(精品文档)锻造工艺与模具设计第三章课件
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,第三章 锻造的加热规范,西南交通大学希望学院,一、加热目的 提高金属塑性,降低变形抗力,即增加金属的可锻性。使之易于流动成形并获得良好的锻后组织和力学性能。,3-1 锻前加热的目的及方法,锻造加热,3,金属加热时,允许加热的最高温度称为始锻温度。金属在锻造过程中,热量逐渐散失,温度下降。在锻打过程中随着坯料温度的降低,塑性下降,其变形抗力亦增高。当温度低到一定程度,不仅锻打费力,而且容易打裂,必须停止锻打。我们把金属材料允许变形的最低温度称为终锻温度。从始锻温度到终锻温度这一温度区间称为锻造温度范围。,可锻性衡量指标:金属的塑性和变形抗力 影响可锻性的因素: 1金属的本质 2压力加工条件 3 应力状态,1金属的本质 化学成分 纯金属的可锻性比合金好。而钢的可锻性随碳和合金元素的质量分数的增加而变差。 组织结构 固溶体(如奥氏体)的可锻性好,而化合物(如渗碳体)差。金属在单相状态下的可锻性比在多相状态下的好。细晶粒金属的塑性较粗晶粒的好,可锻性较好。(但变形抗力较大),2压力加工条件 1)变形温度 随着温度的升高,钢的强度下降,塑性上升,即钢的可锻性变好。因此,压力加工都力争在高温下进行,即采用热变形。即确定锻造温度范围。 2)变形速度 1、随变形速度的增大,加工硬化严重,可锻性变坏。 2、另一方面,在变形过程中,产生热效应现象。热效应现象使金属的塑性提高,变形抗力减小,可锻性变好。但是,除了高速锤以外,在普通锻压设备上都不可能超过临界变形速度。所以,一般塑性较差的金属,应以较小的变形速度,在压力机上进行锻造。,3 应力状态,三个方向中压应力的数目越多,则金属的塑性越好。拉应力的数目越多,则金属的塑性越差。 压应力使各种缺陷受到抑制,不易扩展,故可提高金属的塑性。 在拉应力作用下,极易扩展,甚至破坏,使金属失去塑性。 同号应力状态下的变形抗力大于异号应力状态下的变形抗力。综上所述:金属的可锻性既取决于金属的本质,又取决于加工条件。在压力加工过程中,要力求创造最有利的加工条件,提高塑性,降低变形抗力。,锻前加热是整个锻造过程中的一个重要环节,对提高锻造生产率、保证锻件质量以降低能源消耗等都有直接的影响。恰当地选择加热温度,就可使坯料在塑性较好的状态下进行成形。,二、加热方法,按所采用的热源不同,可分为火焰加热和电加热两大类。 1火焰加热利用燃料燃烧产生的热能对金属坯料进行加热。 燃料有煤,焦炭,柴油,煤气,天然气 火焰加热的优点是:燃料来源方便,炉子修造简单,加热费用较低,对坯料的适用范围广等。因此,这种加热广泛用于各种大、中、小型坯料的加热,在锻造生产中获得广泛应用。 缺点是:劳动条件差,加热速度慢,加热质量难以控制等。,2电加热 是通过把电能转变为热能来加热金属坯料。利用电能转变为热能来加热金属的装置称为电炉。 优点是:加热速度快,炉温易控制,氧化脱碳少,便于实现机械化、自动化,劳动条件好。 缺点是:对毛坯的尺寸、形状的变化适应性不强,设备结构复杂,投资费用较大,操作使用要求高。 电加热法按其传热方式可分为 电阻加热(电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热)感应电加热,电阻加热其传热原理与火焰加热相同。根据电阻发热元件的不同,有电阻炉加热、接触电加热、盐浴炉加热等。,电阻炉加热:利用电流通过炉内的电热体产生的热量进行加热。该法受电热体的使用温度的限制,热效率较低。在电阻炉内辐射传热是加热金属的主要方式。