鍛造行業深度報告-鍛造從“鐵馬”到高端裝備時代“金戈”1.鍛造工藝：歷史時代的分割器，金戈鐵馬的造就者1.1鍛造工藝源遠流長鍛造工藝歷史悠久，推動人類文明進入“鐵器時代”。人類工具的制造能力推動歷史進步，器具和生產工藝推動著人類歷史發展。人類歷史“三期論”：1836年，克里斯蒂安·于恩森·湯姆森提出了“三期論”，根據人類制作工具的材料，將人類歷史分為三個時期，即“石器時代”、“青銅時代”和

“鐵器時代”。陶器雖得到廣泛運用，但作為容器并非主要生產工具，未能獨立“引領”

一個時代，不過制陶工藝促進了冶金、鑄造、鍛造等制造工藝的發展。石器、青銅器、陶器的應用奠定了鍛造工藝與鐵器應用的條件。石器使用過程中對原材料的挖掘促進金屬的發現。據考古發現，約在250萬年前，東非出現了最初的人類，其一大特點是開始制造并使用打制石器，人類也進入了舊石器時代。最早約在公元前1萬年，人類開始制造并使用磨制石器，并進入了新石器時代。在采石過程中，人類發現了純的金屬。由于金、銀、銅具有相對惰性的化學性質，最先被人類發現并使用。大約公元前9000年，人類開始鍛造純銀和純銅，前期的鍛造品主要以小型裝飾品為主，后期隨著純金屬增多，也開始鍛造一些工具，主要以純銅為主。但在那個時代，石器依然是主導性生產工具，鍛造的純金屬工具量非常少。無論如何，鍛造自然金屬的活動豐富了人類對金屬的認識。陶窯的出現提供了高溫和還原性氣氛，促進冶金業發展。制陶業的發展為鍛造鋪墊了先決條件。早在舊石器時代，人類除了打磨石器作為工具之外，還發展出了另一項技能——制陶，伴隨陶器制造所產生的陶窯，早在公元前6000年就可以達到900攝氏度以上的高溫，并提供了CO還原性氣氛。人類早期使用的燃質主要是木材，在氧氣不充分的環境下，木材高溫燃燒所產生的氣態CO可以將黏土中紅色的氧化鐵（Fe2O3）還原成黑色的四氧化三鐵（Fe3O4）。冶金的發現是一個漫長的過程，人類從用石器做飾品到提煉出第一顆純銅用了五六千年的時間。鉆井技術拓寬了金屬采集渠道。古人為了飲水的需要，發展出了鑿井技術。礦石作為石材，一般儲藏于石質山和地下巖，而鑿井技術賦予了人類地下采礦的能力；冶金技術的發展也極大提高了人類上山下地找礦的熱情。1.2鍛造優勢明顯，順應裝備對于輕量化&高強度的要求鍛鐵強度更高、韌性更強、更經濟，推進人類進入鐵器時代。鍛鐵強度、韌性高于青銅，更適合冷兵器的制造。鐵本身的韌性與延展性高于銅，通過對高溫下鐵塊的反復鍛打，能增強其材料的強度。同等強度之下，鐵器的韌性遠優于青銅，青銅時代的冷兵器多做成刺戳型的短劍，而鐵器時代的冷兵器開始流行用于劈砍的刀。此外，鍛造工藝對金屬的延展性、韌性要求很高，作為鍛造的主要材料，鐵的發現與大規模使用也促進了鍛造工藝的發展。鐵在地殼中鐵含量相對豐度高于銅，更加經濟。地殼當中鐵元素豐度大于錫與銅，成本相對低廉。由于銅本身成本較高，青銅時代，青銅主要用于禮器和兵器，而無法完全取代石器成為主要生產工具。鐵器因經濟性完全取代了石器成為主要生產工具，更加促進了鍛造工藝的發展。金屬成型工藝分類：鑄造、塑性成型、機加工、焊接、粉末冶金、金屬注射成型、金屬半固態成型、3D打印等等。其中，鑄造和鍛造歷史最久、應用最廣。相比鑄造和機加工，鍛造在零件的完整性、紋理流線、零件的靈活性等方面具有優勢。塑性成型通過改變金屬顯微組織優化金屬性能。金屬材料在經過塑性變形后，不但改變了形狀和尺寸，而且其內部組織結構和性能隨之發生了一系列的變化。金屬材料的顯微組織會發生明顯的改變，各個晶粒單中除了出現大量的滑移帶、孿晶帶之外，其晶粒性轉給也會發生變化，即各個晶粒將沿著變形的方向被拉長或壓扁，金屬內部組織結構發生了變化，進而優化金屬的性能。鍛造還提供其他金屬加工工藝無法比擬的結構完整性。鍛造的主要原材料為金屬棒料、鑄錠等。這些原材料在其冶煉、澆注和結晶過程中，不可避免的會產生氣孔、縮孔和樹枝狀晶等缺陷，因而，鑄造工藝很難制造出能勝任需要承受沖擊或交變應力的工作環境的零部件（例如傳動主軸、齒圈、連桿、軌道輪等）。鍛造消除了會削弱金屬零件的內部空隙和氣穴。通過分散合金或非金屬的偏析，鍛造可提供優異的化學均勻性。可預測的結構完整性降低了零件檢查的要求，簡化了熱處理和機加工，并確保了在現場負載條件下的最佳零件性能。鍛造的晶粒特性決定鍛造件的方向韌性。通過在嚴格條件下使加熱的金屬機械變形，鍛造可以使粗大晶粒細化，得到致密的金屬組織，進而得到可預測的晶粒尺寸和流動特性。在實際操作中，通過對鍛件進行預加工，可以改善鑄錠的樹枝狀結構并消除孔隙，提高鍛件的力學性能。這種品質轉化為卓越的冶金和機械品質，并在最終零件中提供更好的方向韌性。鍛造件擁有最佳的金屬紋理流線。鍛造是在加壓設備及工（模）具的作用下，使坯料或鑄錠產生局部或全部的塑性變形，以獲得一定幾何尺寸、形狀的零件（或毛坯）并改善其組織和性能的加工方法。金屬材料經過鍛造加工后，形狀、尺寸穩定性好，組織均勻，纖維組織合理，具有最佳的綜合力學性能。2.開刀闊斧打造重型裝備，大國競爭的必要重器2.1鍛造是工業時代兵家必爭之技近代多項理論基礎為鍛造技術奠基，而1653年帕斯卡原理的發現和提出，推動了人類鍛造設備的發展與迭代。鍛造技術以塑性成形原理、金屬學、摩擦學為理論基礎，同時涉及傳熱學、物理化學、機械運動學等相關學科，以各種工藝學，如鍛造工藝學等，與其它學科一起支撐著機器制造業。帕斯卡原理的發現推開了大型鍛造設備之門。1653年，法國物理學家帕斯卡發現不可壓縮靜止流體中任意一點受外力產生壓強增值后，此壓強增值瞬時間傳至靜止流體各點，并據此提出了帕斯卡原理運用這一原理，可以在同一個流體系統中連接兩個活塞，通過對小活塞施加小推力，通過流體中的壓力傳遞，就會在大活塞中產生較大的推力。帕斯卡原理也因此運用在水壓機之中，為液壓鍛造機的發明奠定了基礎。美國最先制造萬噸以上鍛造設備，大型鍛造設備備受美、蘇、德、法、捷克斯洛伐克等制造業強國重視。1893年，美國伯利恒鋼鐵公司制造出世界首臺萬噸自由鍛造水壓機，蘇、德隨即跟上步伐。20世紀初，隨著重型機械設備的發展，水壓機的噸位迅速提高。在1905年首次出現以油為工作介質的油壓機，性能得到進一步改善。1934年，前蘇聯在新克拉瑪托爾斯克重型機械廠（NM

