锻造工艺讲解：类型和技术

1.0锻造的定义及核心特征

锻造是一种利用局部压缩力对金属进行塑形的制造工艺。锻造通常使用锤子（通常是动力锤）或模具进行。锻造通常根据其温度分为：冷锻（一种冷加工）、温锻和热锻（一种热加工）。后两者通常需要在锻炉中加热金属。锻造件的重量范围从不到一公斤到数百吨不等。锻造工艺由铁匠们传承数千年；传统的锻造产品包括厨具、五金、手工工具、利器、钹和珠宝。

自工业革命以来，锻造零件广泛应用于机械设备中需要高强度部件的场合；此类锻件通常需要进一步加工（例如机加工）才能制成成品。如今，锻造已成为全球重要的产业。

2.0按锻造温度分类

温度分类的主要依据是金属的再结晶温度——原子重新排列形成新晶粒的临界点。基于此，锻造可分为热锻、温锻和冷锻。

2.1热锻

温度范围： 对于钢，通常为 950–1260°C（因不同的金属和合金而异）。
主要特点：
- 金属塑性优良，成形性能好，成形力小。
- 加工硬化被再结晶所抵消，导致内部应力较低。
- 可能会产生氧化皮，导致表面光洁度和尺寸精度降低。
应用： 大型锻件（例如轴、轮毂）的高强度合金的粗加工成形。适用于精度要求不高的批量生产。

2.2温锻

温度范围： 低于再结晶温度，但高于冷锻温度范围。对于钢，通常为 650-950°C。
主要特点：
- 与热锻相比，氧化皮极少或没有氧化皮，表面光洁度更好。
- 尺寸精度介于热锻和冷锻之间，成形力比冷锻低。
- 与热锻相比，成形性略有下降；需要精确的温度控制以防止开裂。
应用： 齿轮毛坯等中小型精密零件，对表面质量有要求，但不需要极高的冷锻精度。

2.3冷锻

温度范围： 对于钢，通常为室温至约 150°C；铝和铜在室温下进行冷锻，而 200-400°C 被视为温锻，以提高延展性并减少成形负荷。
主要特点：
- 无氧化，表面光洁度高，可达到±0.3毫米公差。
- 显著的加工硬化提高了屈服强度和抗疲劳性。
- 需要高成型力和坚固的设备；仅限于铝、铜和低碳钢等延展性金属。
应用： 精密紧固件（螺栓、螺钉）和小型结构部件（轴承环），必须直接满足装配公差。

3.0按芯片约束分类

根据锻造模具封闭的程度，锻造还可分为：开式锻造和闭式锻造。

3.1开式模锻（锻造）

工艺原理： 使用仅部分包覆工件的模具。加热后的金属通过反复锤击或压制成型，同时自由向外流动，需要手动重新定位。
优点： 模具结构简单，成本低，可生产大型或异形锻件。可定向晶粒流动，提高强度。适合小批量或定制化生产。
缺点： 依赖操作员，尺寸一致性差，加工余量高，材料利用率低。
典型产品： 大型轴、盘、块和定制工业零件。

3.2闭式模锻（压模锻）

工艺原理： 上下模形成与零件几何形状相匹配的型腔。预热的坯料在压力下填充型腔；多余的材料以飞边形式流出，随后被修整。无飞边锻造将型腔完全封闭，从而避免飞边。
优点： 尺寸精度高，重复性好，适合大批量生产。晶粒流动与零件几何形状一致，增强机械性能。
缺点： 模具设计复杂，工装成本高，无飞边锻造对坯料和润滑要求严格。初始投资高。
典型产品： 汽车零部件（连杆、齿轮）、工具零件、中小型精密结构件。

4.0按设备和操作分类

4.1落锤锻造

原则： 落锤锻造使用由蒸汽、液压、气动或电力驱动的锤子或撞锤，落到工件上使其瞬间变形。落锤锻造分为开模锻造和闭模锻造。开模锻造需要手动重新定位工件，而闭模锻造则允许多余的材料以溢料的形式流出。现代设备通常采用气动锻造动力锤提供可控的高频冲击，提高一致性并减少操作员疲劳。
应用： 非常适合制造轴类、农具和机械部件等中小型零件。开式模锻可以生产大型或不规则形状的零件，因为晶粒流动方向至关重要。
优点和局限性： 变形速度快，方向性强；但尺寸精度取决于操作者的技术，且闭式模锻需要进行飞边修整。