,1踏杆;2炉门;3电阻丝;4炉膛;5坯料,接触电加热:是以低压大电流直接通过金属坯料,由金属坯料自身的电阻在通电时产生的热量而加热。常采用低电压大电流的方法。,接触电加热: 优点:加热速度快、金属烧损少、加热范围不受限制、热效率高、设备简单、操作方便、适用于长坯料的整体或局部加热等优点。 缺点:A.对坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求严格,特别是坯料的端部要光洁、平整,下料规则。B.加热温度的测量和控制也比较困难。,盐浴炉加热:是电流通过炉内电极产生的热量把导电介质熔融,通过高温介质的对流与传导将其中的坯料加热。 优点:加热速度快,加热温度均匀,可以实现坯料的整体或局部的无氧化加热。 缺点:其热效率低,辅助材料消耗大,劳动条件差。,感应电加热 坯料放入感应圈中,在交变电流的感应电动势的作用下,坯料表面形成强大的涡流,使坯料内部的电能直接转变为热能而加热。,感应电加热 优点:感应电加热具有加热速度快、加热质量好,温度易于控制、金属烧损少、操作简单、工作稳定、便于实现机械化、自动化。这些都有利于锻件质量的提高。 缺点:设备投资费用高、每种感应器的尺寸范围窄、电能消耗较大(大于接触电加热,小于电阻炉加热)。,感应电加热时,电流密度沿坯料横截面的分布为:中心电流小,表层大,这种现象称为趋肤效应。由于趋肤效应,为了提高加热速度和电效率,对大直径坯料,应选用低电流频率,小直径坯料可选用较高电流频率。,3-2 金属加热过程中的变化,由金属学所学内容知,金属在加热时将产生以下的变化: 组织结构:组织转变,晶粒长大,过热、过烧 力学性能:塑性提高,变形抗力降低,残余应力消除,但也可能产生新的内应力,过大则会引起开裂 物理性能:导热系数、导温系统、膨胀系数、密度等均发生变化 化学变化:表层发生氧化、脱碳、吸氢等,生成氧化皮与脱碳层,一、金属加热过程中的氧化,金属在高温炉内加热时,金属表面的合金元素将和炉气中的氧化气体(如O2、CO2、H2O、和SO2)发生反应,使金属表层生成氧化皮,这种现象称为氧化,或叫烧损。,3.2.1 氧化和脱碳,1、钢在氧化气体中加热时主要发生以下反应:,Fe1/2O2FeO3FeO1/2O2Fe3O42Fe3O41/2O23Fe2O3FeCO2FeO+COFe+H2OFeO+H2,氧化过程实质是扩散过程。即炉气中氧以原子状态吸附到钢料表层后向内扩散,而钢料表层中的铁则以离子状态由内部向表面扩散,扩散的结果使钢的表层变成为氧化铁。,由于氧化皮的熔融和氧化皮与铁的膨胀系数不同,因此在氧化物层内产生很大的内应力。引起氧化皮周期性的破裂,以致脱落,给进一步氧化造成有利条件。, 氧化的影响因素 主要有:,炉气成分,加热温度,加热时间,化学成分,外因,内因,炉气成分 火焰加热的炉气通常由氧化性气体(O2、CO2、H2O、SO2),还原性气体(CO、H2)和中性气体(N2)组成。 炉气的性质取决于燃料燃烧时的空气供给量。 当供给空气过多时,炉气的性质为氧化性,那么氧化严重。 如供给空气不足时,炉气则呈现还原性,氧化皮很薄,甚至不产生氧化。,加热温度 温度越高,氧化扩散速度加快,氧化过程会加剧,结果形成的氧化皮也厚。 一般,低于570600时,氧化缓慢; 超过900950后,氧化急剧增加; 超过1300,表面的氧化皮融化,扩散阻力减小,氧化速度大大增加。,加热时间 时间越长,氧化皮越多。因此,采用快速加热如电加热,缩短加热时间,尤其是在高温下的停留时间,对减少氧化皮的产生具有很大的实际意义。以上三者是外因,化学成分(内因) 当钢中含碳量大于0.3%时,随着钢中含碳量的增多,生成的氧化皮将减少。 因为含碳量高时,钢表面氧化过程中生成了CO,可削弱氧化性对钢表面的作用。 