锻造是什么意思

分类与概述

锻造按成形方法可分为开式锻造（自由锻）和闭模式锻造：开式锻造利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁（砧块）间产生变形以获得所需锻件，主要有手工锻造和机械锻造两种；闭模式锻造是金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件，可分为模锻、冷镦、旋转锻、挤压等。按变形温度锻造又可分为热锻（加工温度高于坯料金属的再结晶温度）、温锻（低于再结晶温度）和冷锻（常温）。锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、钛、铜等及其合金，材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属等。金属在变形前的横断面积与变形后的横断面积之比称为锻造比，正确地选择锻造比对提高产品质量、降低成本有很大关系。

锻造基本上是一种在冲击或压力下使金属成形的工艺，可经济地生产出性能得到改善和所需形状的锻件。这种受控塑性变形可通过基本上与挤压、镦锻及冲压有关的几种锻造方法中的任何一种方法来实现，这些方法能以热锻、温锻或冷锻实施。在实际锻造过程中，金属的塑性变形主要受工件的变形程度（应变）、变形速度（应变率）和温度的影响，其它起很大作用的因素有零件外形、模具设计、润滑以及设备和操作的类型。所选择的特定锻造方法取决于生产的数量、材料特性及零件外形等因素。锻造工序一般始于坯料准备（切割、清理、检查和加热），生产工序可包括在最终精锻之前对材料进行粗成形的工序，某些预成形工序则需要采用不同的设备。

变形温度与锻造类别

钢的开始再结晶温度约为 727℃，但普遍采用 800℃ 作为划分线，高于 800℃ 的是热锻；在 300～800℃ 之间称为温锻或半热锻；在室温下进行锻造的称为冷锻。用于大多数行业的锻件都是热锻，温锻和冷锻主要用于汽车、通用机械等零件的锻造，可以有效地节材。根据锻造温度可以分为热锻、温锻、等温锻造和冷锻；根据成形机理，锻造可分为自由锻、模锻、碾环、特殊锻造。

热锻：在高于坯料金属的再结晶温度上加工，主要特点是减少金属变形抗力、减少坯料变形所需锻压力、使锻压设备吨位大为减少；改变钢锭的铸态结构，在热锻过程中经过再结晶，粗大的铸态组织变成细小晶粒的新组织，并减少铸态结构缺陷、提高钢的机械性能；提高钢的塑性，对一些低温时较脆、难以锻压的高合金钢尤为重要。温锻：工程上的定义是在低于材料临界点但又有足够高的温度以大幅度降低材料屈服强度的情况下实施锻造——材料在获得类似冷锻的零件公差和光洁度的同时还保留大部分从热锻中获得的改善了的物理状况和强度。温锻可降低模具负荷、因而可采用较小的机器，但由于存在高于热锻时的材料流动应力、须采用较低的冲头速度；大多数应用场合下所用润滑剂含石墨、与热锻作业相似，大多数温锻工艺采用感应加热。温锻工艺的应用正在不断增加，生产的零件有航空零件、齿轮、齿条、农业机具和医疗器械。等温锻造：材料和模具被加热至大致相同的温度，高温合金的等温锻造是一项收效良好和被广为接受的生产工艺，需要有能在高温下保持其强度的特殊模具材料。等温锻造通过消除模具急冷现象而具有许多潜在优点——锻件可加工成具有比传统锻造更紧的公差，可利用液压锻压机的较慢滑块速度降低锻造材料的应变速度和流动应力；缺点是需要昂贵的模具和工具、均匀而可控制的加热以及模具周围需有惰性气体气氛以防止氧化，工艺本身速度较慢、成本高于普通锻造工艺。冷锻：定义为环境温度下没有超过屈服强度极限的锻造，具有提高强度、更紧的公差、较小的拔模斜度而且几乎没有收缩等优点；由于不需要对材料预加热，润滑、操作和后处理也与热锻不同。实际生产中采用挤压（正挤压、反挤压和横向挤压）、顶锻、精压和径向锻造等工艺，一般说来对称的或空心零件最适合于冷锻，适合的材料包括低碳钢、中碳钢、铝合金、某些不锈钢和钛合金。

