锻造基础知识

锻造

对金属坯料（不含板材）施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能,用以制造机械零件、工件、工具或毛坯的成形加工方法。锻造的种类和特点当温度超过300-400℃（钢的蓝脆区），达到700-800℃时，变形阻力将急剧减小，变形能也得到很大改善。根据在不同的温度区域进行的锻造，针对锻件质量和锻造工艺要求的不同，可分为冷锻、温锻、热锻三个成型温度区域。原本这种温度区域的划分并无严格的界限，一般地讲，在有再结晶的温度区域的锻造叫热锻，不加热在室温下的锻造叫冷锻。

在低温锻造时，锻件的尺寸变化很小。在700℃以下锻造，氧化皮形成少，而且表面无脱碳现象。因此，只要变形能在成形能范围内，冷锻容易得到很好的尺寸精度和表面光洁度。只要控制好温度和润滑冷却，700℃以下的温锻也可以获得很好的精度。热锻时，由于变形能和变形阻力都很小，可以锻造形状复杂的大锻件。要得到高尺寸精度的锻件，可在900-1000℃温度域内用热锻加工。

另外，要注意改善热锻的工作环境。锻模寿命（热锻2-5千个，温锻1-2万个，冷锻2-5万个）与其它温度域的锻造相比是较短的，但它的自由度大，成本低。

坯料在冷锻时要产生变形和加工硬化，使锻模承受高的荷载，因此，需要使用高强度的锻模和采用防止磨损和粘结的硬质润滑膜处理方法。另外，为防止坯料裂纹，需要时进行中间退火以保证需要的变形能力。为保持良好的润滑状态，可对坯料进行磷化处理。在用棒料和盘条进行连续加工时，目前对断面还不能作润滑处理，正在研究使用磷化润滑方法的可能。 根据坯料的移动方式，锻造可分为自由锻、镦粗、挤压、模锻、闭式模锻、闭式镦锻。闭式模锻和闭式镦锻由于没有飞边，材料的利用率就高。用一道工序或几道工序就可能完成复杂锻件的精加工。由于没有飞边，锻件的受力面积就减少，所需要的荷载也减少。但是，应注意不能使坯料完全受到限制，为此要严格控制坯料的体积，控制锻模的相对位置和对锻件进行测量，努力减少锻模的磨损。

根据锻模的运动方式，锻造又可分为摆辗、摆旋锻、辊锻、楔横轧、辗环和斜轧等方式。摆辗、摆旋锻和辗环也可用精锻加工。为了提高材料的利用率，辊锻和横轧可用作细长材料的前道工序加工。与自由锻一样的旋转锻造也是局部成形的，它的优点是与锻件尺寸相比，锻造力较小情况下也可实现形成。包括自由锻在内的这种锻造方式，加工时材料从模具面附近向自由表面扩展，因此，很难保证精度，所以，将锻模的运动方向和旋锻工序用计算机控制，就可用较低的锻造力获得形状复杂、精度高的产品。例如生产品种多、尺寸大的汽轮机叶片等锻件。

锻造设备的模具运动与自由度是不一致的，根据下四点变形限制特点，锻造设备可分为下述四种形式：

• 限制锻造力形式：油压直接驱动滑块的油压机。
• 准冲程限制方式：油压驱动曲柄连杆机构的油压机。
• 冲程限制方式：曲柄、连杆和楔机构驱动滑块的机械式压力机。
• 能量限制方式：利用螺旋机构的螺旋和磨擦压力机。

为了获得高的精度应注意防止下死点处过载，控制速度和模具位置。因为这些都会对锻件公差、形状精度和锻模寿命有影响。另外，为了保持精度，还应注意调整滑块导轨间隙、保证刚度，调整下死点和利用补助传动装置等措施。

此外，根据滑块运动方式还有滑块垂直和水平运动（用于细长件的锻造、润滑冷却和高速生产的零件锻造）方式之分，利用补偿装置可以增加其它方向的运动。上述方式不同，所需的锻造力、工序、材料的利用率、产量、尺寸公差和润滑冷却方式都不一样，这些因素也是影响自动化水平的因素。

