降低了钢的强度，锻造一击便碎。

所以，过烧是致命的加热缺陷。

（5）裂纹 钢在加热过程中产生的内应力，根据其形成的原因不同，有温度应力和组织应力。

钢锭或钢材在加热过程中，由于表面温度高于中心温度而出现温差，从而必将引起外层与心部的膨胀不均匀，这样产生的内应力即温度应力（也称热应力）。

具有相变的钢在加热过程中，由于相变前后组织的比容发生变化，以及钢料的表层与心部不同时爆发相变，这样引起的内应力为组织应力。

钢在加热过程某一温度下，内应力超过它此时的强度极限，就要产生危害。

7、确定锻造温度范围的基本原则、基本方法确定锻造温度范围的基本原则是：要求钢在锻造温度范围内具有良好的塑形和较低的变形抗力；能锻出优质锻件；锻造温度范围尽可能宽广些，以便减少加热火次，提高锻造生产率。

确定锻造温度范围的基本方法是：以钢的平衡图为基础，再参考钢的塑形图、抗力图和再结晶图。

由塑形、质量和变形抗力三个方面加以综合分析，从而定出始锻温度和终锻温度。

8、加热规范制定的内容和原则一般加热规范包括以下内容：装料时的炉温、加热升温速度、最终加热温度、各段加热（保温）时间和总的加热时间等。

加热规范制定的原则：（1）正确的加热规范应保证：钢料在加热过程中不产生裂纹、不过热过烧、温度均匀、氧化脱碳少、加热时间短和节省燃料等。

总之，在保证加热质量前提下，力求加热过程越快越好。

（2）制定加热规范即是确定加热过程不同时期的加热炉温、升温速度和加热时间。

通常可将加热过程分为预热、加热、均热三个阶段。

预热阶段，主要是合理规定装料时的炉温；加热阶段，关键是正确选择升温加热速度；均热阶段，则应保证钢料温度均匀，给定保温时间。

（3）在制定钢的加热规范时，首先应考虑钢料的断面尺寸，其次考虑钢的成分及有关性能，如塑形、强度极限、导温系数、膨胀系数、组织特点及其在加热时的变化以及坯料的原始状态。

9、少无氧化加热方法实现少无氧化加热的方法有：快速加热，利用介质保护加热与少无氧化火焰加热等。

10、锻后冷却方法在空气中冷却、在坑（箱）内冷却、在炉中冷却11、锻后冷却规范确定原则（1）锻件的冷却规范，关键是冷却速度。

应根据钢料的化学成分，钢种的组织特点，锻前的原料状态和锻件的断面尺寸等因素来确定合适的冷却速度。

一般来讲，钢料的化学成分越单纯，则允许的冷却速度越快，反之亦然。

（2）通常用钢材锻成的锻件在锻后的冷却速度，比用钢锭锻成的锻件在锻后的冷却速度快。

一般断面尺寸大的锻件，因冷却过程温度应力大，锻后应缓慢冷却。

反之，对于断面尺寸小的锻件，锻后可以快速冷却。

12、锻件热处理的目的、方法锻件热处理的目的是：（1）调整锻件的硬度，以利锻件进行切削加工；（2）消除锻件内应力，以免在机械加工时变形；（3）改善锻件内部组织，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备；（4）对于不再进行最终热处理的锻件，应保证达到规定的机械性能要求。

锻件最常采用的热处理方法有：退火、正火、调质、高温回火和等温退火等。

第四章 自由锻造工艺1.自由锻工艺所研究的内容是：锻件的成形规律和提高锻件的质量两个方面。

2.自由锻工序的分类：基本工序、辅助工序、修整工序三类。

3.自由锻的基本工序有：镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转、锻接。

4.镦粗的主要方法：平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。

5.平砧镦粗金属流动特点：区域Ⅰ：由于摩擦影响最大，该区变形十分困难，称为“难变形区”。

区域Ⅱ：不但受摩擦的影响较小，应力状态也有利于变形，因此该区变形程度最大，称为“大变形区”。

区域Ⅲ：其变形程度介于区域Ⅰ与区域Ⅱ之间，称为“小变形区”6.平砧镦粗金属流动易产生的危害：平砧镦粗时的金属流动特点，对锻造工艺和锻件质量都很不利。

由于坯料侧面出现鼓形，不但要增加修整工序，并且可能引起表面纵裂，对低塑性金属尤为敏感。

此外，由于坯料内部变形的不均匀，必然引起锻件晶粒大小不均，从而导致锻件的性能也不均，这对晶粒要求严格的合金钢锻件影响极大。

7.可以采用以下工艺措施防止上述危害:（1）凹形坯料镦粗（2）软金属垫镦粗（3）坯料叠起镦粗8.矩形截面坯料平砧拔长送尽量大小对锻件的影响：送进量的大小，不仅关系到拔长效率，而且还影响锻件质量。

当送进量较小（5.000<h l ）时，不能锻透，容易引起内部横向裂纹。

送进量如小于单边压下量，还会在锻件表面形成折叠。

当送进量过大（100>h l ）时，容易引起内部横向裂纹和角裂以及内部十字裂纹。

9.自由锻工艺规程的内容包括：1) 根据零件图绘制锻件图；2) 决定坯料的重量和尺寸；3) 制订变形工艺及工具；4) 选择锻压设备；5) 确定锻造温度范围，加热和冷却规范；6) 确定热处理规范；7) 提出锻件的技术条件和检验要求；8) 填写工艺卡片等。

10.为什么要合理选锻比：锻比是锻造成形时变形程度的一种表示方法，锻比大小反映了锻造对锻件组织和机械性能的影响。

一般规律是，锻造过程随着锻比增大，由于内部孔隙焊合、铸态树枝晶被打碎、锻件的纵向和横向机械性能均得到明显提高。

当锻件超过一定数值后，由于形成纤维组织，横向机械性能（塑性、韧性）急剧下降，导致锻件出现各向异性。

可见，锻比是衡量锻件质量的一个重要指标。

锻比过小，锻件就达不到性能要求；锻比过大，不但增加了锻造工作量，并且还会引起各向异性。

因此，在制订锻造工艺规程时，应合理的选择锻比大小。

11.如何选锻比（选锻比方法）。

用钢材锻制的锻件（莱氏体钢锻件除外），由于钢材经过大变形的锻或轧，其组织与性能均已得到改善，一般不需考虑锻比；用钢锭（包括有色金属钢锭）锻制的大型锻件，就必需考虑锻比。

零件技术条件提出了锻比要求，即以技术条件要求选取锻件锻比；如零件的技术条件没有规定锻比，则应根据材料化学成分、零件受力情况、以及所用钢锭大小等因素，综合权衡利弊择优选取。

一般来讲，合金结构钢锭比碳素结构钢锭的铸造缺陷严重，所需的锻比应大些。

对一般结构锻件，当零件受力方向和纤维方向不一致时，为了保证横向性能，避免产生各向异性，应取锻比为2~2.5。

当零件受力方向与纤维方向一致时，为使纵向性能提高，可将锻比选取到4。