自由锻造

自由锻造的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转等，辅助工序包括压钳口、压肩等，精整工序应在终端温度以下进行（如清理锻件表面凸凹不平部位和整形等）。拔长：也称延伸，能使坯料横断面积减小、长度增加，锻造杆、轴类零件经常使用；方法主要分两种——在平砧上拔长、在芯棒上拔长，应用芯棒拔长能够使空心坯料增加长度、减少壁厚、内径保持原状，锻造套筒类长空心零件经常采用。镦粗：将毛坯高度减少、横截面积增加的锻造工序，主要应用在锻造齿轮坯、圆饼式锻件上，能够有效改善坯料组织、减小力学性能的变异，反复进行镦粗与拔长能改善高合金工具钢中碳化物的形态和状态分布；主要有完全镦粗、端部镦粗、中间镦粗三种形式。冲孔：在坯料上冲出透孔或不透孔，方法主要分双面冲孔法（冲至 2/3～3/4 深度时拔出冲头、翻转坯料、反面对准位置冲出）和单面冲孔法（把坯料放在垫环上、将稍带锥度的冲头大端正对孔位打入）。弯曲：使用一定工模具把坯料弯成所需外形，经常采取锻造锤压紧弯曲法和垫模弯曲法。切割、错移与锻接：切割是把坯料分割成几部分或部分分割开、或把外部/内部分割掉一部分；错移是把坯料的一部分相对另一部分平行错开一段距离但保持轴心平行，常用于锻造曲轴零件；锻接是把坯料放入炉内高温加热后、使用锻造锤快速击打实现两者固态结合，接缝强度可达被连接材料强度的 70%～80%。扭转：把毛坯材料的一部分相对另一部分环绕其轴线旋转一定角度，大多用于锻造多拐曲轴和校正锻件。

自由锻工艺规程的制定：①依据零件图设计绘制锻造零件图（零件图+锻件余量+锻件公差+余块组成锻造零件图）；②计算坯料质量（M坯=M锻+M烧损+M切+M芯）；③坯料尺寸计算（坯料质量÷材料比重=坯料体积）；④挑选锻造工序、确定锻造温度；⑤合理选择及确定锻造设备；⑥规范相关技术要求、编写工艺卡等。自由锻造软件具有自动计算、特殊图形与工艺制作、准确的材料利用率、多级台阶轴优化和法兰胎膜制作、减少材料浪费、强大的自动计算和数据功能、方便管理、升级功能、操作简单等特点。

模锻与其他锻造

模锻：分为开式模锻和闭式模锻，金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件，一般用于生产重量不大、批量较大的零件，可分为热模锻、温锻和冷锻（温锻和冷锻是模锻的未来发展方向）；按材料可分为黑色金属模锻、有色金属模锻和粉末制品成形；挤压应归属于模锻，可分为重金属挤压和轻金属挤压。闭式模锻和闭式镦锻属于模锻的两种先进工艺——由于没有飞边，材料利用率高，用一道或几道工序就可能完成复杂锻件的精加工；由于没有飞边，锻件受力面积减少、所需荷载也减少，但应注意不能使坯料完全受到限制，要严格控制坯料体积、控制锻模相对位置和对锻件进行测量、努力减少锻模磨损。碾环：通过专用设备碾环机生产不同直径的环形零件，也用来生产汽车轮毂、火车车轮等轮形零件。特种锻造：包括辊锻、楔横轧、径向锻造、液态模锻等，适用于生产某些特殊形状的零件——辊锻可作为有效的预成形工艺、大幅降低后续成形压力；楔横轧可生产钢球、传动轴等零件；径向锻造可生产大型炮筒、台阶轴等锻件。