）建成了第一臺10000噸的水壓機。同年，德國研制成功7000噸模鍛液壓機。此后，德國在1944年前相繼制造了30000噸模鍛水壓機1臺、15000噸模鍛水壓機3臺。二戰結束后大國爭相發展大型模鍛壓機。1945年二戰結束后，美、蘇兩國開始意識到大型模鍛壓機的重要性，以戰爭賠償的理由拆走了德國的4臺模鍛液壓機，美國拆走2臺15000噸模鍛液壓機，前蘇聯拆走15000噸及30000噸模鍛液壓機各1臺。這些設備也成為美、蘇兩國制造超大型模鍛壓機的技術基礎。1947年，國民黨政府也以戰爭賠償的理由從日本拆回5臺1000-3000噸級水壓機，這些水壓機作為“戰利品”，后來成為新中國鍛造裝備發展的起點。二戰結束后各國鍛造設備得到快速發展，1950年，美國開始實施“空軍重型壓機計劃”

（TheAirFreevyPressPrgrm），決定由聯邦政府出資建造兩臺世界最大的45000噸和兩臺31500噸模鍛壓機。1955年，美國梅斯塔（MESTA）重型機器廠為

美國鋁業（A

）建造了1臺45000噸模鍛壓機和1臺31500噸模鍛壓機。同年，美國勞威（LOEWY）公司也為威曼高登（Wymn-Grdn）建成了1臺45000噸模鍛壓機和1臺31500噸模鍛壓機。這4臺大型模鍛壓機為美國后來稱霸世界航空工業奠定了雄厚的基礎。這個時候捷克斯洛伐克還是以共和國的形式存在的，還沒有解體為兩個獨立的國家，1956年，他們成功地在SODA廠投產了1臺12000噸的模鍛液壓機。后來我國大躍進時期，為促進重工業發展，從捷克斯洛伐克進口了1臺12000噸的自由鍛造水壓機，安裝在當時還在籌建中的德陽第二重型機械廠。前蘇聯為發展航空工業大力推進鍛造業發展。自1957年起，至1964年止，前蘇聯為發展航空航天工業，先后建造了6臺萬噸級以上的模鍛液壓機，其中包括2臺當時世界最大的75000噸級的模鍛液壓機、3臺30000噸級的模鍛液壓機和1臺15000噸級的模鍛液壓機，這6臺的主要建造商是新克拉馬托重型機器廠（

