簡述鋁合金鍛造工藝特點(diǎn)（上）

文/趙一平·本刊特約評論員

簡述鋁合金鍛造工藝特點(diǎn)（上）

文/趙一平·本刊特約評論員

概述

鋁和鋁合金是應(yīng)用最廣泛的一種有色金屬，其產(chǎn)量僅次于鋼鐵。若按地殼中的蘊(yùn)藏量而論，約占地殼質(zhì)量的8.13%，是鐵蘊(yùn)藏量的一倍多，比其他有色金屬蘊(yùn)藏量的總和還要多。

鋁合金特性

鋁合金的密度只有鋼的三分之一（鋁合金密度為2.7g/cm3，鋼密度為7.85g/cm3），鋁合金是輕量化的理想材料。比強(qiáng)度大、比剛度大、疲勞強(qiáng)度高，宜用于輕量化高的關(guān)鍵受力部件。鋁合金塑性較好，可加工成各種形狀復(fù)雜的高精度鍛件。鋁鍛件具有良好耐腐性、導(dǎo)熱性和非磁性，這是鋼鍛件無法比擬的。

鋁和鋁合金應(yīng)用廣泛

由于鋁和鋁合金具有優(yōu)異的性能，因此鋁和鋁合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、汽車、鐵道車輛、船舶艦艇、建筑、橋梁、化工、電力、電子、儀表、五金以及家庭生活用品等各個領(lǐng)域。

鋁合金代替某些鋼鐵可大為減輕機(jī)械產(chǎn)品的重量并增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此在航空、航天及許多國防工業(yè)部門中，鋁和鋁合金更是必不可少的材料。例如飛機(jī)上有許多鋁合金鍛件，鋁合金在飛機(jī)上的使用量為15%～50%。鋁材廣泛應(yīng)用于建筑、汽車和包裝，已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國家的三大用途。

鋁合金鍛件發(fā)展迅速

⑴鋁合金鍛件在國際上是一種發(fā)展趨勢。

因?yàn)槠囕p量化具有重要意義（降低油耗，減少環(huán)境污染），歐美日汽車巨頭都紛紛投入大量人力、財(cái)力研究降低汽車重量，采用鋁合金代替鋼材制作部分零件。例如，日本對鋁合金研發(fā)投入巨大人力和物力，2009年日本鋁合金鍛件產(chǎn)量30459t，占模鍛件總量的2.7%，本田汽車公司2004年10月發(fā)表的戰(zhàn)略報(bào)告中指出，每輛轎車使用200kg鋁合金零件（約占轎車總重量20%），其中40kg是鋁鍛件。

圖1 鋁合金輪轂

鋁合金鍛件在國際上是一種發(fā)展趨勢，大多數(shù)鍛件用于汽車車橋、底盤構(gòu)件，例如鋁合金輪轂（圖1）和鋁控制臂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁鍛件在世界鍛件總量中的占比由1985年的0.5%上升到2002年的15%。隨著節(jié)能環(huán)保的發(fā)展，今后鋁合金鍛件必將有更大發(fā)展。

⑵鋁合金鍛件發(fā)展迅速。

近年來，汽車用鋁合金鍛件獲得快速發(fā)展，由于全球氣候變暖，能源緊張；另外，消費(fèi)者要求乘車舒適，操控靈活，這些都對汽車工業(yè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，加快汽車工業(yè)輕量化發(fā)展（轎車重量減輕10%，油耗降低8%～10%）。根據(jù)會議資料介紹，美國每輛轎車鋁合金使用量（鍛件、沖壓件）達(dá)到36.3%，歐洲和日本每輛轎車鋁合金使用量超過自重15%以上，而國產(chǎn)轎車上鋁合金使用量較少。汽車專家預(yù)測，今后將有越來越多鋁合金鍛件替代鋼質(zhì)鍛件。

另外，高速列車輕量化也促使其采用鋁合金零件，例如，某鍛造企業(yè)就生產(chǎn)高速列車7075高強(qiáng)度鋁合金鍛件。

變形鋁合金可鍛性分析

可鍛性定義和衡量指標(biāo)