锻造用材与工艺流程

锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金，材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。一般中小型锻件都用圆形或方形棒料作为坯料（晶粒组织和机械性能均匀、良好，形状尺寸准确、表面质量好，便于组织批量生产）；铸锭仅用于大型锻件（铸态组织有较大的柱状晶和疏松中心，必须通过大的塑性变形将柱状晶破碎为细晶粒、将疏松压实）；经压制和烧结成的粉末冶金预制坯，在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件（密度接近一般模锻件、精度高、可减少后续切削加工，但粉末价格远高于一般棒材）；对浇注在模膛的液态金属施加静压力使其在压力作用下凝固、结晶、流动、塑性变形和成形，可获得所需形状和性能的模锻件（液态金属模锻是介于压铸和模锻间的成形方法，特别适用于一般模锻难于成形的复杂薄壁件）。

不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料→锻坯加热→辊锻备坯→模锻成形→切边→冲孔→矫正→中间检验（检验锻件尺寸和表面缺陷）→锻件热处理（消除锻造应力、改善金属切削性能）→清理（主要去除表面氧化皮）→矫正→检查（一般锻件经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤）。

锻件特点

与铸件相比，金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能——铸造组织经过锻造热加工变形后，由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能；此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致、金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命——采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的。

不同设备的锻造与二次作业

锤锻：通常需要锤击多次以获得所需外形——在自由锻中全部或部分所需锤击都使用同一副模子，在模锻中对具有数个模膛的每一个通常都要锤击一次或多次；产品质量、经济性及生产率有赖于操作人员技巧和模具，操作人员技巧在自由锻造中也起主要作用。压力机锻造：模具变得更为重要、操作人员技能则不那么重要，锻造工序是粗锻和终锻（有时进行预成形、冲孔或切边），工件在每个模腔中通常只锻压一次。顶锻：可生产许多外形不同的零件（成品零件如螺栓、插孔和轴，或用于预成形如喷气发动机叶片以及二次工序如曲轴法兰），可以纵向和横向同时或按次序进行锻造，模具和冲头运动可以在同一个顶锻工序中完成折弯、开槽、型锻、剪切和切边。滚锻：类似于滚轧作业，可缩减加热棒材或钢坯的横截面积，工件由两个以相反方向旋转的动力辊进行挤压，辊锻模可开型槽以使坯料分布至所需位置。轧环：是一个古老的热成形工艺，具有单一的环形晶粒流向、易于制造以及在材料/尺寸/重量/几何形状方面都具有多方面适应性，许多设备可生产无缝滚压环，制造成本往往低于类似的模锻件。二次作业：包括切断（冷切割或热切割，高质量锻件要求切割更精确、尺寸准确、变形及重量差异小）、切边（通过剪切锻件上多余金属或飞边完成）、弯曲、冲孔（通常在最终锻造工序之前运用于锻件内部，往往需要精压作业校正和精整）、精压（模锻作业中的校正及最终锻造工序，对锻件全部或一部分施压以形成紧公差和更平整表面）、旋转锻造（基本粗锻工艺，用于整平坯料或缩减实心棒材或管材直径）。

精密锻造、设备选择与原材料

精密锻造：是从生产较多净形尺寸和接近于净形锻件的传统锻造工艺发展而来，几乎可以免除拔模斜度和机加工留量，分型线可以多样化，从而具有比传统工艺更多的几何特性；无飞边锻造则是精密锻造工艺的进一步扩展。大多数精密锻件被设计成能免除机加工或将机加工减少至最低限度，主要目的是以低于普通锻件和机加工件、或低于全部用机加工的工件的成本生产出成品或接近于成品的零件。控制锻造工艺、模具温度、锻造压力及模具润滑等参数对成功实施精密锻造非常重要。设备选择：锻造设备可分为载荷约束设备（液压锻压机）、冲程约束设备（机械锻压机和设备）、能量约束设备（锻锤和螺旋锻压机），选择时须考虑力和能方面的性能、变形速度、投资成本、利用设备和模具技术的经验、操作人员技能及保养要求、所需精度、噪音、生产率和准备时间等。原材料：锻造原材料种类分为铸锭、轧材、挤材及锻坯，后三项虽然同为铸锭经过初加工后的半成品，但市场上轧钢的料价要比锻坯便宜得多——如果大齿轮类大型锻件选用铸锭或轧钢就比选用锻坯降低成本。

