簡(jiǎn)說鋁合金鍛造與鍛件在汽車上的應(yīng)用

王 勇，王祝堂

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326；2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100814）

0 前言

鍛造是一種利用鍛壓機(jī)對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，它是制備高性能、高品質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要工藝。由于鋁合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天器、汽車摩托車、高鐵和磁懸浮車輛、船舶艦艇、國防軍工器械、通訊器材等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)由于節(jié)能減排的需要，其應(yīng)用越來越廣。但是在鑄件和壓鑄件、平軋產(chǎn)品、擠壓和拉拔產(chǎn)品、鍛件這四大類產(chǎn)品中，鍛件的消費(fèi)量最小，可以說微不足道。在有些國家和地區(qū)，把沖擠也歸為鍛造。

1 鍛造特點(diǎn)和分類

1.1 特點(diǎn)

鍛造有四大特點(diǎn)：一是使坯料在鍛造過程中發(fā)生明顯的塑性變形，能消除金屬的鑄態(tài)疏松、焊合孔洞，從而提高工件的力學(xué)性能；二是能在保持金屬整體性的前提下，依靠塑性變形發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)工件形狀和尺寸的變化，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械切屑，材料利用率高；三是除尺寸和形狀發(fā)生改變外，能使工件的組織和性能都有較大改善和提高；四是鍛件的尺寸精度和表面質(zhì)量較高。

1.2 分類

鍛造按成型方式可分為自由鍛造和模鍛；按變形溫度可將鍛造分為冷鍛、溫鍛、熱鍛、等溫鍛。

1.2.1 自由鍛造和模鍛

（1）自由鍛造。自由鍛造是鑄錠開坯及鍛制棒材、餅材及環(huán)材等的主要工藝之一，可以改善材料的組織結(jié)構(gòu)、提高性能，直接鍛成有一定形狀的工件；或作為開坯工序，為擠壓、軋制提供中間產(chǎn)品。采用自由鍛造的另一類坯料為鑄錠或粉末冶金燒結(jié)坯料。鑄錠往往含有一定量的粗大柱狀晶，晶界總聚集著一些有害的夾雜物，這會(huì)削弱晶間強(qiáng)度。燒結(jié)坯料中存在的疏松、孔隙使材料塑性下降，易斷裂。因此必須通過鍛造和再結(jié)晶來改善材料性能。

自由鍛造運(yùn)用的基本裝備是水壓鍛造機(jī)和蒸汽—空氣錘。采用快錘水壓機(jī)和精鍛機(jī)可以制備組織均勻、尺寸較為精準(zhǔn)的鍛件。常用的自由鍛工藝為鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔和擴(kuò)孔，見圖1。

圖1 自由鍛造工藝示意圖

鐓粗是使坯料高度降低而橫截面增加的工藝。該工藝將小截面坯料制成大截面的，如餅件、環(huán)件，或者是為了提高鑄造組織破碎程度，使鍛件具有需要的組織性能，提高拔長(zhǎng)鍛造比。拔長(zhǎng)是使坯料橫截面減小、長(zhǎng)度增加的工藝。坯料截面積和成品截面積之比稱為鍛比，為了全面破碎坯料的鑄造組織，鍛比宜＞3。為了加大鍛比，可以把拔長(zhǎng)工序和鐓粗工序合二為一。通常，高塑性合金拔長(zhǎng)時(shí)可用平砧，對(duì)于中低塑性以及對(duì)鍛件內(nèi)部組織要求高的合金宜采用型砧。

沖孔是在坯料上制出透孔或盲孔的工藝。常用的工藝有：實(shí)心沖頭沖孔、空心沖頭沖孔和墊環(huán)上沖孔。擴(kuò)孔是減小空心坯料壁厚而同時(shí)增加其內(nèi)外直徑的工藝。擴(kuò)孔方法主要有沖頭擴(kuò)孔和馬扛擴(kuò)孔，沖頭擴(kuò)孔時(shí)坯料切向受拉應(yīng)力，每次擴(kuò)孔量都不大；馬杠擴(kuò)孔時(shí)坯料切向拉應(yīng)力很小，不會(huì)產(chǎn)生裂紋，適于鍛造薄壁環(huán)形件。

（2）模鍛。這是一種批量制備鍛件的工藝，使金屬材料在一定形狀模腔內(nèi)變形，可以制備形狀和尺寸都接近成品件的鍛件。和自由鍛件相比，模鍛件可以節(jié)省工件的機(jī)械加工量和材料消耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)可以制造形狀復(fù)雜的鍛件。制備組織優(yōu)秀和力學(xué)性能要求高且需要的量較多時(shí)，選用模鍛才適合與劃算。

