锻造与铸造的最优化选择.doc

绪论 本文资料绝非抄袭，一家之见解，鄙薄之意，望老师海涵。成文的初衷是在锻造与铸造工艺间，选择最优点，予其发挥，避其缺点。换言之，恰当的做出，什么零件最好采取铸造工艺，什么零件最好采取锻造工艺。
摘要： 随着热加工工艺的不断发展与完善，新型的加工工艺层出不群，加工方法不断改进，与之，加工技艺的不断娴熟，在选择采用何种加工工艺的基础上，倾向于最优化的选择。对于传统的两种热加工工艺：锻造，铸造，在选择热加工的工艺上，横向与纵向的从加工难易程度，加工的精度，成型度，表面质量，综合的力学性能，经济性等方面予以考虑。
关键词： 锻造 铸造 优缺陷 区别 应用选择
正文：
锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变型以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。
（一）锻造方法：
1） 自由锻
    只用简单的通用性工具，或在锻造设备上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件，称为自由锻。
①基本工序可分为拔长、镦粗、冲孔、弯曲等。
    拔长：也称为延伸，它是使坯料横断面积减小、长度增加的锻造工序。
    镦粗：是使毛坯高度减小，横断面积增大的锻造工序。
    冲孔：是利用冲头在镦粗后的坯料上冲出透也或不透孔的锻造方法。
     弯曲：采用一定的工模具将毛坯弯成所规定的外形的锻造工序。
   ②自由锻的特点及应用
    特点：工艺灵活性较大，生产准备的时间较短；
    生产率低，锻件精度不高，不能锻造形状复杂的锻件。
    应用：自由锻是大型锻件的主要生产方法。这是因为自由锻可以击碎钢锭中粗大的铸造组织，锻合钢锭内部气孔、缩松等空洞，并使流线状组织沿锻件外形合理分布。
2）胎模锻
    胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具（胎模）生产模锻件的一种锻造方法。
    特点：与自由锻相比较优点
    ① 由于坯料在模膛内成形，所以锻件尺寸比较精确，表面比较光洁，流线组织的分布比较合理，所以质量较高。
    ② 由于锻件形状由模膛控制，所以坯料成形较快，生产率比自由锻高 1～5倍。
    ③ 胎模锻能锻出形状比较复杂的锻件。
    ④ 锻件余块少，因而加工余量较小，既可节省金属材料，又能减少机加工工时。
    缺点：需要吨位较大的锻锤；只能生产小型锻件；胎模的使用寿命较低；工作时一般要靠人力搬动胎模，因而劳动强度较大。
    应用：胎模锻用于生产中、小批量的锻件。
3）锤上模锻
    简称模锻，它是在模锻外向锤上利用模具（锻模）使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。
     特点：与自由锻、胎模锻比较有如下优点
    ① 生产效高
    ② 表面质量高，加工余量小，余块少甚至没有，尺寸准确，锻件公差比自由锻小 2/3～3/4，可节省大量金属材料和机械加工工时。
     ③ 操作简单，劳动强度比自由锻和胎模锻都低。
    缺点：
    ① 模锻件的重量受到一般模锻设备能力的限制，大多在 50～70kg以下；
    ② 锻模需要贵重的模具钢，加上模膛的加工比较困难，所以锻模的制造周期长、成本高；
    ③ 模锻设备的投资费用比自由锻大。
    应用：一般用于生产大 批量锻件。
铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是指将室温中为液态但不久后将固化的物质倒入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属（例：铜、铁、铝、锡、铅等），而铸模的材料可以是沙、金属甚至陶瓷。因应不同要求，使用的方法也会有所不同。
（二）铸造方法
1）按造型方法习惯上分为：
　　①普通砂型铸造，又称砂铸，翻砂，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。