⑴鋁合金可鍛性定義。

鋁合金可鍛性（流動性）是指鋁合金在外力作用下充填模具型槽的能力?？慑懶愿?，即坯料充填模具型槽能力強(qiáng)。

⑵可鍛性衡量指標(biāo)。

可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力綜合衡量，塑性越高，變形抗力越小，則可鍛性越好?？慑懶匀Q于鋁合金本質(zhì)（塑性和強(qiáng)度極限）和加工條件?？慑懶允呛饬拷饘偻ㄟ^塑性加工獲得優(yōu)良零件的難易程度的工藝性能指標(biāo)。

鋁合金可鍛性特點(diǎn)

鋁合金可鍛性特點(diǎn)是指與碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼可鍛性比較而言。

⑴鋁合金高溫變形抗力特點(diǎn)。

①各種鋁合金高溫變形抗力相差大。鋁合金變形抗力（也稱流動應(yīng)力）隨成分不同而有明顯改變，一些低強(qiáng)度鋁合金和中等強(qiáng)度鋁合金，如6000系鋁合金高溫變形抗力較低，而高強(qiáng)度鋁合金尤其是Al-Zn-Mg-Cu鋁合金，如7000系鋁合金高溫變形抗力較高。

圖2 碳鋼和鋁合金強(qiáng)度極限隨溫度變化曲線

例如鍛鋁2A50鋁合金500℃強(qiáng)度極限20MPa，而硬鋁2A12鋁合金500℃強(qiáng)度極限40MPa，兩者相差一倍，即所需鍛造變形載荷相差約2倍（圖2和表1）。

②多數(shù)常用變形鋁合金室溫變形抗力比碳鋼低，但其高溫變形抗力有三種：比碳鋼低，與碳鋼相當(dāng)，還有比碳鋼高。

③鋁合金變形抗力對溫度很敏感（隨溫度增加或降低變化迅速）：隨溫度下降，其高溫變形抗力增長迅速，比碳鋼快。由表1和表2比較可知，高溫強(qiáng)度極限增長速度比碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼迅速，碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼溫度下降100℃，強(qiáng)度極限約增加50%，而鋁合金溫度下降50℃，強(qiáng)度極限增加50%～300%。所以鋁合金，尤其合金化程度高的鋁合金不能在溫度低的工況下終鍛，故鋁合金鍛造溫度范圍窄，操作應(yīng)迅速。鋁合金模鍛生產(chǎn)時的變形抗力決定其材料本身強(qiáng)度極限、加工條件以及鍛件的復(fù)雜程度。

⑵鋁合金塑性特點(diǎn)。

塑性系指金屬材料在外力作用下，發(fā)生變形而不破壞其完整性的能力。鋁合金模鍛時的塑性決定其材料本身塑性和加工條件。鋁合金與模具表面的摩擦系數(shù)是鋼的3倍，流動速度只是鋼的一半，黏附力強(qiáng)且流動性差、塑性差。

綜上所述，由于各種鋁合金內(nèi)合金元素的種類和含量不同，強(qiáng)化相的性質(zhì)、數(shù)量及分布特點(diǎn)不同，從而嚴(yán)重影響鋁合金的塑性和變形抗力。另外，加工條件也極大影響鋁合金塑性和變形抗力。故鋁合金可鍛性（流動性）比碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼差，但比高溫合金和鈦合金好。

加工條件對鋁合金可鍛性影響

加工條件影響鋁合金可鍛性比碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼敏感，即加工條件嚴(yán)重影響變形鋁合金可鍛性。

⑴坯料變形溫度。

各種鋁合金可鍛性（流動性）隨著溫度的增加而增加，但溫度對各種鋁合金的影響程度有所不同，其溫度效應(yīng)存在相當(dāng)大的差異。例如，高含硅量的4032鋁合金的可鍛性對溫度變化很敏感，而高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系7075等鋁合金可鍛性受溫度影響較小。

表1 幾種常用變形鋁合金在不同溫度下的強(qiáng)度極限（MPa）

表2 部分常用鋼材在不同溫度下的強(qiáng)度極限（MPa）

若鋁合金坯料鍛造溫度合理，則變形抗力小，塑性好。但是若坯料溫度過高，則易引起粗晶，甚至過燒。若坯料鍛造溫度較低，則變形抗力增大，可鍛性差，還易產(chǎn)生粗晶。故采用合理鍛造溫度是鋁合金鍛造工藝成敗的關(guān)鍵。

