锻造用材料及质量控制.ppt

锻造用原材料及质量控制,锻造生产有用原材料及分类,钢锭、轧材、挤压棒材、锻材。大型锻件主要使用钢锭锻制，大型锻件质量高，与钢锭的质量密切相关。中小型锻件用轧材和棒材生产。钢的种类繁多，为了便于生产、使用和研究，可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。1、按化学成分分类按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢按含碳量多少可分为低碳钢（C%0.25%）、中碳钢（C%=0.25%0.60%）和高碳钢（C%0.6%）三类。合金钢按合金元素的含量又可分为低合金钢（合金元素总量10%）三类。合金钢按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。2、按冶金质量分类按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为普通钢（S%0.055%，P%0.045%）、优质钢（S%、P%0.040%）和高级优质钢（S%0.030%，P%0.035%）三类。此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。,3、按用途分类按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊钢三大类。结构钢又分为工程构件用钢和机器零件用钢两部分。工程构件用钢包括建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢。机器用钢包括调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳和渗氮钢、耐磨钢等。这类钢一般属于低、中碳钢和低、中合金钢。工具钢分为刃具钢、量具钢、模具钢。主要用于制造各种刃具、模具和量具，这类钢一般属于高碳、高合金钢。特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢等。这类钢主要用于各种特殊要求的场合，如化学工业用的不锈耐酸钢、核电站用的耐热钢等。4、按金相组织分类按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。在给钢的产品命名时，往往把成分、质量和用途几种分类方法结合起来。如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢等,我国的钢材编号,为了管理和使用的方便，每一种合金钢都应该有一个简明的编号。世界各国钢的编号方法不一样。钢编号的原则主要有两条：（1）根据编号可以大致看出该钢的成分。（2）根据编号可大致看出该钢的用途。我国的钢材编号是采用国际化学元素符号和汉语拼音字母并用的原则。即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示。如Si、Mn、Cr、W、等。其中只有稀土元素，由于其含量不多，种类不少，不易一一分析出来，因此用“Re”表示其总含量。而产品名称、用途和浇铸方法等则采用汉语拼音字母表示。具体的编号方法如下1、普通碳素结构钢普通碳素结构钢的牌号以“Q数字字母字母”表示。其中，“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号和脱氧方法。例如：Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。牌号中规定了A、B、C、D四种质量等级，A级质量最差，D级质量最好。按脱氧制度，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢在钢号后加“b”，镇静钢则不加任何字母。2、优质碳素结构钢与合金结构钢优质碳素结构钢与合金结构钢编号的方法是相同的，都是以“两位数字元素数字”的方法表示。钢号的前两位数字表示平均含碳量的万分之几，沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出。合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字则表示该元素的含量，一般以百分之几表示。凡合金元素的平均含量小于1.5%时，钢号中一般只标明元素符号而不标明其含量。