　　②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造，消失模铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。
③砂型铸造的方法又可分为：湿型砂机器造型方法、自硬树脂砂造型制芯、水玻璃砂造型制芯、干型和表干型、实型铸造、负压造型、手工造型。
④砂芯的制造方法是根据砂芯尺寸、形状、生产批量及具体生产条件进行选择的。在生产中，从总体上可分为手工制芯和机器制芯。
2） 按照成型工艺可分为：
①重力浇铸：砂铸，硬模铸造。依靠重力将熔融金属液浇入型腔。
②压力铸造：低压浇铸，高压铸造。依靠额外增加的压力将熔融金属液瞬间压入铸造型腔。
（三） 锻造优缺陷：
1）大晶粒
　　大晶粒通常是由于始锻温度过高和变形程度不足、或终锻温度过高、或变形程度落人临界变形区引起的。铝合金变形程度过大，形成织构；高温合金变形温度过低，形成混合变形组织时也可能引起粗大晶粒,晶粒粗大将使锻件的塑性和韧性降低，疲劳性能明显下降。
　 　2）晶粒不均匀
　　晶粒不均匀是指锻件某些部位的晶粒特别粗大，某些部位却较小。产生晶粒不均匀的主要原因是坯料各处的变形不均匀使晶粒破碎程度不一，或局部区域的变形程度落入临界变形区，或高温合金局部加工硬化，或淬火加热时局部晶粒粗大。耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感。晶粒不均匀将使锻件的持久性能、疲劳性能明显下降。
　3）冷硬现象
　变形时由于温度偏低或变形速度太快，以及锻后冷却过快，均可能使再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化(硬化)，从而使热锻后锻件内部仍部分保留冷变形组织。这种组织的存在提高了锻件的强度和硬度，但降低了塑性和韧性。严重的冷硬现象可能引起锻裂。
4）裂纹
　裂纹通常是锻造时存在较大的拉应力、切应力或附加拉应力引起的。裂纹发生的部位通常是在坯料应力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和内部有微裂纹、或坯料内存在组织缺陷，或热加工温度不当使材料塑性降低，或变形速度过快、变形程度过大，超过材料允许的塑性指针等，则在撤粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中都可能产生裂纹。
5）龟裂
龟裂是在锻件表面呈现较浅的龟状裂纹。在锻件成形中受拉应力的表面(例如，未充满的凸出部分或受弯曲的部分)最容易产生这种缺陷。引起龟裂的内因可能是多方面的：①原材料合Cu、Sn等易熔元素过多。②高温长时间加热时，钢料表面有铜析出、表面晶粒粗大、脱碳、或经过多次加热的表面。③燃料含硫量过高，有硫渗人钢料表面。
　　 6）飞边裂纹
　　飞边裂纹是模锻及切边时在分模面处产生的裂纹。飞边裂纹产生的原因可能是：①在模锻操作中由于重击使金属强烈流动产生穿筋现象。②镁合金模锻件切边温度过低；铜合金模锻件切边温度过高。
　 　7）分模面裂纹
　　分模面裂纹是指沿锻件分模面产生的裂纹。原材料非金属夹杂多，模锻时向分模面流动与集中或缩管残余在模锻时挤人飞边后常形成分模面裂纹。
　　 8）折叠
　　折叠是金属变形过程中已氧化过的表层金属汇合到一起而形成的。它可以是由两股(或多股)金属对流汇合而形成；也可以是由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合而形成的；也可以是由于变形金属发生弯曲、回流而形成；还可以是部分金属局部变形，被压入另一部分金属内而形成。折叠与原材料和坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况及锻造的实际操作等有关。折叠不仅减少了零件的承载面积，而且工作时由于此处的应力集中往往成为疲劳源。
　　9）穿流
穿流是流线分布不当的一种形式。在穿流区，原先成一定角度分布的流线汇合在一起形成穿流，并可能使穿流区内、外的晶粒大小相差较为悬殊。穿流产生的原因与折叠相似，是由两股金属或一股金属带着另一股金属汇流而形成的，但穿流部分的金属仍是一整体。穿流使锻件的力学性能降低，尤其当穿流带两侧晶粒相差较悬殊时，性能降低较明显。
