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（5.00
0<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。

对于一些重要锻件（如航空锻件、高合金钢锻件），为了充分破碎铸态组织，获得较高综合机械性能，常用镦粗拔长联合工艺，锻比要求高达6~8。

12.大型锻件锻造工艺的特点：
1)大型锻件一般采用钢锭直接锻造，随着钢锭重量的增大，固有缺陷如偏析、疏松、气泡、
夹杂等更为严重。

这与大型锻件要求高质量造成了尖锐的矛盾。

2)由于大型锻件的截面尺寸很大，不仅给锻造操作带来很大困难，而且还会使锻造热力过
程发生变化。

3)在锻后冷却及热处理时，由于大型锻件晶粒粗大而不均匀，加之扩氢和消除应力又比较
困难，从而使锻后冷却和热处理工艺更为复杂。

4)通常大型锻件的内部缺陷多，性能不易保证。

为了正确地判断锻件的质量，规定有较全
面的质量检查项目。

13.锻造对金属组织的影响：
1)消除铸态组织粗大的树枝晶并获得均匀细化等轴晶。

2)可破坏并改善碳化物及非金属夹杂物在钢中的分布。

3)形成纤维组织。

4)锻合内部孔隙。

14.纤维组织形成原因：在锻造钢锭时，当树枝晶沿主变形区方向变形的同时，晶界过剩相的形态随之也要发生改变，其中硅酸盐、氧化物等质硬而脆，很难变形，只能击碎，沿着主变形方向呈链状分布；硫化物有较好的塑性，可随晶粒一同变形，沿着主变形方向拉长连续分布。

多数晶界过剩相的这种分布，在晶粒再结晶后也不会改变，使金属组织具有一定方向性，通常称为“纤维组织”，其宏观痕迹即“流线”。

可见，形成纤维组织的内因是钢中晶界存在上述各种过剩相，外因是锻造沿某方向达到一定变形程度（锻比）。

当只是拔长，在锻比大于2~3时便会形成纤维组织。

15.如何控制流线在锻件的分布：
流线在锻件内的分布情况，对锻件使用性能影响很大，而锻件的流线分布又取决于锻造的变形工艺。

因此，在制订锻件的锻造变形工艺时，应根据零件的受力和破坏情况，正确控制流线在锻件的分布。

对受力比较简单的零件，如立柱、曲轴、扭力轴等。

在锻造时应尽量避免切断纤维，控制流线分布于零件几何外形相符合，并使流线方向与最大拉应力方向一致。

对容易疲劳剥损的零件，如轴承套圈、热锻模、搓丝板等。

由于纤维在零件工作表面露头之处是一个微观缺陷，当在重复和交变载荷作用下，很容易造成应力集中，称为疲劳源使零件破坏。

因此，在锻造这类锻件时，为了减少疲劳剥损，提高零件使用寿命，应尽可能使流线与工作表面平行。

对受力比较复杂的零件，如汽轮机和电机主轴、锤头等，应对各个方向性能都有要求，所以不希望锻件具有明显的流线方向。

16.碳素钢钢锭拔长时锻比对性能的影响：随着锻比的增加，强度指标b σ变化不大，而塑性，韧性指标k αψδ、、变化很大。

在锻比达到2左右，由于内部孔隙焊合压实，铸态组织得到消除或改善，晶界碳化物和夹杂开始被打碎，因此纵向和横向机械性能均有显著提高。

当锻比等于2~5时，开始逐渐形成纤维组织，机械性能出现各向异性。

虽纵向性能略有提高，但横向性能明显下降。

如锻比超过5以上，将形成一致的纤维组织，纵向性能不再提高，横向性能继续下降。

第五章 锤上模锻
1、模锻优点：1）生产率较高；2)锻件形状复杂，尺寸精度和表明光洁度较高；3）锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高；4）可使流线分布更为完整合理，从而进一步提高零件的使用寿命；5）生产过程操作简便，劳动强度比自由锻小；6）锻件成本较低。

2、模锻件分类：1）圆饼类锻件；2）长轴类锻件；长轴类锻件又可分为直长轴线锻件、弯曲轴线锻件、枝芽类锻件、叉类锻件。

3、模锻工艺按锻造设备分类：锤上模锻、曲柄压力机模锻、平锻机模锻、螺旋压力机模锻、水压机模锻、高速锤模锻及其他专用设备（如精压机、辊锻机、旋转锻机、扩孔机、弯曲机等）模锻。

4、确定分模位置的最基本原则：确定分模位置的最基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，以及锻件容易从锻模型槽中取出；此外，应争取获得镦粗充填成形的良好效果。