锻件与铸件相比有什么特点

金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。

一般说来，铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组个人织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。

锻件质量分析的一般过程

锻件质量分析的目的就是弄清问题，找出、原因，采取适当措施从而制造出符合技术标准规定的锻件，以满足产品设计和使用的要求，并制定出切实可行的防止对策，预防类似缺陷的再发生，使锻件质量不断提高。

由于锻件在锻后还要经过热处理，甚至表面处理工序及机械加工工序，制成零件后还要投入使用，因此，锻件质量分析工作除了对锻后的锻件进行质量分析外，也包括对锻后在热处理、表面处理、冷加工过程中和使用过程中发现的锻件质量问题的分析。此时，在锻件上或已制成品件上，也可能出现锻后的后续工序工艺不当、使用维护不当或者设计与选材不当引起的质量问题，出现了除锻造工艺不当之外的其它影响因素，因此在进行半成品件、成品件、使用件的质量分析时，只有在排除了设计、选材、热处理、表面处理、冷加工及使用维护的因素后，才能准确地进行锻件本身的质量分析工作，从而寻找出锻件质量问题产生的原因和提出改进措施及防止对策。

在实际工作中，若要判定半成品件、成品件或使用件的故障究竟是什么原因造成的并不是一件非常容易的事情。相对而言，半成品件或成品件出现的故障分析起来可能稍容易些，而对于使用件的故障或者失效原因的分析就要费些周折。在进行这些故障件的分析时首先应了解故障件的使用经历和制造经历，即要了解设计情况、选材情况、冷工艺情况、热工艺情况、受力情况、使用维护情况包括环境情况，只有对以上各项情况进行全面了解之后，并根据故障件的宏观、微观形貌特征，这些形貌特征在什么情况下出现，是否具有产生这种形貌特征的条件，并通过材质分析、力学性能分析、金相组织分析，配以电子显微镜、电子探针等一些高级手段，通过与各方面专业人员的学习、交流、分析，按照失效分析的程序得出故障件产生故障的真实原因，并能得知故障产生的原因是否为锻件质量问题。

锻件质量问题产生的原因是多方面的，通过对锻件的宏观、微观分析，有时还要进行模拟试验，从而得出质量问题产生的原因究竟是锻造工艺本身还是其它影响因素（如原材料、热处理、表面处理或者试验本身的失误等）；是锻造工艺制定得不合理不完善还是工艺纪律不严格没有严肃认真地执行工艺，这些都只有在经过细致的研究分析之后才可做出结论。

既然锻件的质量问题包括外观质量和内部质量问题，而各种问题之间又有可能是互相联系的，因此分析的着眼点应是全面的，要考虑到锻件缺陷与力学性能的联系，锻件缺陷本身的互相影响。 因此，锻件质量分析工作一般可分为现场调查阶段、试验研究分析阶段、提出解决措施及防止对策阶段。而在实施这几个阶段的工作之前，最好能制定实施方案，内容包括这三个阶段所要进行的工作、工作程序、完成时间。该实施方案在实施过程中可进行适当的补充和修改。制定实施方案是分析大型复杂锻件及使用件质量问题的重要一环。

在现场调查阶段，主要是调查锻件所用原材料的材料牌号、化学成分、材料规格、材料保证单上的试验结果，进厂复验的各种理化测试和工艺性能测试的结果，甚至还要查明原材料的冶炼和加工工艺情况。与此同时还应调查锻造的工艺情况，包括锻件应该用的材料、规格、下料工艺、锻造加热的始锻和终锻温度，所用锻压设备、加热设备、加热工艺、锻造的操作、锻后的冷却方式、预备热处理的工艺情况等。必要时还要调查操作者的情况和环境情况及执行工艺的原始记录。对于在后续工序和使用中出现的锻件质量问题还应调查后续工序的工艺及使用情况。的工艺及使用情况。现场调查切忌主观，即调查情况要客观全面，实事求是，调查的情况一定要保证原始，现场调查情况的真实性直接影响以后试验研究分析和结论的正确性。

