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金属在加热过程中可能产生的缺陷有氧化、脱碳、过热、过烧和裂纹等。
(1)氧化。指加热时坯料表层金属与炉气中的氧化性气体发生化学反应生成氧化皮的现象。氧化会造成金属烧损，每加热一次，坯料因氧化的烧损量约占总重量的2%～3%。氧化皮还会造成锻件表面质量下降和加剧锻模的磨损。为减少氧化应采用快速加热和避免在高温下长时间停留。最好采用真空加热或控制炉中的气体成分。
(2)脱碳。指加热时金属坯料表层的碳与炉气中的氧或氢产生化学反应而使碳的含量下降的现象。脱碳会使金属表层的硬度和强度明显降低，影响锻件质量。减少脱碳的方法同上。
(3)过热。指当坯料加热温度过高或高温下保持时间过长时，其内部晶粒组织迅速长大变粗的现象。过热会使材料脆性增加，锻造时易产生裂纹。如坯料出现过热，可用调质或正火方法消除，使晶粒细化。
(4)过烧。当坯料的加热温度过高到接近熔化温度时，其内部组织间的结合力将完全失去，这种现象称为过烧。锻打过烧的坯料会碎裂成废品，无法挽救。避免发生过烧的措施是严格控制加热温度和保温时间。
(5)裂纹。指当加热速度过快或装炉温度过高，引起坯料内外的温差过大导致坯料开裂的现象。应严格控制入炉温度、加热速度和保温时间。
锻造和板料冲压总称为锻压。锻压是对金属坯料施加一外力，使之产生塑性变形，从而获得具有一定尺寸、形状和内部组织的毛坯或零件的一种压力加工方法。
锻造能消除金属铸锭中的一些铸造缺陷，使其内部晶粒细化，组织致密，力学性能显著提高。所以重要的机器零件和工具部件，如车床主轴、高速齿轮、曲轴、连杆、锻模、和刀杆等大都采用锻造制坯。
3.1 锻 造
锻造的工艺方法主要有自由锻、模锻和胎膜锻。生产时，按锻件质量的大小，生产批量的多少选择不同的锻造方法。
3.1.1自由锻
锻造时，金属坯料受上下抵铁的压缩变形，而向四周为自由的塑性流动，故称为自由锻。由于工件的尺寸和形状要靠操作技术来保证，所以自由锻要求工人有较高的技术水平。
自由锻生产率低，加工余量大，但工具简单，通用性大，故被广泛用于锻造形状较简单的单件、小批生产的锻件。
3.1.1.1坯料的加热
金属材料在一定温度范围内，随温度的上升其塑性会提高，变形抗力会下降，用较小的变形力就能使坯料稳定地改变形状而不出现破裂，所以锻造时要对工件加热。
（1）始锻温度与终锻温度 允许加热达到的最高温度称为始锻温度，停止锻造的温度称为终锻温度。由于化学成分的不同，每种金属材料始锻和终锻温度都是不一样的。几种常用金属材料的锻造温度范围见表3-1所示。
表3-1常用金属材料的锻造温度范围
材料种类 始锻温度/℃ 终锻温度/℃
低碳钢 1200~1250 800
中碳钢 1150~1200 800
合金结构钢 1100~1180 850
锻件的温度可用仪表测定，在生产中也可根据被加热金属的火色来判别，如碳钢的加热温度与火色的关系如下：
温度(℃) 1300 1200 1100 900 800 700 小于600
火色 白色 亮黄 ** 樱红 赤红 暗红 黑色
（2）加热缺陷 对锻件加热不当，则会产生以下缺陷。 1）过热 加热温度超过该材料的始锻温度，或在高温下保温过久，金属材料内部的晶粒会变得粗大，这种现象称为过热。过热使锻坯的塑性下降，可锻性变差。可通过重结晶退火的方法使晶粒重新细化。
2）过烧 加热温度远远高于始锻温度，接近该材料的熔点，晶粒边界发生严重氧化而使晶粒间失去结合力，这种现象称为过烧。过烧的坯料一经锻打即会碎裂，是不可修复的缺陷。
3)氧化和脱碳 加热时钢料与高温的氧、二氧化碳和水蒸气接触，使坯料表面产生氧化皮和脱碳层。每次加热的氧化烧损量约占坯料总重量的2~3%，下料计算时必须加上这个烧损量。
（3）加热炉 锻件加热可采用一般燃料如焦炭、重油等进行燃烧，利用火焰加热，也可采用电能加热。典型的电能加热设备是高效节能红外箱式炉，其结构如图3-1所示。它采用硅碳棒为发热元件，并在内壁涂有高温烧结的辐射涂料，加热时炉内形成高辐射均匀温度场，因此升温快，单位耗电低，达到节能目的。红外炉采用无级调压控制柜与其配套，具有快速启动，精密控温，送电功率和炉温可任意调节的特点。
自由锻设备有空气锤、蒸汽-空气锤和水压机等，分别适合小、中和大型锻件的生产。
