铸造与锻造: 全面比较

1. 介绍

铸件 vs 锻造 是两个基本的金属形状路线.

铸造擅长生产复杂形状, 内部空腔和大型材料浪费相对较低的零件和中等几何的工具成本较低.

锻造 产生具有优越机械性能的零件, 改善疲劳耐药性和更好的谷物流动, 但通常需要更重的工具和更多的加工来进行复杂的几何形状.

正确的选择取决于应用程序的机械要求, 几何复杂性, 体积, 成本目标和监管限制.

2. 什么是铸造?

铸件 是一个制造过程，将熔融金属倒入形状的霉菌腔中，如所需的成分.

一旦金属冷却并凝固, 移除模具以揭示铸件部分.

这个过程是最古老的金属成型方法之一, 可追溯数千年, 并且由于其在生产简单和高度复杂的零件方面的多功能性而被广泛使用.

过程概述

1. 图案创建 - 零件的复制品 (图案) 由蜡制成, 木头, 塑料, 或金属.
2. 霉菌准备 - 使用沙子创建模具, 陶瓷制品, 或金属, 取决于铸造方法.
3. 融化 & 浇注 - 金属合金融化 (通常在600–1,600°C下取决于合金) 并倒入模具.
4. 凝固 & 冷却 - 受控冷却使金属可以采用霉菌腔的形状.
5. 摇晃 & 打扫 - 模具被打破或打开, 和多余的材料 (大门, 立管) 被删除.
6. 精加工 & 检查 - 热处理, 加工, 并根据需要应用表面精加工.

铸造的变体

• 沙子铸造 - 成本效益, 适用于大型和重型零件; 尺寸公差通常为±0.5–2.0 mm.
• 熔模铸造 (失去蜡) - 产生高度详细的, 近网状零件具有出色的表面饰面 (RA≈1.6-3.2µm).
• 压铸 - 高压注射熔融非有产合金 (al, Zn, 毫克) 进入永久模具; 非常适合大量生产.
• 离心铸件 - 用于管道等圆柱形零件, 高密度和最小缺陷.
• 连续铸造 - 生产钢坯的工业过程, 平板, 和直接从熔融金属的杆.

关键优势

• 产生能力 复杂的几何形状, 包括内部空腔和薄壁部分.
• 广泛的 合金灵活性 (钢, 铁, 铝, 铜, 镍, 钛).
• 近网状 能力减少了加工要求.
• 成本效益 大零件 和 低到中等体积.
• 可伸缩性 - 从原型到大量生产 (尤其是死亡铸造).

限制

• 铸造缺陷，例如 孔隙率, 收缩腔, 包含, 和热泪.
• 机械性能 (抗拉强度, 疲劳性抗性) 由于树突状的微观结构和孔隙率，通常不如锻造等效物.
• 尺寸准确性和表面饰面因过程而异.
• 冷却率可能导致 隔离 和机械性能的各向异性.

3. 什么是锻造的?

锻造 是一个金属加工过程，将金属塑造成所需的几何形状 压缩力, 通常使用锤子, 按下, 或死亡.

与铸造不同, 材料融化并固化的地方, 锻造金属中的金属 固态, 改善其晶粒结构并增强机械性能.

锻造是最古老的金属形状方法之一, 历史上由铁匠用简单的手工工具执行.

今天, 这是一个广泛用于航空航天的高精度工业过程, 汽车, 油 & 气体, 发电, 和国防行业.

过程概述

1. 加热 (选修的) - 金属被加热到塑料状态 (用于热锻造) 或在室温下剩下 (进行冷锻造).
2. 形变 - 金属被压缩或锤击在平坦或形状之间的形状.
3. 修剪 - 多余的材料 (闪光) 被删除.
4. 热处理 (如果需要) - 标准化, 淬火, 和回火用于优化强度, 硬度, 和延性.
5. 精加工 - 加工, 表面饰面, 并检查完成了过程.

锻造类型

• 开放式锻造 - 扁平模具之间形状的大零件; 用于轴, 光盘, 和大块.
• 封闭 (印象 - 迪) 锻造 - 金属被压入形状的腔内，以进行近网状零件; 广泛用于汽车和航空航天.
• 冷锻造 - 在室温下进行; 优秀的维度准确性和表面饰面.
• 热锻造 - 在重结晶温度上面执行; 允许大型成型, 坚硬的合金减少工作硬化.
• 等温度 & 精确锻造 - 钛的高级方法, 镍, 和航空合金, 减少加工和材料浪费.

关键优势

• 优质的机械性能 由于精致的晶粒结构和消除了内部空隙.
• 高的 疲劳性抗性 与铸件相比.
• 持续的 维度的准确性 精确锻造.
• 适合 关键应用 例如飞机发动机零件, 汽车曲轴, 压力容器, 和核电组件.
• 最小孔隙度和出色的冶金完整性.