模鍛用的坯料主要是預(yù)擠壓、軋制或自由鍛造的半成品，也可以用粉末冶金毛坯或噴射成型料，所用的裝備為：蒸汽—空氣錘、高速錘、熱模鍛壓力機(jī)、模鍛水壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)和臥式鍛壓機(jī)。模鍛的基本形式有兩種：有毛邊的開式模鍛和無毛邊的閉式模鍛（見圖2）。

圖2 模鍛工藝示意圖

開式模鍛的模具有上下部分，分別裝于上下活動(dòng)橫梁上。模鍛的成形工藝可分為4個(gè)階段：一是鐓粗變形，坯料高度縮減，帶有局部壓入變形，徑向尺寸變大，直到與模腔內(nèi)壁接觸為止；二是形成毛邊，金屬流動(dòng)受到模腔阻礙，有助于流向模腔高度方向，并流向毛邊槽；三是充滿型腔，由于毛邊的阻礙作用，金屬逐漸充滿型腔，并流向毛邊槽；四是擠出多余金屬，形成鍛件。

閉式模鍛。在金屬開始變形前鍛模的模腔就封閉了，坯料在全封閉狀態(tài)下變形。閉式模鍛時(shí)由于應(yīng)力狀態(tài)好，材料塑性有所提高；由于沒有毛邊形成，金屬流線沿鍛件外形分布而不會(huì)被切斷，因而鍛件的組織性能也有一些提高。

多向模鍛也屬于閉式模鍛，是在多向模鍛水壓機(jī)上，采用具有多分模面的組分鍛模，制造形狀復(fù)雜的空心多分支鍛件的工藝。實(shí)質(zhì)上多向模鍛是一種以擠壓為主、擠壓和模鍛綜合應(yīng)用的成形工藝，可以制備形狀復(fù)雜、尺寸精準(zhǔn)的模鍛件，又適于鍛造溫度范圍不寬的難變形合金的成形，如用以鍛造飛機(jī)起落架零件、導(dǎo)彈噴管、高壓閥體、高壓容器、管接頭、盤軸組合件等重要結(jié)構(gòu)件。

1.2.2 冷鍛、溫鍛、熱鍛和等溫鍛

冷鍛是在低于金屬再結(jié)晶開始溫度下進(jìn)行。在室溫下冷鍛成形的工件具有的優(yōu)點(diǎn)是：形狀和尺寸精度高，表面光潔，加工工序少，便于自動(dòng)化生產(chǎn)。許多冷鍛件可直接用于組裝，不需要機(jī)械加工。不過大多數(shù)變形鋁合金的室溫塑性并不高，冷鍛時(shí)易產(chǎn)生裂紋、變形抗力大，需用鍛壓力大的鍛造機(jī)。

在高于室溫而又低于再結(jié)晶開始溫度下進(jìn)行的鍛造稱為溫鍛。溫鍛產(chǎn)品的精度較高，表面較光潔，而變形抗力又不大。

熱鍛是在合金再結(jié)晶開始溫度約40 ℃或更高些溫度下進(jìn)行的鍛造，提高溫度可以改善金屬的塑性，有利于改善金屬的組織和性能，高溫還能降低金屬變形抗力，可以采用鍛壓力不那么大的鍛壓機(jī)。但熱鍛工序較多，工件表面精度較差，表面不那么光潔。

等溫鍛是在整個(gè)成形過程中坯料的溫度始終保持在恒定的或某一窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的鍛造，是為了充分利用某些金屬在恒定溫度下所具有的高塑性，如超塑鍛壓成形。等溫鍛需要將坯料和模具溫度同時(shí)保持恒定，生產(chǎn)成本較高。

2 汽車鍛件又“少”又“小”

所謂汽車上用的鋁合金鍛造零配件又“少”又“小”是指制造汽車用的鋁合金鍛件不但數(shù)量屈指可數(shù)，只不過十余件，而且單件質(zhì)量小，很輕，幾乎很少有超過1 kg 的。乘人車的鋁車輪質(zhì)量約7 kg/只，大巴鋁車輪質(zhì)量約15 kg/只，可是在生產(chǎn)的汽車中，車輪鋁化量約75%，同時(shí)在所生產(chǎn)的車輪中，98%以上的車輪都是低壓鑄造的。裝有鍛造鋁合金車輪的汽車只有賽車、大巴、部分軍車與某些特種車等，但還不到總數(shù)的2%。