大型锻件的锻造

锻造消除或改善钢锭内部缺陷的主要目的有两个："成形"和"改性"——前者将坯料变形到锻件所需的形状，后者通过改变坯料的微观组织使锻件的力学性能达到要求。基本锻造工序是镦粗和拔长，通过这两个工序能够改善坯料内部的疏松或孔洞等缺陷、获得均质致密的微观组织，从而提升锻件的塑性和力学性能。镦粗：是材料塑性加工的基本变形方式，能够改善铸态组织、消除铸造缺陷；传统镦粗工艺容易出现鼓形、应力应变分布不均、缺陷难以锻合等问题，研究较多的型砧镦粗工艺（包括锥形板、碟形板、球形板、M 形板等）在一定程度上能够改善上述问题；扭转镦粗工艺将锻件与模具的摩擦力转化成利于锻件变形的剪切应力，成为新的研究热点。拔长：是将坯料增加长度、减少横截面积同时改善锻件内部质量的主要锻造方法，对于大型锻件拔长的主要作用是改善内部质量；传统拔长工艺最常用的方法有 FM 法、WHF 法和 JTS 法等，这些方法锻件内部会形成方向性明显的纤维组织、锻件与上下砧接触区域存在难变形区；型砧拔长通过改变砧子形状能够控制锻件内部纤维流向、改变轴类锻件的力学异向性，V 型砧、梯型砧、凸面锥型砧都能起到这种作用。

节能方案

工艺选择：传统锻造工艺大多采用现成钢材生产，而这些钢材都是通过消耗大量能源所得，如采用液态模锻、粉末锻造等技术可节省很多环节、节能效果显著；进行锻件工艺分析及确定锻造方式时，既要满足技术要求又要考虑经济效益——对选用自由锻工艺应优先考虑型砧锻造、以压代锻等较先进工艺；选用模锻工艺要尽量采用多模膛锻造、多向锻造，或采用联合生产工艺（如锤与压力机联合、压机与压机联合）；对于形状简单的轴类、板条类锻件应优先考虑一坯多件锻造。材料选用：合理选择材料（钢的类别对加热能耗影响很大，不同材料有不同的允许加热速度、各加热阶段加热速度也不同）；尽量选用规格原材料（选择太小要先镦粗、太大要先拔长，都将增加载能体能耗）；锻件尽量避免"肥头大耳"（不但浪费材料、降低工效，燃料消耗也增加）；确保终锻温度、尽力降低始锻温度（碳素钢锻造温度范围宽，一般自由锻件终锻温度都在 1000℃ 以上有些偏高；奥氏体类不锈钢无同素异晶转变，若终锻温度太高晶粒易粗大、热处理也无法消除，采用降低始锻温度的办法不但节能还能改善锻件质量）。

锻后热处理及余热利用：锻件热处理目的是调整锻件硬度、消除内应力、改善内部组织、细化晶粒。常规做法是当锻件冷却到室温后再重新加热进行热处理，既浪费了锻件余热、又浪费加热炉炉体余热，为此可采用：①利用锻件余热正火、退火——单工序正火退火适于只进行正火退火的大型自由锻件；替代回火前的正火退火做法是终锻结束后锻件放入专用保温箱、加盖保温 3—4h 后出箱空冷，再装入台车电阻炉进行高温回火处理，不计其他费用节约，仅重油一项每班可节约 1300kg。②充分利用锻造加热炉余热——适于小件，利用加热炉余热可达到与油炉加热、保温、炉冷空冷一样的热处理效果，每班可节约重油 1250g。③采用形变热处理工艺——根据锻压变形温度高低可分为与热锻、温锻、冷锻相结合的形变热处理三类，节能效果好，但因受设备、工艺条件限制，对形状复杂、需再进行切削或焊接加工的零件不适用。