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一文了解鋁合金加工有哪些工藝？

純鋁的密度小，大約是鐵的1/3，熔點(diǎn)低，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，故不宜做結(jié)構(gòu)材料。通過長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度。這樣使得其“比強(qiáng)度”勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕 50%以上。

隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對鋁合金結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的加工性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金加工技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)加工技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的加工技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。

 

一、鋁合金的熔煉

熔煉是為塑性加工提供坯錠。熔煉爐多用燃?xì)夥瓷錉t或燃油反射爐，一般容量為20～40噸或更大；也采用電阻加熱反射爐，容量一般為10噸左右。為縮短裝爐時(shí)間，提高熔化效率，減少吸收氣體和卷入氧化膜，工業(yè)上已采用傾轉(zhuǎn)式頂裝料圓型爐。熔煉時(shí)最好應(yīng)用快速分析儀器分析合金成分，并及時(shí)調(diào)整。為保證熔體純 潔，防止有害氣體的污染和控制化學(xué)成分，除了盡可能縮短熔煉時(shí)間外，宜用以氯化鉀和氯化鈉為主的粉狀熔劑覆蓋，一般用量為爐料重量的0.4～2%。熔煉溫度通?？刂圃?00～750℃。

熔化后的金屬還需進(jìn)行精煉和過濾，以除掉金屬中的有害氣體氫和非金屬夾雜物，以提高金屬純潔度。精煉通常用固體精煉劑或氣體精煉劑。固體精煉劑一般以氯鹽為主，也用以六氯乙烷代替氯鹽的精煉劑。早期使用活性強(qiáng)的氯氣作氣體精煉劑，凈化效果雖好，但對環(huán)境污染嚴(yán)重，因此發(fā)展出氮-氯混合氣體、惰性氣和三氣體精煉劑 ,效果較好。為保證精煉效果，精煉氣體中的氧和水分含量一般應(yīng)分別小于 0.03%和 0.3 克/米3。動態(tài)真空除氣法也具有較好的除氣和除鈉效果。

過濾是讓熔體金屬通過中性或活性材料制 成的過濾器，除去熔體中處于懸浮狀的夾雜物。常用玻璃絲網(wǎng)、微孔陶瓷管和板、氧化鋁粒作過濾床進(jìn)行過濾，也可用電熔劑精煉、熔劑層過濾。

 