M3）、烏拉爾重機廠（Y3TM）和新西伯利亞重機廠。其中新克拉馬托重型機器廠（

M3），為前蘇聯建造了兩臺世界最大的7.5萬噸級模鍛液壓機，分別安裝在古比雪夫鋁廠和上薩爾達鈦廠。這兩臺當時世界最大的巨型機器，總高34.7米，長13.6米，寬13.3米，基礎深入地下21.9米，總重20500噸。工作臺尺寸16米×3.5米，采用12缸8柱上傳動，模具空間凈高4.5米，滑塊行程2000mm。它們是前蘇聯航空工業體系的國寶級裝備，1991年前蘇聯解體后，被俄羅斯繼承。該廠現在是俄羅斯最大的鈦合金產品制造商——上薩爾達冶金生產聯合公司

（VSMPO-AVISMA）。法國錯失鍛造發展機遇，航空制造業發展受到影響，必須向別國采購鍛壓機或者鍛壓零件。法國于1953年分別在伊索公司和Crut-Lire公司，建造了兩臺2萬噸級模鍛水壓機，用于制造航空鋁合金鍛件，但卻一直沒有超過40000噸的大型模鍛壓機。1976年，法國奧伯杜瓦（Aubet&Duv

）特鋼公司，向烏克蘭新克拉馬托重型機器廠（

M3），購買了一臺6.5萬噸模鍛水壓機，用于生產鈦合金模鍛件和航空鋁合金模鍛件。2005年，法國奧伯杜瓦公司，又從德國辛北爾康普集團（Siempekmp，1883年成立），訂購了一臺4萬噸級模鍛液壓機。但是受限于加工能力，歐洲空中客車公司制造A380大型客機時，用的起落架鈦合金構件，仍然需要送到俄羅斯的7.5萬噸級模鍛機上去加工。A380客機的兩個六輪三軸小車式主起落架，承重超過590噸，要求壽命達到60000個起落架次；采用Ti-1023鈦合金鍛造，長度達4.255米，重達3210公斤。這是目前世界最重的航空鈦合金模鍛件。新世紀美國仍為航空航天先進鍛造做努力。2005年，美國鋁業收購了俄羅斯薩馬拉冶金廠的75000噸級模鍛液壓機，薩馬拉冶金廠就是前蘇聯解體前的古比雪夫鋁廠。2001年，美國加州舒爾茨鋼廠就成功建造了1臺40000噸級的模鍛壓機。然而這并不能滿足快速發展的美國航空工業。投資1.1億美元翻新1955年在俄亥俄州克利夫蘭工廠建成的45000噸模鍛壓機。2015年，位于美國洛杉磯市的韋伯金屬公司(WeberMets)向德國西馬克集團梅爾公司訂購了1臺60000噸級540MN下拉式液壓模鍛機。2.2我國鍛造工業發展定位高，發展快我國鍛造工業起步較晚，鍛造工藝及設備制造工藝經歷了數十年的發展。從修復安裝日本戰后陪產20MN自由鍛造機，到目前在精密模鍛、等溫模鍛領域達到世界領先，歷經艱辛。自建國至今，我國自由錘鍛呈現從蒸汽動力向電業驅動的動力轉型，自由鍛造液壓機逐漸快速化、聯動化；模鍛錘從氣動逐漸轉向電液驅動，螺旋壓力機日漸離合器式電動化，模鍛液壓機得到了長足發展，為精密模鍛和等溫模鍛的發展創造了國際競爭優勢。1967年，中國第一重型機器廠建成亞洲最大的30000噸級模鍛水壓機，裝備重慶西南鋁加工廠（冶金部112廠）。該機于1973年9月投產，并服役至今，對于提高我國特種高強度合金鍛件加工能力，做出重要貢獻，被譽為中國工業“四大國寶”之一。停滯40年后迎來新一輪快速發展。我國自1973年投產第1臺30000噸級的模鍛壓機后，停滯了將近40年，2003年，中國工程院師昌緒院士，組織了由全國31個企事業單位，包括航空、機械、冶金、教育等部門的五位院士和17位專家，組成了《發展我國大型鍛壓裝備研究——建設8萬噸模鍛液壓機及其配套設備》咨詢組，再次向國家建議：在“十一五”期間建造一臺8萬噸級模鍛液壓機，和一臺1.5萬噸難變形合金擠壓機，以使我國盡快獲得鈦