⑵坯料變形速度。

變形速度是指單位時間內(nèi)的變形量。變形速度快對可鍛性有兩方面影響：一.變形過程中產(chǎn)生變形熱，使金屬溫度升高（稱熱效應(yīng)現(xiàn)象），變形速度越大，熱效應(yīng)越顯著，則提高金屬塑性，降低變形抗力，增加可鍛性。二.變形速度過快，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時克服加工硬化現(xiàn)象，金屬塑性下降，變形抗力增加，則可鍛性降低。

鋁合金對變形速度比較敏感，鋁合金變形熱效應(yīng)也比較強(qiáng)烈，快速變形引起快速升溫將會引發(fā)鋁鍛件一系列缺陷（粗晶、晶粒結(jié)構(gòu)不均勻），另外高速鍛造還增加變形抗力（熱效應(yīng)雖然降低變形抗力，但是由變形速度所增加的變形抗力更大），原則上不推薦采用鍛錘。變形速度慢有利鋁合金模鍛，但是過低的變形速度（液壓機(jī)）會導(dǎo)致生產(chǎn)率低。

⑶模具預(yù)熱。

模具預(yù)熱非常重要，模具溫度不僅影響鋁合金坯料可鍛性，而且影響模具壽命（預(yù)熱不當(dāng)，模具過早失效），是鋁合金鍛造成敗的關(guān)鍵因素之一。鋁合金熱導(dǎo)率高，為防止坯料熱量過快散失，必須把模具和與工件接觸的工具預(yù)熱到較高溫度。小型模具預(yù)熱時間在2h以上，預(yù)熱溫度≥200℃（由鋁合金和模具鋼種類確定），大型模具需要更長時間。

模具預(yù)熱正確，既有利于鋁合金鍛造（可鍛性好，避免產(chǎn)生表面起皮和粗晶等缺陷），又提高模具使用壽命。

⑷模具潤滑。

在鍛造溫度下，鋁合金鍛造流動性差（摩擦系數(shù)是鋼的3倍，流動速度是鋼的1/2），粘模傾向嚴(yán)重。因而在鍛造鋁合金時，模具潤滑就顯得特別重要。模具潤滑可以改善金屬流動，防止粘模，減少鍛件表面缺陷，并可使模鍛變形抗力降低9%～15%。

⑸模具粗糙度。

模具粗糙度直接影響金屬流動性，所以模具表面應(yīng)進(jìn)行拋光，模具型槽表面光潔明亮，粗糙度應(yīng)達(dá)到≤Ra0.4μm。若模具型槽粗糙度高，不僅影響鋁合金可鍛性，而且對復(fù)雜鋁合金鍛件還易產(chǎn)生折疊。

⑹變形應(yīng)力狀態(tài)。

實(shí)踐證明，金屬變形時，三個方向中的壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬塑性越好。拉應(yīng)力數(shù)目越多，則金屬塑性越差。

而同號應(yīng)力狀態(tài)下引起的變形抗力大于異號應(yīng)力狀態(tài)下的變形抗力。所以鋁合金模鍛，宜采用閉式模鍛（三向壓應(yīng)力狀態(tài)變形），提高鋁合金塑性變形和一次變形程度。

綜上所述，常用變形鋁合金在鍛造溫度下，與模具摩擦系數(shù)大，黏附力強(qiáng)，流動性差，故鋁合金可鍛性差（與碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼比）。但是，只要變形鋁合金模鍛時的加工條件合理和優(yōu)化，即采用合理的變形溫度和速度、潤滑良好、模具粗糙度≤Ra0.4μm和預(yù)熱、并采用閉式模鍛等，鋁合金與碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼一樣，變形抗力小，塑性好，可鍛性優(yōu)，可用來生產(chǎn)各種形狀和類別的鍛件。

《簡述鋁合金鍛造工藝特點(diǎn)（下）》見《鍛造與沖壓》2016年第17期