二、鋁合金的鑄造

鑄造一般采用立式或水平式水冷半連續(xù)鑄 造法。為改善立式鑄造的坯錠組織和表面質(zhì)量，還發(fā)展出電磁結(jié)晶槽、矮結(jié)晶槽和熱頂鑄造法（見金屬的凝固）。水冷半連續(xù)鑄造法是通過流槽將液體金屬導(dǎo)入用水冷卻的結(jié)晶器內(nèi)，使液體金屬冷卻形成凝固的外殼，由鑄造機(jī)底座牽引或靠自身重量均勻下降而脫出結(jié)晶器，形成坯錠。工藝參數(shù)因合金成分和坯錠尺寸的不同，差異很大。一般應(yīng)盡量提高鑄造速度和冷卻速度，降低結(jié)晶槽的高度。鑄造溫度通常比合金的液相線高 50～110℃。此外,還發(fā)展出鋁板帶連續(xù)鑄軋工藝。板材、帶材生產(chǎn) 采用平輥軋制，基本工序?yàn)闊彳?、冷軋、熱處理和精整。對化學(xué)成分復(fù)雜的 LY12、LC4 等硬鋁合金，熱軋前應(yīng)進(jìn)行均勻化處理。處理溫度一般低于合金中低熔點(diǎn)相的共晶溫度10～15℃，保溫12～24小時(shí)。硬鋁合金的包鋁是將包鋁板放在經(jīng)過銑面的坯錠兩面，借助于熱軋焊合。包鋁層的厚度一般為板材厚度 的 4%。熱軋一般在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行。熱軋可在單機(jī)架可逆軋機(jī)上進(jìn)行，或在多機(jī)架上實(shí)行連軋。為提高成品率和生產(chǎn)效率發(fā)展大鑄錠軋制，錠重達(dá)10～15噸以上。年產(chǎn)量在10 萬噸以下的工廠，一般用四輥可逆熱軋和采用熱上卷工藝，熱軋帶材厚度為6～8 毫米左右。產(chǎn)量10萬噸以上的工廠，多在四輥可逆熱軋機(jī)開坯后采用單機(jī)架或兩機(jī)架、三機(jī)架、五機(jī)架連軋，實(shí)行熱精軋，帶材厚度可達(dá)2.5～3.5毫米。熱軋帶材成卷后作為冷軋坯料。為保證金屬有最佳的塑性，應(yīng)在單相組織狀態(tài)下進(jìn)行熱軋。LY11、LY12 等合金的熱軋開坯溫度為 400～455℃。前幾道道次變形率一般在10%以內(nèi)，以后逐漸增大。純鋁和軟鋁合金道次變形率可達(dá)50%，硬鋁合金則為40%左右。熱軋總變形率可達(dá)90%以上。冷軋常在室溫下進(jìn)行，通過冷軋可獲得尺寸精確、表面光潔和平整的較薄的板材和帶材，并可獲得具有特定力學(xué)性能的加工硬化的板材和帶材。冷軋主要采用帶式法生產(chǎn)工藝，應(yīng)用四輥可逆軋機(jī)或四輥不可逆軋機(jī)進(jìn)行冷軋，當(dāng)前發(fā)展不可逆軋機(jī)進(jìn)行冷軋。軋機(jī)裝備有液壓壓下、液壓彎輥、厚度自動控制系統(tǒng)或測輥縫的厚度自動控制系統(tǒng)及板形控制儀，由微型電子計(jì)算機(jī)控制、記錄、儲存各種參數(shù)，以獲得尺寸精確、板形平整的板帶材，如 0.18 毫米帶材公差可達(dá)±5 微米。小工廠也有塊式法生產(chǎn)板材的。退火后鋁的冷變形率 可達(dá) 90%以上。多相的硬鋁合金冷加工硬化明顯，需中間退火。中間退火后的冷變形率為60～70%。熱軋用乳液潤滑，冷軋已由乳液發(fā)展為全油潤滑。采用單獨(dú)控制噴嘴的多段冷卻系統(tǒng)，以減少鋁板和軋輥的摩擦，冷卻軋輥，控制輥型，洗除鋁粉及其他雜質(zhì)，以獲得良好的表面質(zhì)量及板形。經(jīng)冷軋和熱處理后的帶卷常在輥式矯直機(jī)上或在拉彎連續(xù)矯直機(jī)列上進(jìn)行精整。平整淬火后的板片應(yīng)在時(shí)效孕育期內(nèi)進(jìn)行，一般在淬火后30～40分鐘內(nèi)完成。淬火板的平直壓光總變形量不應(yīng)超過2%。1955 年試驗(yàn)成功的鋁板帶連續(xù)鑄軋可生產(chǎn)薄板和鋁箔坯料。中國于70 年代初開始用此法生產(chǎn)薄板。

 

三、熔煉及鑄造的相關(guān)過程

為了保證制品最終性能的熱處理稱為成品熱處理，包括成品退火、固溶處理、淬火、自然時(shí)效和人工時(shí)效處理；此外，還發(fā)展出分級時(shí)效和形變熱處理工藝。時(shí)效處理不僅改善制品的力學(xué)性能，而且改善制品的抗應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性。固溶加熱后至淬火前的轉(zhuǎn)移時(shí)間一般應(yīng)控制在30秒以內(nèi)。淬火的冷卻速度，既要保證獲得過飽和固溶體，又要不使制品產(chǎn)生過大的淬火應(yīng)力和彎曲變形。帶卷和板材在強(qiáng)有力循環(huán)通風(fēng)的箱式爐、井式爐、立式板材連續(xù)退火爐或氣墊式連續(xù)退火爐中進(jìn)行退火，新式爐采 用保護(hù)氣氛。淬火一般在鹽浴槽中進(jìn)行加熱，新工藝采用氣墊式連續(xù)淬火爐淬火。