还有一些金属元素,如Cr、Ni、Al、Mo等,它们在金属表面形成了牢固紧密的薄膜,膨胀系数和钢几乎一致,加热过程中不易脱落,阻止了氧向内部扩散,因此能防止钢表面继续氧化,薄膜起保护作用,特别是钢中含Cr及Ni的量大于13%20%时,几乎不产生氧化。,这种氧化皮是不希望存在的; 从钢锭到成品的多次锻造过程中,每加热一次有 0.5%-3%的金属由于氧化被烧损; 氧化后产生的氧化皮在炉底烧结成块,会腐蚀耐 材料,降低炉体寿命; 氧化皮不仅影响锻件的表面质量和尺寸精度,其 脆而硬,会引起模具和机加工刀具的严重磨损。因此要采取措施减少或消除金属的氧化烧损。, 氧化皮的危害:,造成钢材的烧损 烧损量一般为35%。 模锻时氧化皮压入锻件内,降低表面质量和尺寸精度。 氧化皮质脆而硬,加剧模具磨损。 氧化皮在炉底烧结成块,降低炉衬寿命。,防止措施: 在保证锻件质量的前提下,尽量采用快速加热,缩短加热时间。 在燃料完全燃烧的条件下,避免氧气过剩,并减少燃料的水分。 采用少无氧化加热。,二、脱碳,钢在高温加热时,表层中的碳与炉气中的氧化性气体(如O2、CO2、H2O等)及某些还原性气体(如H2)发生化学反应,生成甲烷或一氧化碳,造成钢料表层的含碳量减少,这种现象称为脱碳。Fe3CH2O3FeCOH2Fe3CCO23Fe2CO2Fe3CO26Fe2COFe3C2H23FeCH4,脱碳的组织特征: 脱碳层由于碳被氧化,反映在金相组织上是表层渗碳体(Fe3C)的数量减少; 反映到化学成分上是表层的含碳量比内部明显降低。,影响钢脱碳的因素:与氧化类似 炉气成分 脱碳能力最强的是H2O(汽)、其次是CO2和O2, 较弱是H2。 加热温度 加热温度越高,脱碳越严重.(氧化、脱碳同时发生) 加热时间 时间越长,脱碳层越厚。 化学成分 是内因,钢中含碳量越高则脱碳倾向越大。 W、Al、Co等元素使脱碳增加,而Cr、Mn能阻止脱碳,Si、 Ni和V对钢的脱碳没有影响。,脱碳对锻件的影响: 脱碳使锻件:表面强度降低、耐磨性降低、 疲劳强 度降低、可锻性降低,热处理时可能发生开裂。 脱碳最明显的效果就是硬度下降。 当脱碳层深度小于机械加工余量时,锻件经过机械加 工可以完全去除脱碳层; 当脱碳层深度大于机械加工余量时,经过机械加工不 能去除脱碳层,会造成上述现象,需清理钢的脱碳层。,减少脱碳的措施: 前述减少钢的氧化措施基本适用于减少脱碳: 进行快速加热,缩短钢在高温区域停留的时间; 正确选择加热温度,适当调节和控制炉内气氛,对易脱碳钢使炉内保持氧化气氛,使氧化速度大于脱碳速度等。,3.2.2 过热和过烧,一、金属加热过程中的过热(over heat) 当金属加热温度过高、加热时间过长而引起晶粒粗大的现象称为“过热”。 晶粒开始急剧长大的温度叫过热温度。 钢中元素如C、Mn、S、P等会增加其过热倾向,而Ti、W、V、N等元素可减小钢的过热倾向。,1. 过热的危害,过热将引起材料的塑性、冲击韧性、疲劳性能、断裂韧性及抗应力腐蚀能力下降。 实践证明:过热对金属锻造过程影响并不大,甚至过热得较严重的钢材,只要没有过烧,在足够大的变形程度下,晶粒粗大的组织一般可以消除。,过热有不稳定过热和稳定过热:不稳定过热 由于单纯原高温奥氏体晶粒粗大形成的过热。一般可用热处理的方法消除。(如正火、高温回火、扩散退火、快速升温、快速冷却)稳定过热 钢过热后,除原高温奥氏体晶粒粗大外,沿奥氏体晶界大量析出第二相(包括杂质元素组成的化合物如硫化物、碳化物、氮化物等)质点或薄膜,这种过热用一般热处理方法很难消除,称为稳定过热。,- 配套讲稿:
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