如果平均含量1.5%、2.5%、3.5%、时,则相应地在元素符号后面标以2、3、4。如为高级优质钢，则在其钢号后加“高”或“A”。钢中的V、Ti、Al、B、RE等合金元素，虽然它们的含量很低，但在钢中能起相当重要的作用，故仍应在钢号中标出。如45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢；20CrMnTi表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量Ti的合金结构钢；60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.52.5%的合金结构钢。,3、碳素工具钢碳素工具钢的牌号以“T数字字母”表示。钢号前面的“碳”或“T”表示碳素工具钢，其后的数字表示含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的碳素工具钢，其钢号为“碳8”或“T8”。含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”,如“碳8锰”或“T8Mn”。如为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加“高”或“A”，如“碳10高”或“T10A”。4、合金工具钢与特殊性能钢合金工具钢的牌号以“一位数字（或没有数字）元素数字”表示。其编号方法与合金结构钢大体相同，区别在于含碳量的表示方法，当碳含量1.0%时，则不予标出。如平均含碳量1.0%时，则在钢号前以千分之几表示它的平均含碳量，如9CrSi钢，平均含碳量为0.90%，主要合金元素为铬、硅，含量都小于1.5%。又如Cr12MoV钢，含碳量为1.451.70%(大于1.0%)，主要合金元素为11.512.5%的铬,0.400.60%的钼和0.150.30%的钒。而对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均Cr0.6%的低铬工具钢的钢号为“Cr06”。在高速钢的钢号中，一般不标出含碳量，只标出合金元素含量平均值的百分之几。如“钨18铬4矾”（W18Cr4V，简称18-4-1），“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6-5-4-2）等。特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示相同，如不锈钢2Cr13表示含碳量为0.20%，含铬量为12.513.5%。5、专用钢这类钢是指某些用于专门用途的钢种。它是以其用途名称的汉语拼音第一个字母表明该钢的类型，以数字表明其含碳量；化学元素符号表明钢中含有的合金元素，其后的数字标明合金元素的大致含量。例如滚珠轴承钢在编号前标以“G”字，其后为铬（Cr）+数字，数字表示铬含量平均值的千分之几，如“滚铬15”（GCr15）。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量为1.5%,其他元素仍按百分之几表示，如GCr15SiMn表示含铬为1.5%，Si、Mn均小于1.5%的滚动轴承钢。,钢中的常存元素、隐存元素及合金元素对钢性能的影响,通常所指的钢铁材料是钢和铸铁的总称，指所有的铁碳合金。在工业用钢中除铁、碳之外，还含有其它元素。分常存元素；偶存元素；隐存元素和合金元素。常存元素有锰、硅、硫、磷。偶存元素是由于矿石产地不同（有与铁共存的共生矿混入）及以废钢为原料，在冶炼及工艺操作时带入钢中，如铜、钛、钒、稀土元素等。隐存元素是指原子半径较小的非金属元素，如氧、氢等。合金元素是指为改变成分特别添加的元素，如铬、镍、钨、钼、钒等。碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。由于碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低，因此它是机械工程上应用十分广泛的金属材料。但碳钢也有某些不足之处，如淬透性较低、回火抗力较差、屈强比低。碳钢的强度潜力虽经热处理仍不能充分的发挥。合金钢是在碳钢的基础上，添加某些合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。