　　10）锻件流线分布不顺
　锻件流线分布不顺是指在锻件低倍上发生流线切断、回流、涡流等流线紊乱现象。如果模具设计不当或锻造方法选择不合理，预制毛坯流线紊乱；工人操作不当及模具磨损而使金属产生不均匀流动，都可以使锻件流线分布不顺。流线不顺会使各种力学性能降低，因此对于重要锻件，都有流线分布的要求。
11）铸造组织残留
铸造组织残留主要出现在用铸锭作坯料的锻件中。铸态组织主要残留在锻件的困难变形 区。锻造比不够和锻造方法不当是铸造组织残留产生的主要原因。铸造组织残留会使锻件的性能下降，尤其是冲击韧度和疲劳性能等。
12）碳化物偏析级别不符要求
　 碳化物偏析级别不符要求主要出现于莱氏体工模具钢中。主要是锻件中的碳化物分布不均匀，呈大块状集中分布或呈网状分布。造成这种缺陷的主要原因是原材料碳化物偏析级别差，加之改锻时锻比不够或锻造方法不当具有这种缺陷的锻件，热处理淬火时容易局部过热和淬裂。制成的刃具和模具使用时易崩刃等。
13）带状组织
带状组织是铁素体和珠光体、铁素体和奥氏体、铁素体和贝氏体以及铁素体和马氏体在锻件中呈带状分布的一种组织，它们多出现在亚共折钢、奥氏体钢和半马氏体钢中。这种组织，是在两相共存的情况下锻造变形时产生的带状组织能降低材料的横向塑性指标，特别是冲击韧性。在锻造或零件工作时常易沿铁素体带或两相的交界处开裂。
14）局部充填不足
　 　局部充填不足主要发生在筋肋、凸角、转角、圆角部位，尺寸不符合图样要求。产生的原因可能是：①锻造温度低，金属流动性差；②设备吨位不够或锤击力不足；③制坯模设计不合理，坯料体积或截面尺寸不合格；④模膛中堆积氧化皮或焊合变形金属。
15）欠压
欠压指垂直于分模面方向的尺寸普遍增大，产生的原因可能是：①锻造温度低。②设备吨位不足，锤击力不足或锤击次数不足。
　　16)错移
　错移是锻件沿分模面的上半部相对于下半部产生位移。产生的原因可能是：①滑块(锤头)与导轨之间的间隙过大；②锻模设计不合理，缺少消除错移力的锁口或导柱；③模具安装不良。
17)轴线弯曲
锻件轴线弯曲，与平面的几何位置有误差。产生的原因可能是：①锻件出模时不注意； ②切边时受力不均；③锻件冷却时各部分降温速度不一；④清理与热处理不当锻造缺陷最明显的就是锻造折叠，过烧及裂纹等。过烧的锻件存在明显的氧化皮，严重的在表面会出现“成流”现象。金相组织就是存在大量魏氏组织和晶界氧化现象。
（四）铸造优缺陷：
1）缩 孔
形状为不规则的封闭或敞露的孔洞，孔壁粗糙并带有枝晶状，常出现在铸件最后凝固的部位（热节处）。
2）披 缝
披缝是铸件表面上厚薄不均匀的片状金属突起物，常出现在铸件分型面和芯头部位。
3）毛 刺
毛刺是铸件表面上刺状金属突起物，常出现在型和芯的裂缝处，形状极不规则。
4）浇 不 足
由于金属液未完全充满型腔而产生的铸件缺肉。
5）冲 砂
铸件表面上有粗糙不规则的金属瘤状物，常位于浇口附近。在铸件其它部位则往往出现砂眼。
6）掉 砂
铸件表面的块状金属突起物，其外形与掉落的砂块很相似。在铸件其它部位则往往出现砂眼或残缺
7）缺 损
在铸件清理或搬运时，损坏了铸件的完整性。
8）变 形
由于收缩应力或型壁变形、开裂引起的铸件外形和尺寸与图纸不符。
9）渣 眼
在铸件内部或表面形状不规则的孔眼。孔眼不光滑，里面全部或部分充塞着渣。
（五）锻件与铸件区别
1）较之铸件，锻件性能优点
       ①金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法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。
     ② 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
（六） 热处理锻铸工艺的应用选择
（一）锻件产品通常是经过一定的锻压工艺而成的，它的应用范围及其广泛。在工业，制造业等方面大显身手。合肥锻压占了全国锻压的很大比重，下面来具体看看所应用的领域。
1） 飞机锻件
    按重量计算，飞机上有85%左右的的构件是锻件。飞机发动机的涡轮盘、后轴颈（空心轴）、叶片、机翼的翼梁, 机身的肋筋板、轮支架、起落架的内外筒体等都是涉及飞机安全的重要锻件。飞机锻件多用高强度耐磨、耐蚀的铝合金、钛合金、镍基合金等贵重材料制造。为了节约材料和节约能源，飞机用锻件大都采用模锻或多向模锻压力机来生产。