4.2压力锻造

原则： 压锻采用缓慢、持续的压力而非冲击，使金属变形均匀。压锻可以使用机械或液压机的开模或闭模进行。
应用： 适用于大型或复杂的部件，包括曲轴、连杆和需要均匀应变分布的结构部件。
优点： 通过加热模具控制变形、改善表面光洁度、提高细节精度。
限制： 比落锻速度慢且初始设备成本较高。

4.3镦锻

原则： 在镦锻过程中，棒材或坯料被轴向压缩，长度缩短，直径增大。多腔模具可实现特征的连续成形。
应用： 紧固件（螺栓、螺钉）、发动机阀门、联轴器以及其他需要扩径的零件。高产量生产线每分钟可生产数十至数百个零件。
笔记： 通常集成到现代生产中的紧固件自动化系统中。

4.4自动热锻

原则： 自动化热锻生产线集加热、除氧化皮、剪切和锻造于一体，涵盖多个工位。无飞边工艺可最大限度地减少材料浪费并提高效率。
应用： 大批量生产汽车零部件等中小型对称零件。
优点和局限性： 高产量，质量稳定；生产率和公差取决于零件的几何形状。设备投资高达数百万美元，生产线通常设计用于生产小型对称零件。

许多现代 数控辊锻机 用于自动热锻生产线，以控制精确变形并确保大批量的可重复性。

4.5辊锻

原则： 加热后的棒材穿过带槽辊，厚度减小，工件伸长。多次轧制或更换轧辊，最终达到最终形状。
应用： 轴、轮轴、弹簧和工具毛坯。
优点： 无飞边，晶粒流动均匀，适合细长部件的连续生产。

数控辊锻机 提供对辊速、间隙和坯料旋转的精确控制，确保尺寸一致性和可重复的晶粒流动。

4.6环轧

原则： 环轧工艺通过在轧辊之间挤压空心坯料来生产无缝环。环的内径不断扩大，同时壁厚得到控制。环的尺寸范围从小型工业环到大型风力涡轮机基座。
应用： 轴承座圈、法兰、大型结构环。
优点和局限性： 材料效率高，晶粒流沿周向排列；需要预制空心坯料。

先进的 数控环件辗压机 和 径向和轴向环件轧制机 提供对环扩张、心轴旋转和壁厚的自动控制，从而实现复杂环的近净成形生产。

4.7等温锻造

原则： 模具和坯料保持在几乎相同的温度以减少开裂并允许均匀变形。
应用： 难变形合金、涡轮叶片等航空航天部件。
优点： 出色的微观结构控制和减少的缺陷形成。
限制： 需要专门的模具和精确的温度控制；循环速度比传统的热锻慢。

4.8感应锻造

原则： 电磁感应在锻造之前快速局部加热钢坯，通常与落锤锻造或压锻相结合。
应用： 需要局部高温变形的汽车和航空航天部件。
优点： 高效加热、减少规模、工艺一致；对加热区域的精确控制。
限制： 设备投资高；受工件尺寸和线圈设计的限制。

5.0锻造辅助工序

锻造部件的最终性能不仅取决于成形操作本身，还取决于一系列旨在优化冶金质量的辅助工艺。关键的辅助技术包括退火、回火和模具润滑：

退火：

目的： 提高金属的延展性和切削加工性，缓解锻造时产生的内应力，降低硬度。
过程： 锻件加热至再结晶温度以上（后热锻）或低于再结晶温度（预冷锻），保温一段时间，然后以受控方式冷却。冷却速度的调节用于细化晶粒尺寸，细晶粒可提高韧性。
应用：热锻后退火可防止后续加工过程中出现开裂，而冷锻前球化退火可细化珠光体组织，提高延展性，并降低成形负荷。

回火：

目的：平衡锻件的硬度与韧性，降低淬火后脆性，稳定尺寸精度。
过程：淬火锻件重新加热至临界点以下的温度（钢通常为200-600°C），保温一段时间，然后冷却。回火温度升高，硬度降低，韧性提高。
应用：承受冲击或循环载荷的部件（例如曲轴、齿轮）需要回火以实现高强度和高韧性的组合。

模具润滑：

功能：减少金属与模具之间的摩擦，防止表面缺陷或桶状变形，同时延长模具寿命并促进金属适当流入型腔细节。
要求：热锻需要耐高温的润滑剂（例如石墨基润滑剂），而冷锻需要低摩擦、易于去除的润滑剂（例如金属皂基润滑剂）。