限制

• 成本更高 而不是铸造, 特别是对于复杂形状.
• 仅限于可以通过变形形成的零件 - 不太适合空心, 薄壁, 或高度复杂的几何形状.
• 需要 专业工具和高吨位压机 对于大零件.
• 定制模具的交货时间更长.

4. 微观结构 & 铸造与. 锻造

铸造和锻造之间最根本的差异之一在于 内部微观结构 材料.

谷物的形成方式, 对齐, 并在处理过程中分布直接影响机械强度, 韧性, 最终组件的疲劳性抗性.

铸造微观结构

• 固化过程 - 在铸造中, 熔融金属冷却并在模具中固化.
  谷物随机成核并向外生长, 成型 等亚 或者 柱状晶粒 取决于冷却条件.
• 谷物方向 - 没有首选方向 (各向同性结构), 但通常是异质的. 在压力下，晶界可能是弱点.
• 缺陷 - 可能的 孔隙率, 收缩腔, 包含, 和合金元素的隔离 由于冷却不平. 这些降低了疲劳性和断裂韧性.
• 特性 - 足以适应静态载荷和复杂形状，但与锻造的部件相比，抗拉力强度和抗疲劳性通常较低.

锻造微观结构

• 塑性变形过程 - 塑料在其固态中塑造金属, 分解铸造树状结构并消除孔隙率.
• 谷物流对齐 - 在施加力的方向上锻造对齐晶粒, 产生 连续的晶粒流 遵循零件的形状.
  这可以提高影响力和抗疲劳性, 特别是在曲轴和涡轮刀片等组件中.
• 减少缺陷 - 锻造紧凑的空隙和夹杂物, 减少缺陷尺寸并改善冶金完整性.
• 特性 - 锻造的零件显示出色的机械性能, 特别是在动态或环状负载条件下.

5. 铸件的典型机械性能与. 锻造

6. 设计自由, 公差, 和表面饰面

比较时 铸造与锻造, 最决定性的因素之一是 设计灵活性, 维控制, 和表面质量.

每个过程都有独特的优势和限制, 确定对不同应用的适用性.

设计自由

• 铸件 提供无与伦比的设计灵活性. 复杂的几何形状，例如内部空腔, 薄壁, 晶格结构, 并且底切可以直接在一次倾倒中产生.
  尤其是投资铸造可以实现近网状零件, 最多减少加工 70%.
  泵叶轮等组件, 涡轮刀片, 或复杂的括号几乎是通过铸造制成的，因为锻造这种形状是不可能的或经济上的.
• 锻造, 相比之下, 被限制为相对简单的几何形状.
  虽然闭合锻造允许近网状零件, 复杂的内部段落, 精细的晶格结构, 或不可实现的急剧底漆是无法实现的.
  当零件需要固体时，锻造擅长, 连续的几何形状没有空心部分, 例如轴, 齿轮, 和连杆.

尺寸公差 (ISO 8062 参考)

表面处理 (粗糙度RA, μm)

7. 次要手术和热处理影响

二级操作和热处理在优化通过铸造或锻造产生的组件的性能中起关键作用.

这些后处理步骤直接影响机械性能, 维度的准确性, 表面饰面, 和长期耐用性.

次要操作

加工:

• 铸件: 铸件组件通常需要大量加工才能达到紧密的公差和临界表面, 特别是对于孔, 线程, 和交配面孔.
  投资铸造可降低由于近网状功能而导致的加工要求, 而沙子铸件通常需要更广泛的手术后.
• 锻造: 锻造零件通常需要最少的加工, 主要用于整理表面和精密孔, 由于闭合锻造的均匀性和接近最终的尺寸.

表面处理:

• 抛光和打磨: 提高表面质量, 减少粗糙度, 并消除次要表面缺陷. 投资铸件可以到达RA < 1.5 机械或电抛光后μm.
• 射击 / 珠子喷砂: 用于删除规模, 闪光, 并改善表面均匀性.
• 涂料和电镀: 次要涂料 (例如。, 不锈钢的钝化, 用于腐蚀保护的锌或镍镀) 经常被施加手术后.

集会 & 配件:

• 对于具有多个部分的组件至关重要, 例如衬套, 别针, 或铰链组件. 适当的次要操作确保正确清理, 干涉, 和功能对齐.

热处理

目的:
热处理 被用来增强机械性能，例如强度, 硬度, 延性, 并戴阻力. 它的效果在铸造组件和锻件之间有所不同.

• 铸件:

• • 铸造不锈钢和低合金钢经常发生 解决方案退火, 缓解压力, 或者 年龄硬化 减轻残余应力, 匀浆微结构, 并提高可加工性.
  • 必须注意避免部分熔化或薄薄的谷物变形, 特别是在投资铸件中.

• 锻造:

• • 锻造组件从中受益 标准化 或者 淬火和回火 优化谷物结构并最大化机械性能.
  • 固有的锻造会产生密集的, 更多均匀的微观结构, 因此，热处理主要优化硬度和压力缓解，而不是补偿缺陷.