合金钢用量虽少，但却非常重要。合金钢有较好的性能，但也有不少缺点。最主要的是由于含有合金元素，其生产和加工工艺比碳钢差，也比较复杂，价格也较昂贵。因此，在应用碳钢能够满足要求时，一般不使用合金钢。,锻造用原材料的化学成分分析,锻造用原材料的化学成分一般以熔炼分析为准，分析结果表示同一炉或同一罐钢液的化学成分。由于钢中元素偏析，成品分析的值可能超出标准规定的成分范围。金属材料化学成分和组织对塑性和变形抗力的影响非常明显而复杂。锻件塑性和变形抗力是决定塑性变形过程的一对基本矛盾；塑性反映金属塑性变形的能力，变形抗力反映金属塑性变形难易程度，塑性不好不一定变形抗力低，变形抗力低不一定塑性不好。,碳钢和合金钢中的化学成分元素对塑性和变形抗力的影响分析如下：、碳素钢中，Fe和C是基本元素；碳对碳素钢性能影响最大；碳能够固溶于铁形成铁素体和奥氏体，它们具有良好的塑性和很低的变形抗力，但当碳含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成化合物Fe3C。Fe3C很硬，塑性几乎为零，阻碍基体的塑性变形，降低碳钢的塑性。碳的含量增加，强度和硬度会提高，塑性、韧性会降低，但增加太多时，反而使强度降低。、合金钢中合金元素的影响、合金元素溶入固溶体（-Fe或-Fe）中，使铁原子晶格发生不同程度的畸变，钢的变形抗力增高，塑性降低。、合金元素与钢中的碳形成硬而脆的碳化物如：（Cr，Fe）23C6、（Cr，Fe）7C3、Mo2C、W2C、Fe4Mo2C、MoC、WC、VC、TiC等，使钢的变形抗力增高，塑性降低。碳化物对力学性能影响程度还与其形状、大小和分布情况有密切关系。Mo、Ti、V等元素形成的碳化物在钢中形成高度分散的细小颗粒，起着弥散强化的作用，在提高变形抗力的同时，塑性降低不多，而高合金钨钼钢（高速钢），由于晶界上含有大量的鱼骨状共晶碳化物，塑性很差。在热态下，大量碳化物溶入奥氏体，减弱了碳化物对钢的强化作用。但是，对那些含有大量W、Mo、V、Cr和C的高合金钢（如高速钢），在热成型温度范围内，并非全部碳化物都能溶入奥氏体中，同时加入大量合金元素溶入奥氏体会引起的固溶强化作用，使其高温抗力要比同碳量的碳高得多，塑性也差得多。,、合金元素改变钢中相的组成，造成组织的多相性，从而使钢的塑性降低，变形抗力增高。如：铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢均为单相组织，在高温时具有良好的塑性，但如成分调配不当，则会在铁素体中出现相，或在奥氏体钢中出现相。由于两相的高温性能和它们的再结晶速度差别很大，会引起锻造时的不均匀变形，从而降低钢的塑性。、合金元素在钢中的氧、硫形成氧化物或硫化物夹杂，造成钢的热脆性，给热锻带来困难。、合金元素影响钢的铸态组织和加热时晶粒长大的倾向影响钢的塑性。如：Si、Ni、Cr等元素会促使钢锭中柱状晶的成长，从而降低钢的塑性，给开坯锻、轧带来困难。V能细化铸造组织，提高钢的塑性。Ti、V、W等元素，对钢材加热时晶粒长大的倾向有强列的阻止作用，使晶粒细化，提高了高温塑性和抗力，而Si、Mn、Mo等元素，会促使奥氏体晶粒长大，使钢材加热时易于过热而降低塑性。、合金元素一般使钢的结晶温度提高，再结晶温度降低，因而使钢的硬化倾向增加。、若钢中含有低溶元素（如Pb、As、Bi、Sb等）时，这些元素都不溶于基体金属，而以纯金属相存在于晶界，造成钢的热脆性。,、杂质元素的影响P、S、N、H、O等元素在钢的存在，会降低钢液的纯度，不同程度影响钢的塑性和变形抗力。、磷（P）能溶于铁素体中，其固溶强化能力很强。磷溶于铁素体后，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低。由于磷在铁中的溶解度随温度而改变，导致脆性转变温度提高，发生冷脆。所以磷的含量限制在0.085%以下。此外，磷具有极大的偏析倾向，并促使奥氏体晶粒的长大。、硫（S）在钢中的溶解度很小，钢锭凝聚过程中，硫聚集于最后凝固的部位，形成硫化物夹杂，严重影响钢的塑性。当硫以FeS形式存在时，FeS与Fe形成易熔共晶体，其熔点为985，分布于晶界。当钢在8001200锻造时，由于晶界处的硫化铁共晶体塑性低或发生熔化，而导致锻件开裂，这种现象称为热脆性。这种钢必须在1000以上长时间退火扩散，才能锻造。若钢中含有足够数量的锰，可以消除硫的有害作用，硫的含量限制在0.07%以下。