试验研究分析阶段的工作是比较复杂的，这是进行锻件质量分析的关键阶段，该阶段工作的优劣直接影响质量问题判断的正确性及产生原因分析的准确性，该阶段的工作一定要与现场调查阶段的工作结合起来进行。

在该阶段，首先要查明锻件质量问题的客观反映，锻件缺陷的部位、宏观及微观的形貌特征，从而分析出缺陷的性质，通过宏观及微观的试验分析并辅以化学成分、力学性能测试、原材料的情况，必要时结合工艺执行情况和进行摸拟试验，找出缺陷或质量问题产生的原因。 在该阶段还要注意选择合适的试验方法及测试手段，避免由于测试手段或方法上的问题或分析思路不当而导致分析结论的差错。

在进行试验分析过程中，必要时还要进行现场再调查，以排除因外界因素的干扰而影响分析结论正确性的可能。

在提出解决措施阶段，就是在有了准确的锻件缺陷产生原因的基础上，结合生产实际提出切实可行的预防措施和解决办法。这里包括对锻造设备、加热设备、生产环境，所用原材料、锻造工艺人员素质等提出改进意见和措施，并且用在生产实践中得到验证，不断地修正改进措施，以使提出的改进措施及防止对策具有实用性、正确性甚至先进性，从而使锻件质量得以不断提高。

铸铁的概念及分类

铸铁是含碳量大于2.11％（一般为2.5～4％）的铁碳合金。它是以铁、碳、硅为主要组成元素并比碳钢含有较多的锰、硫、磷等杂质的多元合金。有时为了提高铸铁的机械性能或物理、化学性能，还可加入一定量的合金元素，得到合金铸铁。早在公元前六世纪春秋时期，我国已开始使用铸铁，比欧洲各国要早将近二千年。直到目前为止，在工业生产中铸铁仍然是最重要的材料之一。

铸铁的分类

一．根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为

1. 白口铸铁 碳除少数溶于铁素体外，其余的碳都以渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色，故称白口铸铁。目前白口铸铁主要用作炼钢原料和生产可锻铸铁的毛坯。
2. 灰口铸铁 碳全部或大部分以片状石墨存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。
3. 麻口铸铁 碳一部分以石墨形式存在，类似灰口铸铁；另一部分以自由渗碳体形式存在，类似白口铸铁。断口中呈黑白相间的麻点，故称麻口铸铁。这类铸铁也具有较大硬脆性，故工业上也很少应用。

二．根据铸铁中石墨形态不同，铸铁可分为

1. 灰口铸铁 铸铁中石墨呈片状存在。
2. 可锻铸铁 铸铁中石墨呈团絮状存在。它是由一定成分的白口铸铁经高温长时间退火后获得的。其机械性能（特别是韧性和塑性）较灰口铸铁高，故习惯上称为可锻铸铁。
3. 球墨铸铁 铸铁中石墨呈球状存在。它是在铁水浇注前经球化处理后获得的。这类铸铁不仅机械性能比灰口铸铁和可锻铸铁高，生产工艺比可锻铸铁简单，而且还可以通过热处理进一步提高其机械性能，所以它在生产中的应用日益广泛。

铸造技术的方法选择

铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程。

铸造是常用的制造方法，优点是：制造成本低，工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸件，在机械制造中占有很大的比重，如机床占60～80%，汽车占25%拖拉机占50～60%。铸件的质量直接影响着产品的质量，因此，铸造在机械制造业中占有重要的地位。

铸造是一种古老的制造方法，在我国可以追溯到6000年前。随着工业技术的发展，铸造技术的发展也很迅速，特别是19世纪末和20世纪上半叶，出现了很多的新的铸造方法，如低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等，在20世纪下半叶得到完善和实用化。由于现今对铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高，铸造技术向着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展，例如我国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模拟技术等方面发展迅速。

铸造主要工艺过程包括：金属熔炼、模型制造、浇注凝固和脱模清理等。铸造用的主要材料是铸钢、铸铁、铸造有色合金(铜、铝、锌、铅等)等。铸造方法常用的是砂型铸造，其次是特种铸造方法，如：金属型铸造、熔模铸造、石膏型铸造......等。而砂型铸造又可以分为粘土砂型、有机粘结剂砂型、树脂自硬砂型、消失模等等。

