金属的冷热变形加工

一,概述

金属在常温下进行塑性变形会引起金属的加工硬化,变形抗力大,对于截面尺寸较大的工件在常温下变形是很困难的。而对于硬度较大或低塑性金属,如W、Mo、Cr、Mg、Zn等,甚至在常温下不可能进行塑性变形,必须在加热条件下进行变形加工。因此,实际生产中有冷变形加工和热变形加工。

冷变形加工与热变形加工不是根据变形时是否加热来区分的,而是以金属的再结晶温度为界限。在再结晶温度以下进行塑性变形称为冷变形加工。在再结晶温度以上进行塑性变形成为热变形加工。比如,铅的再结晶温度在3℃以下,在室温下对铅进行塑性变形加工已属于热变形加工;而钨的再结晶温度约为1200℃,即使在1000℃进行变形加工也属于冷加工。

二,冷变形加工

由于冷变形加工处于再结晶温度以下进行,如钢在常温下进行的冷冲压、冷轧、冷拔等,在塑性变形时金属不会伴随回复和再结晶过程,所以其组织和性能的变化是单向,会产生冷变形纤维组织和加工硬化现象。

由于冷变形加工工件没有氧化皮,立刻获得较高的公差等级和较小的表面粗糙度值,其强度和硬度较高。但由于冷变形金属存在残余应力和塑性差等缺点,所以常需要再结晶退火才能继续变形。因此,冷变形加工适用于截面尺寸较小,加工精度和表面质量要求较高的金属产品。

三,热变形加工

在热变形加工过程中,金属材料处于再结晶温度以上,如钢材的热锻和热轧等,金属金属一方面由于塑性变形长生加工硬化,另一方面由于回复和再结晶又使加工硬化消除,组织和性能的变化是双向的,因而热变形加工不会有加工硬化的现象。

由于金属在热变形加工时较易发生表面氧化现象,产品的表面质量和尺寸精确度不如冷加工。所以热加工主要用于截面尺寸较大、变形量较大的金属产品或半成品,以及脆硬性较大的金属材料的变形加工。

四,热变形加工对金属的影响

能消除铸态金属的一些缺陷。在热变形加工中,金属经塑性变形和再结晶,可使粗大的柱状晶粒或树枝晶变为细小均匀的等轴晶粒;在温度和压力的作用下,原子扩散速度加快,可消除部分偏析;可将铸锭组织中的气孔、疏松、微裂纹焊合;可改善夹杂物、碳化物的形态、大小与分布。因此,正确的热加工可使组织致密、成分均匀、晶粒细化、力学性能提高。图1为中碳钢(C:0.3%)铸态与锻态时的力学性能比较。

只要热变形加工的工艺条件适当,热变形加工工件的力学性能就高于铸件。所以,受力复杂、载荷较大的重要工件一般都是选用锻件而不选用铸件。但是,热变形加工工艺参数不当,也会降低热变形加工工件的性能。比如,加热温度过高,可能使热变形后的工件晶粒粗大、强度和塑性下降;如果热变形加工停止温度过低,则可能带来加工硬化、残余应力增加,甚至出现裂纹等现象。

能形成纤维组织(流线)。通过热变形加工,可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂的分布发生改变,使它们沿着变形的方向细碎拉长,并逐渐形成纤维状。这些夹杂物的纤维状分布特点在再结晶时不发生改变,在钢材的纵向截面上抛光和酸浸后,用肉眼或20倍放大镜可以看到一条条沿变相方向的细线,这种宏观组织称为热变形纤维组织,也称为流线。

热变形纤维组织会是金属材料的力学性能显各向异性,沿流线方向有较高的强度,沿着与流线垂直的方向有较高的剪切强度。在设计和制造机器零件时，必须考虑锻造流线的合理分布，使零件工作时的正应力与流线方向一致，并尽量使锻造流线与零件的轮廓线相符而不容易被切断。比如，锻造曲轴的合理流线分布可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直式曲轴不易断裂。对于切削加工成的曲轴，其流线被切断，分布不合理，易沿轴肩发生断裂。

易形成带状组织。对于亚共析钢经热加工后，常发现刚中的铁素体与珠光体线条状炎热变形方向大致平行交替排列分布，这种组织称为带状组织。它与铸态金属中的枝晶偏析或夹杂物沿加工方向拉长有关。钢材在热加工后的冷却过程中，铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂物延伸而成的条带中析出形成铁素体带，铁素体带之间的富碳奥氏体随后转变为珠光体带，从而形成带状组织。在高碳钢中的碳化物往往也显带状分布而形成带状组织，须采取改锻的办法予以消除。

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