（1）空气锤的结构和工作原理 空气锤的结构如图3-2 所示，由锤身、压缩缸、工作缸、传动机构、操纵机构、落下部分及砧座等组成。空气锤的公称规格是以落下部分的质量来表示的。落下部分包括了工作活塞、锤杆、锤头和上抵铁。例如65Kg空气锤，是指其落下部分质量为65Kg，而不是指它的打击力。
空气锤的工作原理亦如图3-2所示，电动机通过减速机构带动曲柄连杆机构转动，曲柄连杆机构把电动机的旋转运动转化为压缩活塞的上下往复运动，压缩活塞通过上下旋阀将压缩空气压入工作缸的下部或上部，推动落下部分的升降运动，实现锤头对锻件的打击。
（2）空气锤的操作 通过踏杆或手柄操纵配气机构（上、下旋阀），可实现空转、悬空、压紧、连续打击和单次打击等操作。
1）空转 转动手柄，上、下旋阀的位置使压缩缸的上下气道都与大气连通，压缩空气不进入工作缸，而是排入大气中，压缩活塞空转。
2）悬空 上悬阀的位置使工作缸和压缩缸的上气道都与大气连通，当压缩活塞向上运行时，压缩空气排入大气中，而活塞向下运行时，压缩空气经由下旋阀，冲开一个防止压缩空气倒流的逆止阀，进入工作缸下部，使锤头始终悬空。悬空的目的是便于检查尺寸，更换工具，清洁整理等。
3）压紧 上下旋阀的位置使压缩缸的上气道和工作缸的下气道都与大气连通，当压缩活塞向上运行时，压缩空气排入大气中，而当活塞向下运行时，压缩缸下部空气通过下旋阀并冲开逆止阀，转而进入上下旋阀连通道内，经由上旋阀进入工作缸上部，使锤头向下压紧锻件。与此同时，工作缸下部的空气经由下旋阀排入大气中。压紧工件可进行弯曲、扭转等操作。
4）连续打击 上下旋阀的位置使压缩缸和工作缸都与大气隔绝，逆止阀不起作用。当压缩活塞上下往复运动时，将压缩空气不断压入工作缸的上下部位，推动锤头上下运动，进行连续打击。
5）单次打击 由连续打击演化出单次打击。即在连续打击的气流下，手柄迅速返回悬空位置，打一次即停。单打不易掌握，初学者要谨慎对待，手柄稍不到位，单打就会变为连打，此时若翻转或移动锻件易出事故。
3.1.1.3自由锻的基本工序
自由锻造时，锻件的形状是通过一些基本变形工序将坯料逐步锻成的。自由锻造的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲和切断等。
（1）镦粗 镦粗是对原坯料沿轴向锻打，使其高度减低、横截面增大的操作过程。这种工序常用于锻造齿轮坯和其他圆盘形类锻件。
镦粗分为全部镦粗和局部锻粗两种，如图3—3所示。
镦粗时应注意下列几点：
1）镦粗部分的长度与直径之比应小于2.5，否则容易镦弯，如图3—4所示。
2）坯料端面要平整且与轴线垂直，锻打用力要正，否则容易锻歪。
3）镦粗力要足够大，否则会形成细腰形或夹层，如图3—5所示。
（2）拔长 拔长是使坯料的长度增加，截面减小的锻造工序，通常用来生产轴类件毛坯，如车床主轴、连杆等。拔长时，每次的送进量L应为砧宽B的0．3~0．7倍，若L太大，则金属横向流动多，纵向流动少，拔长效率反而下降。若L太小，又易产生夹层，如图3-6所示。
拔长过程中应作90°翻转，较重锻件常采用锻打完一面再翻转90°锻打另一面的方法；较小锻件则采用来回翻转90°的锻打方法，如图3-7所示。
圆形截面坯料拔长时，先锻成方形截面，在拔长到边长直径接近锻件直径时，锻成八角形截面，最后倒棱滚打成圆形截面，如图3-8所示。这样拔长效率高，且能避免引起中心裂纹。
（3）冲孔 用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。实心冲子双面冲孔如图3-9所示，在镦粗平整的坯料表面上先预冲一凹坑，放稍许煤粉，再继续冲至约3/4深度时，借助于煤粉燃烧的膨胀气体取出冲子，翻转坯料，从反面将孔冲透。
（4）弯曲 使坯料弯曲成一定角度或形状的锻造工序，如图3-10所示。
（5）扭转 使坯料的一部分相对另一部分旋转一定角度的锻造工序，如图3-11所示。
（6）切割 分割坯料或切除料头的锻造工序。
3.1.1.4锻件的锻造过程示例
任何锻件往往是经若干个工序锻造而成的，在锻造前要根据锻件形状、尺寸大小及坯料形状等具体情况，合理选择基本工序和确定锻造工艺过程。表3-2所示为六角螺母的锻造工艺过程示例，其主要工序是镦粗和冲孔。
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