,、氮(N)在590时，溶解于铁素体中的量约为0.1%，但在室温时，则降致0.001%以下。当氮含量较高的钢自高温较快的冷却时，铁素体中的氮呈过饱和状态，随后在室温或稍高温度下，氮将以Fe4N形式析出，使钢的强度、硬度增高，塑性、韧性显著降低，发生时效脆性。、氢在钢中的溶解度随温度的降低而下滑。当氢含量较高的钢锭经锻、轧后较快冷却时，从固溶体中析出的氢原子来不及向钢坯表面扩散，而集中在钢内缺陷处形成H2，产生相当大的压力。这种压力在组织应力和温度应力的共同作用下，引起氢脆，出现细微裂纹，即白点，使钢的塑性大大降低。、氧在铁素体中的溶解度很小，主要以Fe3O4、FeO、MoO、Mn3O4、SiO2、Al2O3等夹杂物形式存在于钢中，氧化物熔点高、硬而脆，通常分布于晶粒边界，会严重影响钢的塑性，降低疲劳强度。氧化铁还会与其它夹杂物(如FeS)形成易熔共晶体，分布于晶界，造成钢的热脆性。,、组织的影响相同的化学成分，组织不同，塑性和变形抗力也会有很大的区别。、单相组织（纯金属或固熔体）比多相组织塑性好、抗力低。多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时由于两相机体间的机械分割，使塑性降低，变形抗力增高。若金属内两相的变形性能相近，则金属的塑性为两相平均值。当两相性能差别较大时，如一相塑性好，而一相硬而脆，则变形主要在塑性好的相内进行，另一相对变形起阻碍作用。、晶粒细化有利于提高塑性，但也提高了变形抗力，因为细晶粒金属的变形不均匀性和由此引起的应力集中均较小，故开裂的机会也较小，断裂前所能承受的塑性变形量较大。、铸造组织由于具有粗大的柱状晶和偏析、夹杂、气泡、疏松等缺陷，会降低金属的塑性，因此采用合理的冶金工艺和浇注方法，获得优质钢锭，对顺利锻造大型锻件是十分重要的。钢液真空处理、真空脱氧、电渣重熔、保护浇注等新工艺。、钢锭经热变形后，打碎了粗大的柱状晶粒，并通过再结晶获得较细的等轴晶粒，锻造了钢锭内部的孔隙，从而提高了金属的致密度。同时，破碎了碳化物及非金属夹杂物并改善了其在金属中的分布，因而大大提高了金属的塑性和强度。,10吨钢锭采用碱性电弧炉冶炼，保证钢液的化学成分符合钢种要求，提高了钢液纯净度，最大限度的减少硫、磷、非金属夹杂物及气体的含量,钢锭的内部结构,钢锭内部组织结构，取决于浇注时钢液在钢锭模内的结晶条件，即结晶热力学与动力学条件。钢液由模壁向锭心和底部向冒口逐渐冷凝选择结晶，从而造成钢锭的结晶组织、化学成分及夹杂分布不均匀。10吨标准钢锭的尺寸规格和结晶分层特征图如下：,、细晶粒层（激冷层）由于钢液接触模壁冷凝速度快，产生大量晶核，表面首先凝固成细小的等轴晶粒层。、柱状晶区表面细晶粒层形成后，锭模温度上升，散热速度减慢，晶粒开始沿着与模壁垂直方向发展，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，柱状晶区的夹杂及缺陷较少。、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，散热速度更加减慢，加以杂质和气体的上浮的运动作用，形成晶轴偏离柱状晶体方向的倾斜树枝晶区，并且形偏析区也在这一区间形成。,、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。在此区间的上部出现V形偏析，下部出现负偏析，夹杂与疏松等缺陷较多。、沉积锥底部的钢液凝固快，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，在此过程中，由于周围钢液形将凝固，并且钢液补缩能力较小，所以沉积锥的组织疏松，氧化物夹杂多，在化学成分上构成负偏析区。、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，最后凝固的区杂质多，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，其周围存在大量的疏松。钢锭底部和冒口占钢锭重量的57和1825。,钢的冶炼缺陷（冶金缺陷）,冶金缺陷通常是指冶炼过程中和浇注钢锭过程中产生的缺陷，它们存在于钢锭中，很容易被带入后续加工（例如锻造、轧制、挤压等）的产品中，成为危及产品使用性能的隐患。钢锭中常见的缺陷有：、夹渣主要是冶炼炉炉膛中的耐火材料衬墙崩落、剥落或甚至坍塌而卷入钢液中，或者炉料中带入的非金属杂质以及熔炼过程中生成的熔渣未清除干净而留在钢液中等，以至带入钢锭体内。