6.0锻造金属的选择

几乎所有金属和合金都可以锻造，但材料的选择取决于成品部件的预期用途和性能要求。常见的工业金属及其特性如下：

金属/合金	关键属性	合适的锻造工艺	典型应用
碳钢和合金钢	强度高、成本低、热锻性优良、热处理响应性好	热锻、温锻	汽车曲轴、农机配件、工具
不锈钢	优异的耐腐蚀性、高强度重量比	典型的锻造方式为热锻和温锻；奥氏体钢种（例如 304/316）可进行冷锻，而马氏体或沉淀硬化钢种可能需要温锻或热锻	化工设备部件、航空航天紧固件
铝和铝合金	密度低、延展性优良、冷锻性优异	冷锻、温锻	轻质结构件（例如汽车车轮、电子外壳）
钛及钛合金	强度高，耐高温、耐腐蚀性能优良，不易变形	热锻、等温锻造	飞机发动机叶片、航天器支架
铜和黄铜	导电性优良，延展性好，冷锻表面光滑	冷锻、温锻	电连接器、阀门、五金部件

6.1锻造与其他制造工艺

锻件的优势源于固态塑性变形和优化的晶粒结构。其性能与铸造、焊接和机加工产品有显著不同：

锻件与铸件

比较维度	锻件	铸件
结构完整性	无孔隙和树枝状缺陷；晶粒流动遵循零件几何形状；强度通常比同等铸件高 20%	易产生气孔和缩孔缺陷；晶粒取向随机；抗疲劳性较低
宽容与复杂性	薄壁或深腔加工能力有限；需要加工的公差较大	能够实现具有精细细节的复杂几何形状；通常只需极少的二次加工即可实现近净成形
材料利用	热锻产生飞边（10-20%材料损失）；冷锻/无飞边锻造效率更高	铸造涉及浇口和冒口（20-30%材料损失），但近净成形能力更高
成本考虑	模具成本高；大批量生产经济实惠	模具成本低（例如砂型铸造）；对于小批量生产来说更经济

锻件与焊接组件：

力量：锻件是一体式结构，没有焊缝缺陷（例如气孔、未熔合），具有稳定的抗冲击和抗疲劳性能。焊接组件的焊缝是“弱点”，在应力集中下容易产生裂纹。
材料利用：锻件通过变形实现定型，废料极少。焊接结构需要切割和组装多个部件，材料损失较大。
生产效率：锻件可以高度自动化地进行大批量生产，而焊接组件则需要手工或机器人焊接，再加上额外的无损检测（例如X射线检测），从而增加了工艺的复杂性。

锻件与机加工棒料：

颗粒结构：在锻件中，晶粒流动遵循零件的几何形状，从而增强了定向强度。机械加工会切断晶粒，降低抗疲劳性能。
尺寸范围：锻件可以生产从 1 英寸以下到 450 吨以上的零件，而机械加工则受到可用库存尺寸的限制。
成本：近净成形锻件减少了后续加工，降低了批量生产的成本。加工废料可达原材料的30-50%。

7.0常见的锻造缺陷及其原因

尽管锻造工艺成熟且完善，但由于设计缺陷、操作失误或材料相关问题，仍可能出现缺陷。锻造缺陷的主要类型、表现形式和根本原因总结如下：

缺陷类型	表现	主要原因
空洞	金属内部的空腔或未填充区域	坯料加热不均匀、模具设计不当限制金属流动、气体滞留
裂缝	锻件表面或内部的线性不连续性	温度不足（延展性差）、成形力过大、模具半径小造成应力集中
圈数	材料自身折叠导致的假缝	材料流动不足、模腔设计不当导致金属回流
冷隔（搭接/接缝）	表面折叠缺陷造成薄弱区域	锻造温度低（金属流动性差），模具排气不足导致气体堵塞
过剩毛边	超出预期限制的剩余材料	坯料尺寸过大、模具闭合间隙不合适、闭式模锻压力不足
表面划痕	不规则的表面痕迹或压痕	模具表面磨损、润滑不足、坯料除垢不足导致氧化皮嵌入
晶粒结构不良	颗粒分布粗糙或不均匀	过热导致晶粒长大，变形不足导致再结晶不完全，冷却速度不受控制