2）  汽车锻件
    按重量计算，汽车上有17-19%的锻件。一般的汽车由车身、车箱、发动机、前桥、后桥、车架、变速箱、传动轴、转向系统等15个部件构成汽车锻件的特点是外形复杂、重量轻、工况条件差、安全度要求高。如汽车发动机所使用的曲轴、连杆、凸轮轴、前桥所需的前梁、转向节、后桥使用的半轴、半轴套管、桥箱内的传动齿轮等等，无一不是有关汽车安全运行的保安关键锻件。
3）柴油机锻件
    柴油机是动力机械的一种，它常用来作发动机。以大型柴油机为例，所用的锻件有汽缸盖、主轴颈、曲轴端法兰输出端轴、连杆、活塞杆、活塞头、十字头销轴、曲轴传动齿轮、齿圈、中间齿轮和染油泵体等十余种。
4）船用锻件
    船用锻件分为三大类，主机锻件、轴系锻件和舵系锻件。主机锻件与柴油机锻件一样。轴系锻件有推力轴、中间轴艉轴等。舵系锻件有舵杆、舵柱、舵销等。
5）兵器锻件
    锻件在兵器工业中占有极其重要的地位。按重量计算，在坦克中有60%是锻件。火炮中的炮管、炮口制退器和炮尾，步兵武器中的具有膛线的枪管及三棱刺刀、火箭和潜艇深水炸弹发射装置和固定座、核潜艇高压冷却器用不锈钢阀体、炮弹、枪弹等，都是锻压产品。除钢锻件以外，还用其它材料制造武器。
6） 石油化工锻件
    锻件在石油化工设备中有着广泛的应用。如球形储罐的人孔、法兰，换热器所需的各种管板、对焊法兰催化裂化反应器的整锻筒体（压力容器），加氢反应器所用的筒节，化肥设备所需的顶盖、底盖、封头等均是锻件。
7）矿山锻件
按设备重量计算，矿山设备中锻件的比重为12-24%。矿山设备有：采掘设备，卷扬设备，破碎设备，研磨设备，洗选设备，烧结设备
8） 核电锻件
    核电分为压水堆和沸水堆两类。核电站主要的大锻件可分为压力壳和堆内构件两大类。 压力壳含：筒体法兰、管嘴段、管嘴、上部筒体、下部筒体、筒体过渡段、螺栓等。 堆内构件是在高温、高压、强中子幅照、硼酸水腐蚀、冲刷和水力振动等严峻条件下工作的，所以要选用18-8奥氏不锈钢来制作。
9）火电锻件
    火力发电设备中有四大关键锻件，即汽轮发电机的转子和护环，以及汽轮机中的叶轮与汽轮机转子。
 10） 水电锻件
水力发电站设备中的重要锻件有水轮机大轴、水轮发电机大轴、镜板、推力头等。
（二）铸造的实质是液态金属凝固而成型，其特点：可铸造出复杂的毛坯，接近最终形状的零件，工艺灵活性大，成本低。突出的的特点使其在工业生产中得到广泛的应用。
砂型铸造： 适用范围：手工造型：单件、小批量和难以使用造型机的形状复杂的大型铸件 机械造型：适用于批量生产的中、小铸件、各种材质。 工艺特点：手工：灵活、易行，但效率低，劳动强度大，尺寸精度和表面质量低。机械：尺寸精度和表面质量高，但投资大。金属型铸造：适用范围：小批量或大批量生产的非铁合金铸件，也用于生产钢铁铸件。工艺特点：铸件精度、表面质量高，组织致密，力学性能好，生产率高。熔模铸造：适用范围：各种批量的铸钢及高熔点合金的小型复杂精密铸件，特别适合铸造艺术品、精密机械零件。工艺特点：尺寸精度高、表面光洁，但工序繁多，劳动强度大。陶瓷型铸造：适用范围：模具和精密铸件。工艺特点：尺寸精度高、表面光洁，但生产率低。低压铸造：适用范围：小批量，最好是大批量的大、中型有色合金铸件， 可生产薄壁铸件。工艺特点：铸件组织致密，工艺出品率高，设备较简单，可采用各种铸型，但生产效率低。压力铸造：适用范围：大量生产的各种有色合金中小型铸件、薄壁铸件、耐压铸件。工艺特点：铸件尺寸精度高、表面光洁，组织致密，生产率高，成本低。但压铸机和铸型成本高。离心铸造：适用范围：小批量到大批量的旋转体形铸件、 各种直径的管件。工艺特点：铸件尺寸精度高、表面光洁，组织致密，生产率高。连续铸造：适用范围：固定截面的长形铸件，如钢锭、钢管等。工艺特点：组织致密，力学性能好，生产率高。消失模铸造：适用范围：不同批量的较复杂的各种合金铸件。工艺特点：铸件尺寸精度较高，铸件设计自由度大，工艺简单，但模样燃烧影响环境。
参考文献：1.铸造_百度百科
2.锻造_百度百科
3.锻件和铸件的比较统计_百度文库
4.《工程材料及机械制造基础（2）——热加工工艺基础》第三版