5、毛边槽的作用：1）促使型槽得以充满；2）容纳多余金属；3）缓冲锤击。

6、开式模锻时金属流动的过程：1）第一阶段：自由变形或镦粗变形过程，镦粗所需的变形力不大；2）第二阶段：形成毛边的过程，所需变形力明显增大；3）第三阶段：充满型槽的过程，所需变形力急剧上升；4）第四阶段：锻足或打靠的最后阶段，在此阶段中，所需的锤击力最大。

7、预锻的力臂（优缺点）及什么情况下增加预锻？
预锻在模锻工艺中，占有非常重要的地位。

其作用是使制坯后的坯料进一步变形，以保证终锻时获得成形饱满，无折叠、裂纹或其它缺陷的优质锻件。

同时有助于减少终锻型槽磨损，提高使用寿命。

当然，预锻另一方面也带来一些不良影响，如增大锻模平面尺寸、降低生产率。

特别是由于锻模中心不能与型槽中心重合，导致错移量增大，降低锻件尺寸精度，而且使锻模燕尾和锤杆受力状态更趋恶化，影响工作寿命。

所以预锻是有其利弊关系的，只有当锻件形状复杂，如连杆、拨叉。

叶片等，成形困难，且生产批量较大的情况下，采用预锻才是合理的。

8、锤上模锻工序包括三类工步：1）模锻工步，包括预锻和终锻；2）制坯工步，包括镦粗、拔长、滚挤、卡压、成型、弯曲等制坯工步；3）切断工步。

9、锤上模锻的偏心力矩的危害：偏心力矩将迫使锤头转动，因而锤杆除受压应力外，还有附加弯曲应力。

这不仅影响锤杆使用寿命，并且加速导轨磨损；同时，还造成上下模错移，降低锻件精度，对生产诸多不利 。

10、锻模错移力产生的原因和危害：当锻件的分模面为斜面、曲面，或模锻中心与型槽中心的偏移量较大时，在模锻过程中将产生水平分力，从而引起锻模错移。

其后果不仅给锻件带来错移，影响尺寸精度和加工余量，而且加速锻锤导轨磨损和锤杆过早折断。

11、锻模损坏原因：1）在锤击过程中，外力通过变形金属在型槽内造成很大应力，高达2000牛/平方毫米，迫使型槽扩大，因而模壁受到强烈的拉应力，特别是型槽底部凹圆角处引起应力集中现象，容易在这些部位发生破裂；2）型槽表面受到高温金属流动作用而产生摩擦效应，尤其是坯料表面上的氧化皮未清除干净的情况，摩擦作用更加强烈，加速型槽表面磨损，甚至出现剥落现象；3）锻模与高温坯料、润滑剂反复接触，由于冷热交变作用，因热应力而容易导致疲劳破裂。

4）锻模热处理或使用预热不当，也会造成早起脆裂或压陷。

12、锻模材料的性能要求：1）在300℃-600℃条件下，具有良好的冲击韧性、导热性和高温耐磨热疲劳性能等；2）切削加工性能和抛光性能良好；3）具有良好的淬透性和回火稳定性；4）具有良好的尺寸稳定性，热处理时形状畸变小；5）价格低廉，不含稀缺元素。

13、锻模使用与维护措施：正确使用和维护锻模，其中包括锻模预热、控制终锻温度、及时润滑冷却和清除氧化皮、随时修磨出现的缺陷等。

第九章模锻后续工序
1、精压优点：1）精压可提高锻件的尺寸精度和表面粗糙度；2）精压可全部或部分代替零件的机械加工，因而可以节省机械加工工时，提高劳动生产率，降低成本；3）精压缩小了锻件尺寸，减少了机械加工余量，因而降低了原材料的消耗；4）由于精压使锻件表层变形而产生硬化，从而提高了零件的耐磨性。

2、表面清理目的：1）去除锻造生产过程中的氧化皮和其他表面缺陷（裂纹、折纹等），提高锻件的表面质量，改善锻件的切削加工条件；2）显露锻件表面缺陷，以便检查锻件表面质量；3）给冷精压和精密模锻提供具有良好的表面质量的精压毛坯。

3、模锻或热处理后锻件上氧化皮清理方法：滚筒清理、喷砂（丸）清理、抛丸清理以及酸洗。

第十一章高合金钢及非铁合金锻造
1、为什么要对热轧高速钢的钢材进行改锻：热轧不能完全消除碳化物的不均匀现象。

钢材截面尺寸越大，碳化物偏析级别越高。

因此，对于尺寸较大、要求碳化物均匀性较高的刀具，热轧的高速钢钢材是不能满足要求的。

为了满足碳化物均匀性较高的要求使用厂必须对钢材进行改锻。

2、生产中常用的改锻方法：1）单向镦粗；2）单向拔长；3）轴向反复镦抜；4）径向十字锻造；5）综合锻造。

3、高速钢锻件缺陷：1）过烧；2）萘状断口；3）重复加热开裂；4）纵向开裂；5）横向内裂；6）端裂；7）侧裂；8）角裂。