高级后处理

• 时髦的 可以关闭铸件中的内部孔隙率, 以高成本使财产更接近锻造/锻造材料.
• 表面处理 (射击, 硝化, 化石) 改善疲劳寿命和耐磨性.

8. 行业应用: 需要的匹配方法

铸造和锻造基于其固有优势（几何复杂性）主导着不同的工业领域, 机械性能, 数量要求, 和成本限制.

铸造申请

汽车:

• 发动机块: 砂铸件广泛用于铁发动机块, 容纳复杂的水夹克和内部空腔.
• 气缸盖: 投资铸造可以在高性能引擎中进行精确的冷却渠道和复杂的几何形状.
• 铝轮: 模具铸造可以具有出色的表面饰面和尺寸一致性的大量生产.

航天:

• 涡轮刀片: 像Inconel这样的超级合金的投资铸造 718 实现复杂的翼型几何形状，对于效率和高温抗性必不可少.
• 发动机外壳: 铝合金的砂铸造支持具有中等复杂性的轻质结构.

油 & 气体:

• 泵外壳: 铸铁或钢的沙子铸造可提供强大的, 流体处理的成本效益解决方案.
• 阀体: 316升不锈钢投资铸造可实现临界阀的紧密公差和耐腐蚀性.

建造 & 基础设施:

• 人孔盖: 延性铁中的沙子铸造具有高强度和耐用性.
• 管配件 & 成分: 铸造铝或黄铜可轻巧, 水和天然气网络的耐腐蚀解决方案.

锻造应用程序

汽车:

• 曲轴: AISI闭合锻造 4140 钢可确保高疲劳阻力和性能发动机的出色谷物流量.
• 连杆: 从 4340 钢在重复的动态载荷下的强度和韧性.

航天:

• 起落架组件: 钛合金合金中的闭合锻造结合了高强度与重量比与极好的疲劳寿命.
• 发动机轴: 开放式锻造inconel 625 产生抗高温和应力的组件.

油 & 气体:

• 钻领: 在AISI 4145H中开放式锻造钢可确保在苛刻的井下环境中高压耐力.
• 阀杆: 316升不锈钢的闭合锻造确保尺寸准确性和耐腐蚀性.

重型机械 & 工业设备:

• 齿轮空白: AISI闭合锻造 8620 钢达到高硬度和耐磨性以进行电力传输.
• 液压缸 & 轴: A36钢中的开放式锻造可确保重型操作的韧性和抗冲击力.

9. 铸造与. 锻造

铸造与锻造是基础制造方法, 每个都有明显的优势, 限制, 和理想用例.

下表总结了多个维度之间的关键差异, 为工程师提供AT-A-Glance指南, 设计师, 和生产经理:

10. 结论

铸造与锻造不是竞争对手，而是互补工具 - 针对特定的制造需求进行了优化:

• 选择铸造如果: 您需要复杂的几何形状, 低容量的低前期成本, 或用脆金属制成的零件 (铸铁).
  精确的投资铸造精确, 砂铸件成本, 并在大批量的非有产零件上铸造.
• 选择锻造: 你需要高强度, 疲劳性抗性, 或易于对中度形状的紧密公差. 闭合锻造是大容量的理想选择, 高压力零件; 开放锻造大型锻造, 小批量组件.

最成功的制造策略利用了这两种方法 - 例如。, 汽车引擎使用铸件 (复杂) 和锻造的曲轴 (力量).

通过将过程选择与零件函数对齐, 体积, 和成本, 工程师可以优化性能, 减少TCO, 并确保长期可靠性.

 

常见问题解答

可以锻造具有内部空腔的零件?

否 - 为形状固体金属, 因此内部空腔需要次要加工 (钻孔, 无聊的), 增加成本并降低力量.

铸件 (特别是沙子或投资) 是具有内部功能的零件的唯一实用方法 (例如。, 发动机水夹克).

哪个过程对于钢零件更可持续?

锻造对于大量的锻造更为可持续, 高压力零件: 它使用的能量比砂铸造少30–40％, 产生较少的浪费 (10–15％vs. 15–20％), 锻造零件的使用寿命更长 (减少替换周期).

对于小批量的沙子铸造更可持续, 复杂零件 (降低工具能量).

铸造的最大尺寸是多少. 锻造 部分?

• 铸件: 沙子铸造可以产生零件 100 吨 (例如。, 船舶螺旋桨); 投资铸造仅限于约50公斤 (精密零件).
• 锻造: 开放式锻造可以产生零件 200 吨 (例如。, 电厂轴); 闭合锻造限制为〜100公斤 (大量零件).

为什么航空航天涡轮刀片而不是伪造?

涡轮刀片具有复杂的机翼几何形状和内部冷却通道 - 不可能伪造.

熔模铸造 (使用单晶超级合金等inconel 718) 产生这些功能，具有所需的精度, 而热处理优化了高温服务的强度.