2.1 鋁合金鍛件在日本汽車中的應(yīng)用

根據(jù)日本鋁業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2014 年～2021 年日本對(duì)鋁材的總需求量32 643.1 kt，對(duì)鍛件的總需求量348.5 kt，鍛件僅占1.07%，真少到不足掛齒（如表1所示）。然而數(shù)量雖少，卻很重要，因?yàn)槎际且恍┦芰Y(jié)構(gòu)件。在日本這8 年需求的鋁材中，占比最大的是平軋鋁產(chǎn)品（板帶箔），9 579.9 kt，占29.4%；其次是壓鑄件，7 685.3 kt，占23.5%；第三是擠壓材，6 083.4 kt，占18.6%；第四位的是其它材料，為5 407.3 kt，占16.6%；第五位的是鍛件，為348.5 kt，為1.07%。

表1 2014年～2021年日本對(duì)鋁材需求量／kt

日本神戶鋼鐵公司是世界上主要的先進(jìn)汽車鋁合金鍛件生產(chǎn)公司之一，共有4個(gè)生產(chǎn)企業(yè)，在中國的天津和蘇州各有一個(gè)，在日本有一個(gè)，在美國的是2019 年投產(chǎn)的。該公司生產(chǎn)的汽車鋁合金鍛件如圖3所示。

圖3 日本神戶鋼鐵公司生產(chǎn)的乘用車懸掛系統(tǒng)鋁合金鍛件

2.2 鋁合金鍛件在歐洲汽車中的應(yīng)用

2019 年歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）委托杜克公司（Duker）對(duì)鋁在汽車中的應(yīng)用作了調(diào)研。研究報(bào)告稱，2019 年歐洲汽車的鋁含量可達(dá)190 kg/輛，2017 年～2019 年鋁含量上升20%，2025 年的平均含量可達(dá)200 kg/輛。用鋁量快速上升的原因，一是鋁合金具有密度小且綜合性能良好等優(yōu)點(diǎn)，是目前汽車實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最佳綠色材料；二是電動(dòng)汽車的推出與快速增產(chǎn)。

報(bào)告認(rèn)為，2025 年以前（含2025 年）是歐洲汽車用鋁快速增長(zhǎng)期。2025 年的平均鋁含量可達(dá)200 kg/輛，而電動(dòng)車與插電式混合型車（plug-in hybid vehicle）的含鋁量比汽車平均鋁含量高很多。由于鋁合金本身有相當(dāng)高的強(qiáng)度性能、優(yōu)秀的綜合性能與強(qiáng)大的吸收沖擊能的能力，是天賜的制造發(fā)動(dòng)機(jī)的良好材料，用其制造的發(fā)動(dòng)機(jī)不僅比鋼制的更加安全，而且質(zhì)量可輕50%，大大提高了燃料效率。

根據(jù)杜克的預(yù)測(cè)，4 種鋁材：2019 年鑄造材（鑄件及壓鑄件用的鑄造鋁合金）、薄板、擠壓材（含鍛坯棒材）、鍛件的平均單車用鋁量（kg/輛）及總用鋁量見表2。4 種鋁材在2025 年歐洲汽車上的預(yù)計(jì)用量見圖4。報(bào)告材料不含電動(dòng)汽車。如果單車的凈質(zhì)量按1 600 kg計(jì)算，那么鍛件質(zhì)量?jī)H占0.64%。在電動(dòng)汽車中，鍛件的占比更小，因?yàn)殡妱?dòng)乘人汽車的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)燃油車的重200 kg。歐洲汽車用的鋁合金鍛件見圖5。

表2 4種鋁材（件）2019年在歐洲汽車上的應(yīng)用

圖4 4種鋁材在2025年歐洲汽車上的預(yù)計(jì)用量

圖5 歐洲汽車用的鋁合金鍛件

2.3 鋁合金鍛件在中國汽車中的應(yīng)用

鋁合金鍛件在汽車中的應(yīng)用以美國的居多，其次是日本和歐洲的，中國的稍少一些，但與日本及歐洲的并沒有大的差別，都為12 件左右，也都用于傳動(dòng)系統(tǒng)。中國山東魏橋集團(tuán)生產(chǎn)的鍛件如圖6所示，共12 件，使傳動(dòng)系統(tǒng)減重45 kg，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先。目前多種傳動(dòng)軸鋁合金鍛件已于2020年開始為東風(fēng)汽車傳動(dòng)軸公司批量供貨，該產(chǎn)品也可以用于商用汽車的輕量化方面。魏橋鍛造公司可生產(chǎn)投影面積＜0.6 m2、單件質(zhì)量＜150 kg 的模鍛件，單件＜1 t 的自由鍛件，鍛件總生產(chǎn)能力300萬件/a。傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)疲勞次數(shù)≥20萬次[1]。