、异金属夹杂冶炼炉料中混入了非该冶炼金属成分的金属元素材料，或者虽然是该金属成分元素但未能完全熔化而单独残留下来，或者冶炼时的脱氧剂（例如锰铁、硅铁、铝块等）未完全熔化而残留下来等等，它们在钢锭就称为异金属夹杂。、非金属夹杂物这主要是指冶炼时氧化与脱氧过程中化学反应的产物，例如氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及硅酸盐等，它们未随熔渣排掉而残留在钢锭内。,、偏析这是金属冶炼或浇注时形成的成分不均或组织不匀的表现，按其形态可分为树枝状偏析、区域偏析等类型。树枝状偏析通过锻造与锻后热处理可以消除。、气孔钢液中的气体（包括冶炼反应过程中产生的，或者是浇注时吸气产生的）在凝固前未能逸出而留存下来，表现为含有气体的孔洞或空穴、孔隙。氧化物、氮化物、氢白点、氢脆。真空。、缩孔（钢液比重7）在锭模中的金属液体凝固时，各部分的冷却速度是有不同的，因此结晶也就有先后，体积收缩也不同，锭中心部分是最后冷却，可是得不到适当的液体金属补充，结果就会形成集中的空穴或孔洞，称为缩孔或缩管，位于锭模上面冒口部分的缩孔称为一次缩孔（简称缩孔），位于锭体内部中心处的则称为二次缩孔。,、疏松金属液体在锭模中冷却凝固的过程中，由许多杂质和气体聚集形成的显微孔隙，这是金属组织不致密的表现，多出现在锭体的中心或中、上部（最后凝固的部位）。视其分布的特点，可以分为一般疏松（分布在锭体的几乎整个纵截面上，通常可以通过后续的锻造加工弥合消除），中心疏松（集中在锭体纵截面的中心部位，即锭体最后结晶的粗大等轴晶区域）。锻造变形程度、锻透消除。、裂纹金属液体冷却凝固结晶过程中，由于各部分的冷却速度不同而产生的冷却收缩应力不均衡，有可能形成锭体开裂或者内部裂纹，特别是锭体的轴心晶间裂纹（显微裂纹）。、杂质成分的影响对于钢而言，钢锭中含有的有害杂质成分会影响钢的性能，例如硫含量高了容易导致钢的热脆性，在后续的热加工过程中容易发生热裂现象，在冶炼过程中硫容易与氧结合生成二氧化硫气体，导致气孔和疏松的产生。又例如磷含量高了容易导致钢的冷脆性，在钢锭冷却凝固过程中，或者后续热加工后的冷却过程中产生冷裂。此外，氧、氢、氮等的存在则容易造成金属的塑性降低、产生脆性等等。,原材料的质量控制,6.1原材料和坯料进厂后需经材料检验部门复验，锻造用的棒材及锻坯，都必须有复验合格报告单，复验合格的原材料应有复验印记，不合格料应做出明显的标记。6.2合格料、待检料、不合格料应有明显标记，且应分区存放，严禁混料。6.3 合格料的入库、出库必须有严格的管理制度。,4.1供方的评价及选择条件,4.1供方的评价及选择条件对采购、委外产品的供方，物资、经营部主管组织相关部门及有关人员进行调查、评价以防止盲目采购；调查和评价内容包括生产规模、设备条件、人员素质和产品质量水平及财务状况等。调查时填写供方调查表。合格供方应具有：a、足够的质量保证能力。b、能满足数量和交货期的要求。C、价格合理，服务良好。确定供方是否有足够的质量保证能力，可采用以下方法。其中A类物料应具备两种或两种以上的方法。B类物料只需一种方法。a)对产品样品的质量进行评估。,b)对比类似产品的历史情况。C)对比其它使用者的使用经验。4.2供方评审内容及步骤由物资部主管组织召集相关部门、技术部、质检部及采购员对供方的质量保证能力，供货能力及服务进行评审及考核。根据调查情况，取得相关证据，填写供方评价表。4.2.2 A类物料合格供方资格的确定，需经各分厂主管厂长，批准后生效。4.2.3 B类及外协件、外包工程由物资部及经营部各自建立合格供方档案，编制合格供方名录，提交资格评审意见，由分厂主管厂长审批。经确认的合格供方，由物资部建立合格供方档案，必要时可签订采购质量保证意向合同，由分厂主管厂长审批。采购人员必须按照已审批的合格供方名录范围内选择进行采购活动。经确认的合格供方，由经营部建立合格分承包方档案，委外的外协件，外包工程必须签订委外协作合同，提交分厂主管厂长审批。经营部业务员必须按照已审批的合格供方名录范围内进行委外活动。,4.3供方的控制对供方的资格评审应定期进行。周期不超过一年，每年底，对下一年度合格供方进行评审，评审结果不合格应取消其合格供方资格。根据业绩档案也可增加。物资部建立物料供应能力和业绩挡案.经营部建立外协件、外包工程供方能力和业绩挡案。5附录 供方调查表GZS/QR7402-01 供方评价表GZS/QR7402-02 合格供方名录GZS/QR7402-03,谢谢！辛苦了！,