铸造方法选择的原则：

1. 优先采用砂型铸造据统计，我国或是国际上，在全部铸件产量中，60～70％的铸件是用砂型生产的，而且其中70％左右是用粘土砂型生产的。主要原因是砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短。所以象汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件都是用粘土湿型砂工艺生产的。当湿型不能满足要求时再考虑使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型。粘土湿型砂铸造的铸件重量可从几公斤直到几十公斤，而粘土干型生产的铸件可重达几十吨。 一般来讲，对于中、大型铸件，铸铁件可以用树脂自硬砂型、铸钢件可以用水玻璃砂型来生产，可以获得尺寸精确、表面光洁的铸件，但成本较高。 当然，砂型铸造生产的铸件精度、表面光洁度、材质的密度和金相组织、机械性能等方面往往较差，所以当铸件的这些性能要求更高时，应该采用其它铸造方法，例如熔模（失腊）铸造、压铸、低压铸造等等。
2. 铸造方法应和生产批量相适应 例如砂型铸造，大量生产的工厂应创造条件采用技术先进的造型、造芯方法。老式的震击式或震压式造型机生产线生产率不够高，工人劳动强度大，噪声大，不适应大量生产的要求，应逐步加以改造。对于小型铸件，可以采用水平分型或垂直分型的无箱高压造型机生产线、实型造型生产效率又高，占地面积也少；对于中件可选用各种有箱高压造型机生产线、气冲造型线，以适应快速、高精度造型生产线的要求，造芯方法可选用：冷芯盒、热芯盒、壳芯等高效制芯方法。中等批量的大型铸件可以考虑应用树脂自硬砂造型和造芯。 单件小批生产的重型铸件，手工造型仍是重要的方法，手工造型能适应各种复杂的要求比较灵活，不要求很多工艺装备。可以应用水玻璃砂型、VRH法水玻璃砂型、有机酯水玻璃自硬砂型、粘土干型、树脂自硬砂型及水泥砂型等；对于单件生产的重型铸件，采用地坑造型法成本低，投产快。批量生产或长期生产的定型产品采用多箱造型、劈箱造型法比较适宜，虽然模具、砂箱等开始投资高，但可从节约造型工时、提高产品质量方面得到补偿。低压铸造、压铸、离心铸造等铸造方法，因设备和模具的价格昂贵，所以只适合批量生产。
3. 造型方法应适合工厂条件 例如同样是生产大型机床床身等铸件，一般采用组芯造型法，不制作模样和砂箱，在地坑中组芯；而另外的工厂则采用砂箱造型法，制作模样。不同的企业生产条件（包括设备、场地、员工素质等）、生产习惯、所积累的经验各不一样，应该根据这些条件考虑适合做什么产品和不适合（或不能）做什么产品。
4. 要兼顾铸件的精度要求和成本 各种铸造方法所获得的铸件精度不同，初投资和生产率也不一致，最终的经济效益也有差异。因此，要做到多、快、好、省，就应当兼顾到各个方面。应对所选用的铸造方法进行初步的成本估算，以确定经济效益高又能保证铸件要求的铸造方法。

锻模的表面处理

表面处理的目的是：通过强化模膛工作表面来提高锻模的寿命。

表面处理工艺如下：

1. 氮化模具经氮化处理后，可在模膛表面上形成一层硬度高、耐磨损、同时又不易和变形金属粘结的氮化层。它可提高锻模寿命25%。
2. 渗硼渗硼的模具有一层坚硬的硼化层。它除了特别耐磨外，还有较好的耐蚀性和耐热性。硼化层的厚度通常在0.05至0.35mm的范围内，当钢中的碳和合金元素含量较高时，宜取下限。
3. 喷丸处理通过喷丸处理使模膛表面产生一层硬化层，以提高耐磨性。
4. 在模膛表面复盖硬质合金保护层在模膛表面熔焊一层硬质合金，以提高其耐磨性和热稳定性。