（一）按工件在變形過程中的受力與變形方式分類

按此法鋁及鋁合金加工可分為軋制、擠壓、拉拔、鍛造、旋壓、成形加工及深度加工等。

A.軋制

軋制是錠坯依靠摩擦力被拉進(jìn)旋轉(zhuǎn)的軋輥間 ，借助于軋輥施加的壓力， 使其橫斷面減小，形狀改變，厚度變薄而長度增加的一種塑性變形過程。根據(jù)軋輥旋轉(zhuǎn)方向不同，軋制又可分為縱軋、橫軋和斜軋。縱軋時(shí)，工作軋輥的轉(zhuǎn)動方向相反，軋件的縱軸線與軋輥的軸線相互垂直，它是鋁合金板、帶、箔材平輥軋制中最常用的方法；橫軋時(shí)，工作軋輥的轉(zhuǎn)動方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸 線相互平行，在鋁合金板帶材軋制中很少使用 ；斜軋時(shí)，工作軋輥的轉(zhuǎn)動方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸線成一定的傾斜角度。在生產(chǎn)鋁合金管材和某些異形產(chǎn)品時(shí)常用雙輥或多輥斜軋。根據(jù)輥系不同，鋁合金軋制可分為兩輥系軋制，多輥系軋制和特殊輥系(如行星式軋制、V 形軋制等)軋制：根據(jù)軋輥形狀不同，鋁合金軋制可分為平輥軋制和孔型輥軋制等。根據(jù)產(chǎn)品品種不同，鋁合金軋制又可分為板、帶、箔材軋制，棒材、扁條和異形型材軋制，管材和空心型材軋制等。

B.擠壓

擠壓是將錠坯裝入擠壓筒中，通過擠壓軸對金屬施加壓力，使其從給定形狀和尺寸的?？字袛D出，產(chǎn)生塑性變形而獲得所要求的擠壓產(chǎn)品的一種加工方法。按擠壓時(shí)金屬流動方向不同．?dāng)D壓又可分為正向擠壓、反向擠壓和聯(lián)合擠壓。正向擠壓時(shí)，擠壓軸的運(yùn)動方向和擠出金屬的流動方向一致，而反向擠壓時(shí)，擠壓軸的運(yùn)動方向與擠出金屬的流動方向相反。按錠坯的加熱溫度，擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓時(shí)是將錠坯加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行擠壓，冷擠壓是在室溫下 進(jìn)行擠壓。

C.拉拔

拉拔是拉伸機(jī)(或拉拔機(jī))通過夾鉗把鋁及鋁合金坯料(線坯或管坯)從給定形狀和尺寸的模子中拉出來，使其產(chǎn)生塑性變形而獲得所需的管、棒 、型、線材的加工方法。根據(jù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品品種和形狀不同，拉伸可分為線材拉伸、管材拉伸、棒材拉伸和型材拉伸。管材拉伸又可分為空拉、帶芯頭拉伸和游動芯頭拉伸。拉伸加工的主要要素是拉伸機(jī)、拉伸模和拉伸卷筒。根據(jù)拉伸配模，拉伸可分為單模拉伸和多模拉伸。

D.鍛造

鍛造是鍛錘或壓力機(jī)(機(jī)械的或液壓的)通過錘頭或壓頭對鋁及鋁合金鑄錠或鍛坯施加壓力，使金屬產(chǎn)生塑性變形的加工方法。鋁合金鍛造有自由鍛和模鍛兩種基本方法。自由鍛是將工件放在平砧(或型砧)間進(jìn)行鍛造；模鍛是將工件放在給定尺寸和形狀的模具內(nèi)，然后對工件施加壓力進(jìn)行鍛造變形，而獲所要求的模鍛件。鍛造的修傷工藝是鋁合金模鍛工藝中的重要一環(huán)。由于鋁 合金在高溫下較軟，粘性大，流動性差，容易粘模并產(chǎn)生各種表面缺 陷(折疊、毛刺、裂紋等)，在進(jìn)行下一道工序前，必須打磨、修傷，將表 面缺陷清除干凈，否則在后續(xù)工序中缺陷將進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至引起鍛件報(bào)廢。