圖6 魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的電動(dòng)汽車鋁合金鍛件

魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)在高性能變形鍛造鋁合金和擠壓鋁合金領(lǐng)域的研發(fā)能力也居國內(nèi)領(lǐng)先水平。用HSW-4合金制造的鍛件為控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、萬向節(jié)、推力桿等，HSW-3合金用于鍛造控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、萬向節(jié)等，擠壓型材用于制造車架、保險(xiǎn)杠、車身框架、電池包等，HSW-2和HSW-1合金用于擠壓截面復(fù)雜的車身框架、電池包型材。鍛造和擠壓鋁合金的保證力學(xué)性能見表3。

表3 魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)的新型6000系鍛造和擠壓鋁合金的保證力學(xué)性能

魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)開發(fā)的高強(qiáng)高韌汽車鑄造鋁合金有3 種：WZL-1 和WZL-2 合金用于壓鑄車身節(jié)點(diǎn)、橫梁、縱梁、B柱、底盤副車架、減震塔、動(dòng)力系統(tǒng)電池包、逆變器等；WZL-3合金用于擠壓鑄造底盤控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等。鑄造合金的力學(xué)性能見表4。

表4 魏橋高強(qiáng)高韌汽車鑄造鋁合金的力學(xué)性能[2]

3 中國的鋁合金鍛造產(chǎn)業(yè)

中國自新世紀(jì)以來就已成為世界上最大的鋁合金鍛造大國，并自2011 年800 MN 鍛造機(jī)投產(chǎn)起，中國就是全球鋁合金鍛造引領(lǐng)者，特別是在航空航天器鍛造領(lǐng)域的研發(fā)和生產(chǎn)尤為突出，中國的鋁合金鍛件在波音公司和空客公司飛行器上均得到應(yīng)用[3]。2021年中國約有35個(gè)鋁合金鍛造廠，總生產(chǎn)能力約240 kt/a（見表5）。

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）（續(xù)）

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）（續(xù)）

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）（續(xù)）

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）（續(xù)）

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）（續(xù)）

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）（續(xù)）

表5 中國鋁鍛造產(chǎn)業(yè)企業(yè)簡(jiǎn)明匯總（不含鍛造車輪）

4 鋁合金鍛件生產(chǎn)能力的匡算

設(shè)計(jì)部門對(duì)所設(shè)計(jì)工程（公司）的生產(chǎn)能力都有一套計(jì)算方案，可以作為估算參考。可按幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工廠的平均生產(chǎn)能力（每MN鍛造力一年的產(chǎn)量）進(jìn)行計(jì)算，可把這個(gè)系數(shù)稱為生產(chǎn)能力匡算系數(shù)。例如東北輕合金有限責(zé)任公司鍛造廠、西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鍛造廠、南山鋁業(yè)股份有限公司鍛造廠、山東航橋航空材料有限公司等四個(gè)廠都是正規(guī)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的，共有16 臺(tái)鍛造機(jī)，總鍛壓力2 030 MN，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力48 500 t/a，于是匡算系數(shù)為24 t/MN·a（如表6所示）。

表6 典型鋁合金鍛造廠生產(chǎn)能力匡算系數(shù)

鍛件的綜合成品率可按62%～67%計(jì)算，比其它材料的低不少。大鍛壓機(jī)的開工率低，越大開工率越低。

5 結(jié)束語

鋁合金鍛件在一般乘用車和商用車上的使用與在航空器上的應(yīng)用相比，雖然數(shù)量不多，質(zhì)量也小，卻很重要，因?yàn)槎际鞘芰Φ墓ぜ?，有些還是傳遞控制指令的工件。中國是生產(chǎn)汽車大國，也是生產(chǎn)新能源汽車的“領(lǐng)頭羊”。2022 年1 月~7 月汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到1457.1萬輛和1447.7萬輛；1月~6月新能源汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到327.9 萬輛和319.4 萬輛，同比增長(zhǎng)均為1.2 倍，市場(chǎng)占有率達(dá)到22.1%。但單車用鋁量與市場(chǎng)發(fā)達(dá)國家及地區(qū)如美國、日本和歐洲相比還有一些差距，鋁工業(yè)和汽車工業(yè)正在踔厲奮發(fā)開新局，篤行不怠擴(kuò)大鋁在汽中的應(yīng)用。鋁是助中國加快建設(shè)汽車強(qiáng)國最實(shí)在的材料之一，希望2030 年傳統(tǒng)燃油乘人車的用鋁量能達(dá)到300 kg/輛，新能源乘人車的用鋁量能達(dá)到450 kg/輛。