铜是具有面心立方晶格的金属，没有同素异形转变，因此它在室温和高温下都具有高的塑性，可以进行冷热压力加工。在锻造生产中，铜质零件品种很多，有纯铜及铜合金（普通黄铜和硅黄铜等），有自由锻件和模锻件，有形状简单或形状很复杂的。在长期的实际生产中，存在着许多不同的质量问题，因锻造裂纹导致工件报废的案例不少。

 

    （一）铜合金锻造的铸锭

 

铜红冲及铜合金铸锭的宏观组织存在三个明显的结晶区域（图1.5.3）。髓着铸锭浇注温度及冷却速度的不同，铸锭中柱状晶区及等细晶区所古的比例是不同的。对于铜及铜合金来说，当其杂质含量较少时，铸锭具有比较发达的柱状晶区，塑性比较好，而且由于柱状晶组织致密，锻成的锻件质量较高。反之，如果杂质含量较多，柱状晶过分发达，则对锻造是不利的。因柱状晶区过分发达，甚至扩展到铸锭的整个截面，这样就会在柱状晶粒的交接处集中许多杂质和低熔点共晶体，该处成为铸锭的“弱面”。“弱面”的存在，易使铸锭锻造时沿“弱面”开裂（图1.5.4）。大多数铜合金的结晶温度范围较窄，易形成大

 

 

 

图1. 5.3立浇水冷圆形铜锭的低倍组织 

 

 

 

图1.5.4黄铜锭锻造时沿纵向“弱面”裂为两半

 

的集中的缩孔，若冒口设计不合理，缩孔会扩展到铸锭内部，若锻造或挤压时未被切尽，则会在半成品或锻件中留下“残余缩孔”。用普通方法浇注的铸锭，易产生这种缺陷。半连续浇注的铸锭没有形成这种缺陷的危险，因为铸锭的结晶条件好、铸锭很长，缩孔不可能留在铸锭上。

 

    铸锭作为大型锻件的坯料，在锻造前要进行均匀化退火，以改善塑性。铸锭表面若有裂纹、气泡、夹渣、结疤等缺陷应磨干净，或表面经车削（扒皮）后再进行锻造。用于自由锻造的铜合金铸锭，对冶金质量应有更高的要求，有害杂质的含量必须控制在很小的范围内（例如铅含量应不超过0. 01%）。否则，自由锻时由于拉应力的作用，容易在低熔点杂质聚集的地方产生裂纹。铜合金铸锭若作为模锻毛坯，经适当的制坯后可直接进行模锻，而不必像铝、镁合金那样，要经过自由锻反复镦拔后才能用于模锻。因为铜合金的组织不像铝、镁合金那样复杂，塑性也较高。

 

    （二）铜合金热变形温度

 

铜合金热变形温度如表1.5.5所示。

 

表1.5.5铜合金热变形温度

 

 

任务实施

 

    一、铜红冲及铜合金锻造工艺

 

    锻造工艺举例：锻件材料为7075合金，锻件重量0. 382kg;毛料规格φ45mm×150mm，毛料重量0.65kg。锻件模锻斜度为外7 °，内10 °，垂直尺寸公差+1.2；-0.7mm，残余毛边每边允许至1.8mm。Ⅲ类件，按A-A取低倍。

 

    工艺过程如下：

 

    (1)下料。采用砂轮切割机下料，车端面，倒圆角R5。

 

    (2)加热。采用电炉加热，炉温(450±10)℃，加热保温时间136min。

 

    (3)模锻。模锻设备为6300kN摩擦压力机，首先在锻模的镦粗台上将坯料压扁至H= 24mm，再在型槽内平放料进行模锻，并压2-3mm。

 

    (4)加热。炉温(450 +10)℃，加热保温时间为30min（第二火）。

 

    (5)模锻。压至尺寸。

 

    (6)加热。炉温(450 +10)℃，加热保温时间为10 - 15min。

 

    (7)热切边。

 

    (8)酸洗。按酸洗通用工艺规程进行。

 

    (9)热处理。按热处理工艺规程进行淬火、人工时效。

 

    (10)锻件修伤。

 

    (11)锻件检验。100%检查材料牌号、外形及表面质量；100%检查硬度(≥40HBS)；低倍检查。

 

    二、纯铜的红冲或锻造工艺

 

    以下为某企业纯铜的红冲或锻造工艺缺陷及改进措施举例：在过去的纯铜锻造生产中，曾因锻造裂纹导致大量工件报废。

 

    1．原始情况

 

    工件是材质为T2的圆环类自由锻件，有300多种，外径φ400 - 2265mm，内径φ300 - 2l00mm，厚度20 -125mm。工艺采用铜锭锻拔长条后，弯圈焊接成型。使用设备为燃油加热炉、7. 5kN空气锤和圆弯机。锻造温度为650 - 900℃，实际锻造温度凭经验判断。

 

    2．质量情况

 

    铜锭在7. 5kN锤上拔长时，锻3-5锤时，坯料表面开裂，纵向、横向裂纹都有，但多数为横裂。

 

    3．质量分析

 

    (1)化学成分分析。锻件因裂纹报废共10余吨，每批次都取样检测了化学成分，共取样11次。化学成分（质量分数）中Pb的平均含量超标0.021%、Bi的平均含量超标0. 0128%、Sb的平均含量超标0.0007%，杂质含量均严重超标。

 

    (2)金相分析。

 

1)少量非金属夹杂物分散分布，颗粒细小。

 

    2)金相组织为α-晶粒，大小不均匀，其平均直径d =0. 1mm，晶粒度相当于11 -12级。

 

    (3)铜锭剥皮后锻造发现仍有裂纹出现。

 

    (4)分析与结论。

 

    1)导致环在锻造时产生裂纹的主要原因是杂质元素（Bi、Pb、Sb等）超标。Bi、Pb、Sb等含量大大超过标准，这对铜的导电性和塑性都有影响，尤其是过量的Pb和Bi在铜中的溶解度很小，它们与铜形成Cu-Pb和Cu-Bi低熔点的共晶体(熔点相应为327℃和270℃)，呈网状分布于固溶体的晶界上，削弱了晶粒之间的联系，导致塑性骤然降低而开裂。

 

    2)次要原因是始锻温度控制不严和变形量过大。因为锻造温度是靠操作者凭经验看金属颜色来判断，实际锻造温度很难把握。始锻温度过高时，低熔点共晶体熔化使铜质锻件易于开裂，造成“热脆性”。

 

    3)在始锻时，变形量大，由于热效应，温度的增高也可使低熔点共晶体熔化，破坏晶粒间的结合，导致开裂。

 

    4．改进措施

 

    (1)铜锭改为圆铜棒，加强原材料检查，材料的化学成分必须符合GB 5231-2001的规定。

 

    (2)锻造温度确定为650 - 850qC，锻造温度的测量使用远红外线测温仪。

 

    (3)采用电炉加热。

 

    (4)始锻时，变形程度控制在10% -15%；

 

    (5)锤击应轻快，翻转自如以免热量散失。

 

    5．效果

 

    改进工艺及材料后的锻造生产中，基本消除了锻造裂纹，质量明显提高，合格率达95%以上。

 

任务总结

 

    铝合金锻造的相关工艺要求及规范制定。镁合金的锻造工艺、钛合金的锻造工艺、铜合金的锻造工艺，结合实际生产确定一种典型合金产品的工艺规范。