修傷用的工具有風(fēng)動砂輪機(jī)、風(fēng)動小銑刀、電 動小銑刀及扁鏟等。修傷前先經(jīng)腐蝕查清缺陷部位，修傷處要圓滑過渡，其寬度應(yīng)為深度的5～10倍。

E.鋁材的其他塑性成形方法

目前，人們還研究開發(fā)出了多種新型的鋁材加工方法，它們主要是：

(1)壓力鑄造成形法，如低、中、高壓成形 ，擠壓成形等。

(2)半固態(tài)成形法，如半固態(tài)軋制、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)拉拔、液體模鍛等。

(3)連續(xù)成形法，如連鑄連擠、高速連鑄軋 、Conform連續(xù)擠壓法等。

(4)復(fù)合成形法，如層壓軋制法，多坯料擠壓法等。

(5)變形熱處理法等。鋁及鋁合金加工材中以壓 延材(板、帶、條、箔材)和擠壓材(管、棒、型、線材)應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大，據(jù)近年的統(tǒng)計(jì)，這兩類材料的年產(chǎn)量分別占世界鋁材總年產(chǎn)量(平均)的 58%和 39%左右，其余鋁加工材，如鍛造產(chǎn)品等，僅占鋁材總產(chǎn)量的百分之幾。

（二）按工件在加工過程中的溫度特征分類

鋁及鋁合金塑性成形方法很多，通常按工件在加工時(shí)的溫度特征和工
件在變形過程中的受力與變形方式(應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài))來進(jìn)行分類。按工件在加工過程中的溫度特征，鋁及鋁合金加工可分為熱加工、冷加工和溫加工 。

A.熱加工

熱加工是指鋁及鋁合金錠坯在再結(jié)晶溫度以上所完成的塑性成形過程。熱加工時(shí)，錠坯的塑性較高而變形抗力較低，可以用能力較小的設(shè)備生產(chǎn)變形量較大的產(chǎn)品。為了保證產(chǎn)品的組織性能，應(yīng)嚴(yán)格控制工件的加熱溫度、變形溫度與變形速度、變形程度以及變形終了溫度和變形后的冷卻速度。常見的鋁合金熱加工方法有熱擠壓、熱軋制、熱鍛壓、熱頂鍛、液體模鍛冷、加半工固態(tài)成形、連續(xù)鑄軋、連鑄連軋 、連鑄連擠等。

B.冷加工

冷加工是指在不產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶的溫度以下所完成的塑性成形過程。冷加工的實(shí)質(zhì)是冷加工和中間退火的工藝組合過程。冷加工可得到表面光潔、尺寸精確、組織性能良好和能 滿足不同性能要求的最終產(chǎn)品 ：最常見的冷加工方法有冷擠壓、冷頂鍛、管材冷軋、冷拉拔、板帶箔冷軋 、冷沖壓、冷彎、旋壓等。

C.溫加工

溫加工是介于冷、熱加工之間的塑性成形過程。溫加工的主要目的是為了降低金屬的變形抗力和提高金屬的塑性性能(加工性)：最常見的溫加工方法有溫?cái)D、溫軋、溫頂鍛等。

 

四、鋁合金的表面處理

鋁合金板材按表面處理方式可分為非涂漆產(chǎn)品和涂漆產(chǎn)品兩大類。

（1）非涂漆類產(chǎn)品

可分為錘紋鋁板、壓花板和預(yù)鈍化氧化鋁表面處理板。此類產(chǎn)品在板材表面不做涂漆處理，對表面的外觀要求不高，價(jià)格也較低。

（2） 涂漆類產(chǎn)品
按涂裝工藝可分為：噴涂板產(chǎn)品和預(yù)輥涂板；按涂漆種類可分為：聚酯、聚氨酯、聚酰胺、改性硅、環(huán)氧樹脂、氟碳等。

多種涂層中，主要性能差異是對太陽光紫外線的抵抗能力， 其中在正面最常用的涂層為氟碳漆（PVDF），其抵抗紫外線的能力較強(qiáng)；背面可選擇聚酯或環(huán)氧樹脂涂層作為保護(hù)漆。另外正面還可貼一層可撕掉的保護(hù)膜。

