锻造镦粗过程中常见的缺陷和对策

     低塑性坯料镦粗时常易在侧表面产生纵向或呈45°方向的裂纹（图1、图2）锭料镦粗后上、下端常残留铸态组织等。另外，高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲，并可能发燕尾服成折叠等。

      裂纹和残留铸态组织是由于镦粗时的变形不均匀造成的。按变形程度大小大致可分为三个区（图3）。第Ⅰ区变形程度最小，第Ⅱ区变形程度最大，第Ⅲ区变形程度居中。在常温下镦粗时产生这种变形不均匀的原因主要是工具与坯料端面之间摩擦力的影响，这种摩擦力使金属变形困难，使变形所需的单位压力增高。从高度方向看，中部部分（Ⅱ区）受到的摩擦影响小，上、下两端（Ⅰ区）受到的影响大。在接触面上，由于中心处的金属流动还受到外层的阻碍，故愈靠近中心部分受到的摩擦阻力愈大（即σ2、σ3大）变形愈困难。由于这样的受力情况，所形成的近似的锥形的第Ⅰ区比第Ⅱ区变形困难，一般称为困难变形区。 

      在平板间热镦粗坯料时，产生变形不均匀的原因除工具与毛坯接触面的摩擦影响外，温度不均也是一个很重要的因素。与工具接触的上、下端金属（Ⅰ区）由于温度降低快，变形抗力大，故较中间处（Ⅱ区）的金属变形困难。

      由于以上原因，使第Ⅰ区金属的变形程度小和温度低，故镦粗锭料时此区铸态组织不易破碎和再结晶，结果仍保留粗大的铸态组织。而第Ⅱ区由于变形程度大和温度高，铸态组织被破碎和再结晶充分，从而形成细小晶粒的锻态组织，而且锭料中部的原有孔隙也被焊合了。

      由于第Ⅱ区金属变形程度大，第Ⅲ区变形程度较小，于是第Ⅱ区金属向外流动时便对第Ⅲ区金属作用有压应力，并使其在切向受拉应力。愈靠近坯料表面切向拉应力愈大。当切向拉应力越过材料当时的强度极限或切向变形越过材料允许的变形程度时，便引起纵向裂纹。低塑性材料由于剪切的能力弱，常在侧表面产生45°方向的裂纹。

      由上述可见，镦粗时的侧表面裂纹和内部组织不均匀都是由于变形不均匀引起的。镦粗时产生这种变形不均匀的原因，一是工具与坯料接触面的摩擦影响；二是与工具接触的部分金属由于温度降低快，σs较高，因此，为保证内部组织均匀和防止侧表面裂纹产生，应当改善或消除引起变形不均的因素或采取合适的变形方法。通常采取的对策是：

1.使用润滑剂和预热工具

      镦粗低塑性材料时常用的润滑剂有玻璃粉、玻璃棉和石墨粉等，为防止变形金属很快地冷却，镦粗用的工具均应预热至200～300℃。

  2.采用凹形毛坯

      锻造低塑性材料的大型锻件时，镦粗前将坯料压成凹形（图4a），可以明显提高镦粗时允许的变形程度。这是因为凹形坯料镦粗时沿径向有压应力分量产生（图4b、c），对侧表面的纵向开裂起阻止作用。

                        图4  凹形坯料镦粗时的受力情况 

3.采用软金属垫

      热镦粗大型和较大型的低塑性材料锻件时，在工具和坯料之间放置一块温度不低于坯料温度的软金属垫板（图5）。由于放置了这种易变形的软垫（一般采用碳素钢），变形金属不直接受到工具的作用。由于软垫的变形抗力较低故先变形并拉着坯料作径向流动，结果坯料的侧面内凹（图4b），当继续镦粗时软垫直径增大，厚度变薄，温度降低，变形抗力增大，而此时坯料明显地镦粗，侧面内凹消失，呈现圆柱形，再继续镦粗时，可获得程度不太大的鼓形。

      由于镦粗过程中坯料侧面内凹，沿侧表面有压应力分量产生，因此产生裂纹的倾向显著降低。又由于坯料上、下端面部分也有了较大的变形，故不再保留铸态组织了。

             图5  采用软金属垫板镦粗时坯料变形过程图

4.采用铆镦、叠镦和套环内镦粗

      （1）铆镦

      高速钢坯料镦粗时常因出现鼓形而产生纵向裂纹，为了避免产生纵向裂纹常采用铆镦。铆镦就是预先将坯料端部局部成形，再重击镦粗把内凹部分镦出，然后镦成圆柱形。对于小坯料可先将坯料斜放、轻击，旋转打棱成图5的形状。对于较大的坯料可先用擀铁擀成图6的形状。

                        图5铆镦                  图6 用擀铁成形后的毛坯

      （2）叠镦

      叠镦主要用于扁平的圆盘锻件，将两件叠起来镦粗，形成鼓形（图7），然后各自换成图7的形状继续镦粗鼓形。叠镦不仅能使变形均匀，而且能显著地降低变形抗力。

      （3）在套环内镦粗

      这种镦粗方法是在坯料的外圈加一个碳钢外套（图8），靠套环的径向压力来减小由于变形不均而引起的附加拉应力，镦粗后将外套去掉。这咱锻造方法主要用于镦粗低塑性的高合金钢。

                图7  叠镦                      图8  套环内镦粗

5.采用反复镦粗拔长的锻造工艺

      反复镦粗拔长工艺有单向（轴向）反复镦拔、十字反复镦拔、双十字反复镦拔等多种变形方法。其共同点是使镦粗时困难变形区在拔长时受到变形，使整个坯料各较广（见各类金属材料锻件常见的缺陷和对策）。

      当坯料高度越过其直径的3倍时，镦粗时容易失稳而弯曲，尤其当毛坯端面与轴线不垂直，或毛坯有弯曲，或毛坯各处温度和性能不均，或砧面不平时更容易产生弯曲。弯曲了的毛坯如不及时校正而继续镦粗则要产生折叠。

      为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体毛坯高度与直径之比不应越过2.5～3。在2～2.2的范围内更好。对于平行六面体毛坯，其高度与较小基边之比应小于3.5～4。

      镦粗前毛坯端面应平整，并与轴心线垂直。

      镦粗前毛坯加热温度应均匀，镦粗时要把毛坯围绕着它的轴心线不断地转动，毛坯发生弯曲时必需立即校正。 

处变形都比较均匀。这种锻造工艺在锻造高速工具钢、Cr12型模具钢、铝合金和钛合金时应用