金属材料のさまざまな鍛造プロセスの長所と短所

熱間鍛造と冷間鍛造は、同様の結果をもたらす 2 つの異なる金属成形プロセスです。 鍛造とは、特定の工具や設備を使用して金属を所定の形状に変形させるプロセスです。変形は熱間鍛造、冷間鍛造、さらには温間鍛造プロセスを使用して行われます。 最終的に、製造業者は、特定の用途に最適な鍛造の種類を選択する前に、多くの規格を考慮することになります。 粒子構造の配置によって部品に方向性特性が与えられる場合、部品が遭遇する最大の応力に耐えられるように、鍛造を使用して粒子を整列させます。 対照的に、鋳造や機械加工では、通常、粒子構造の配置をあまり制御できません。
鍛造工程
鍛造は、固体状態での金属の形成または変形として定義されます。 多くの鍛造プロセスは、ハンマーやストライカーが水平に移動してロッドやロッドの端を押し広げ、端の形状を変える据え込み加工によって完了します。 最終形状に達する前に、部品は通常、連続的なワークステーションを通過します。 高強度ボルトはこのように「冷間圧造」されます。 エンジンバルブもアプセット加工により形成されます。
ドロップハンマー鍛造では、金型の中で部品を叩いて完成品の形状に整えます。これは鍛冶屋の自由鍛造と非常によく似ています。 この場合、金属はアンビルに叩きつけられて所望の形状に成形されます。 自由型鍛造と密閉型鍛造には違いがあります。 型鍛造では、金属が金型によって完全に拘束されることはありません。 密閉型またはプレス型では、鍛造金属は半型の間で制限されます。 金型を繰り返しハンマーで叩くことで金属がその形状に強制され、最終的には金型の 2 つの半分が接合されます。 ハンマーのエネルギーは、蒸気または空気圧、機械または油圧手段によって提供されます。 真のドロップハンマー鍛造では、重力だけでハンマーを下方に押しますが、多くのシステムは重力と組み合わせた動力補助を使用します。 ハンマーは、比較的高速かつ低力で一連の打撃を与えて金型を閉じます。
圧力鍛造では、高速の代わりに高圧が使用され、通常はパワースクリューまたは油圧シリンダーによって一度のストロークで金型の半分が閉じられます。 ハンマー鍛造は通常、小型部品の製造に使用され、プレス鍛造は通常、大量生産および自動化に使用されます。 圧力鍛造をゆっくりと適用すると、ハンマーで叩くよりも部品の内部をより適切に処理できることが多く、通常は航空機のチタン隔壁などの大型の高品質部品に適用されます。 その他の特殊な鍛造方法は、これらの基本テーマに応じて異なります。たとえば、ベアリングレースや大型ギアリングは、継ぎ目のない円形部品を製造できるローリングリング鍛造と呼ばれるプロセスで製造されます。
熱間鍛造
金属片を熱間鍛造するときは、かなりの温度に加熱する必要があります。 さまざまな金属の熱間鍛造に必要な平均鍛造温度は次のとおりです。
1150℃までの鋼
アルミニウム合金の場合は 360 ～ 520 ℃
700～800℃（銅合金）
熱間鍛造プロセスでは、鋼片またはビレットが誘導加熱されるか、鍛造炉またはオーブン内で金属の再結晶点を超える温度まで加熱されます。 この極度の熱は、変形中の金属の歪み硬化を避けるために必要です。 金属は塑性状態にあるため、非常に複雑な形状を作ることができます。 金属は延性と延性を維持します。

超合金などの特定の金属を鍛造するには、等温鍛造と呼ばれる熱間鍛造の一種が使用されます。 ここで、鍛造プロセス中の部品の表面冷却を避けるために、金型はほぼビレットの温度まで加熱されます。 酸化スケールの形成を最小限に抑えるために、鍛造は制御された雰囲気で実行されることがあります。
従来、メーカーは部品の製造に熱間鍛造を選択します。これは、材料が塑性状態で変形でき、金属の機械加工が容易になるためです。 熱間鍛造は、金属が欠陥を生じずにどの程度の変形に耐えられるかの指標である成形性の高い金属の変形にも推奨されます。 熱間鍛造に関するその他の考慮事項は次のとおりです。
ディスクリート部​​品の製造
中～低精度
低応力または低加工硬化
均一な粒子構造
延性の向上
化学的不適合性と多孔性を排除します
熱間鍛造の考えられる欠点は次のとおりです。
精度の低い公差
冷却プロセス中に材料が反る可能性があります
異なる金属粒子構造
周囲の大気と金属との間で起こり得る反応（スケーリング）
冷間鍛造（または冷間成形）
冷間鍛造では、再結晶点以下で金属が変形します。 冷間鍛造は、延性を低下させながら、引張強度と降伏強度を大幅に向上させます。 冷間鍛造は通常室温付近で行われます。 冷間鍛造用途で最も一般的な金属は、通常、標準鋼または炭素合金鋼です。 冷間鍛造は通常、密閉型プロセスです。
金属がすでに柔らかい金属（アルミニウムなど）である場合、通常は冷間鍛造が好まれます。 このプロセスは通常、熱間鍛造よりも安価であり、最終製品には精密な機械加工がほとんど必要ありません。 金属を所望の形状に冷間鍛造する際、残留表面応力を除去した後に熱処理を行う場合があります。 冷間鍛造による金属強度の向上により、同じ材質では機械加工や熱間鍛造では作ることができない、グレードの低い材質でも使用可能な部品を製造できる場合があります。
メーカーはさまざまな理由から、熱間鍛造ではなく冷間鍛造を選択することがあります。冷間鍛造部品には精密機械加工がほとんどまたはまったく必要なく、製造プロセスのこのステップは通常はオプションであるため、コストが節約されるからです。 また、冷間鍛造は汚染の問題の影響を受けにくいため、コンポーネントの全体的な表面仕上げが向上します。 冷間鍛造のその他の利点は次のとおりです。
指向特性の割り当てが容易
再現性の向上
サイズ制御を増やす
高応力と高金型負荷の処理
きれいな、またはほぼきれいな部品の生産
考えられる欠点には次のようなものがあります。
鍛造前に、金属表面はきれいで酸化スケールがない必要があります。
金属の延性が低い
残留応力が発生する可能性がある
より重く、より強力な機器が必要
より強力なツールが必要
温間鍛造
温間鍛造は、熱間鍛造と冷間鍛造の欠点を克服し、利点を得るために、再結晶温度より低く、室温より高い温度で実行されます。 酸化皮膜の生成も問題なく、熱間鍛造に比べ公差が小さくて済みます。 冷間鍛造に比べて金型コストが安く、製造に必要な力も小さくて済みます。 冷間加工と比較してひずみ硬化が軽減され、延性が向上します。
応用
自動車産業では、アイドラアームやアクスルなどのサスペンション部品や、コンロッドやトランスミッションギアなどのパワートレイン部品の製造に鍛造が使用されています。 鍛造品はパイプラインのバルブステム、バルブ本体、フランジに一般的に使用され、耐食性を高めるために銅合金で作られることもあります。 レンチなどの手工具は鍛造品が多く、ワイヤーロープも多い