 

五、鋁合金缺陷修復(fù)

生產(chǎn)過程中，鋁合金容易出現(xiàn)縮孔、砂眼 、氣孔和夾渣等鑄造缺陷。如何修復(fù)鋁合金鑄件氣孔等缺陷呢？如果用電焊、氬焊等設(shè)備來修補(bǔ)，由于放熱量大，容易產(chǎn)生熱變形等副作用，無法 滿足補(bǔ)焊要求。

冷焊修復(fù)機(jī)是利用高頻電火花瞬間放電、無熱 堆焊原理來修復(fù)鑄件缺陷。由于冷焊熱影響區(qū)域小，不會造成基材退火變形，不產(chǎn)生裂紋、沒有硬點(diǎn)、硬化現(xiàn)象。而且熔接強(qiáng)度高，補(bǔ)材與基體同時(shí)熔化后的再凝固，結(jié)合牢固，可進(jìn)行磨、銑、銼等加工，致密不脫落。冷焊修復(fù)機(jī)是修補(bǔ)鋁合金氣孔、砂眼等細(xì)小缺陷的理想方法。

焊、氬焊等設(shè)備來修補(bǔ)，由于放熱量大,容易產(chǎn)生熱變形等副作用,無法滿足補(bǔ)焊要求。冷焊修復(fù)機(jī)是利用高頻電火花瞬間放電、無熱堆焊原理來修復(fù)鑄件缺陷。由于冷焊熱影響區(qū)域小，不會造成基材退火變形，不產(chǎn)生裂紋、沒有硬點(diǎn)、硬化現(xiàn)象。而且熔接強(qiáng)度高，補(bǔ)材與基體同時(shí)熔化后的再凝固,結(jié)合牢固,可進(jìn)行磨、銑、銼等加工，致密不脫落。冷焊修復(fù)機(jī)是修補(bǔ)鋁合金氣孔、砂眼等細(xì)小缺陷的理想方法。

 

六、鋁合金加工對刀具的要求

工業(yè)鋁合金零件的加工對刀具有很高的要 求，尤其是航空工業(yè)中的鋁合金，刀具在具有高性價(jià)比的同時(shí)還必須滿足高 質(zhì)量加工的需求。由于整體硬質(zhì)合金刀具具有非常鋒利的切削刃和槽型，其在鋁合金精加工中切削力小，并且具有容屑空間大，排屑順暢等優(yōu)點(diǎn)，因此整體硬質(zhì)合金刀具逐漸取代了傳統(tǒng)的高速鋼刀具。

此外，硬質(zhì)合金的彈性模量大約是鋼 的 3 倍，這就意味著在負(fù)載相同的情況下，整體硬質(zhì)合金刀具的變形量僅為可 轉(zhuǎn)位刀具的三分之一。整體硬質(zhì)合金立銑刀還可以做成螺旋刃，這樣就能 平穩(wěn)地進(jìn)行切入和切出，排屑也很平穩(wěn)順暢，這些都有助于減小切削力的波動從而抑制由此帶來的振動趨勢?？赊D(zhuǎn)位刀片刀具系統(tǒng)可以為鋁粗加工和精加工帶來潛在的優(yōu)勢，特別是使用 25至100mm的中等至大直徑刀具時(shí)。用于鋁合 金加工的可轉(zhuǎn)位立銑刀無需重磨，具有更好的安全性、通用性 和更高的金屬去除率，具有無與倫比的性能。然而，很多情況下的精加工都不能達(dá)到所需的水平。在研發(fā)用于鋁合金加工的新型立銑刀概念時(shí)， 可以通過修改一系列參數(shù)來取得使用可轉(zhuǎn)位刀片進(jìn)行徑向銑削時(shí)關(guān)鍵性的突破。主要的技術(shù)難點(diǎn)包括 ：平穩(wěn)的切削作用、良好的切屑形成、極高的材料去除率、低功耗、很好的表面粗糙度和最小的接刀痕跡等等，確保高轉(zhuǎn)速下刀具的安全性。