浅谈铝合金的加工工艺

  纯铝的密度小，大约是铁的 1/3，熔点低，铝是面心立方结构，故具备极高的塑性，易于加工，可制作成各种型材、板材，抗腐蚀和抗老化性能好；但是纯铝的强度很低，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度。这样使得其“比强度”胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，大范围的使用在机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻 50%以上。随着近年来科学技术以及工业经济的快速的提升，对铝合金结构件的需求日益增多，使铝合金的加工性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金加工技术的发展，同时加工技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的加工 技术正成为研究的热点之一。

  熔炼是为塑性加工提供坯锭。熔炼炉多用燃气反射炉或燃油反射炉，一般容量为20～40吨或更大；也采用电阻加热反射炉，容量一般为10吨左右。为缩短装炉时间，提高熔化效率，减少吸收气体和卷入氧化膜，工业上已采用倾转式顶装料圆型炉。熔炼时最好应用快速分析仪器分析合金成分，并及时作出调整。为保证熔体纯 洁，防止有害化学气体的污染和控制化学成分 ，除了尽可能缩短熔炼时间外，宜用以氯化钾 和氯化钠为主的粉状熔剂覆盖 ，一般用量为炉料重量的0.4～2%。熔炼温度通常控制在700～750℃。

  熔化后的金属还需进行精炼和过滤，以除掉金属中的有害化学气体氢和非金属夹杂物，以提高金属纯洁度。精炼通常用固体精炼剂或气体精炼剂。固体精炼剂一般以氯盐为主，也用以六氯乙烷代替氯盐的精炼剂。早期使用活性强的氯气作气体精炼剂，净化效果虽好，但对环境污染严重，因此发展出氮-氯混合气体、惰性气和三气体精炼剂 ,效果较好。为保证精炼效果，精炼气体中的氧和水分含量一般应分别小于 0.03%和 0.3 克/米 3。动态真空除气法也具备比较好的除气和除钠效果。

  过滤是让熔体金属通过中性或活性材料制 成的过滤器，除去熔体中处于悬浮状的夹杂物。常用玻璃丝网、微孔陶瓷管和板、氧化铝粒作过滤床进行过滤，也可用电熔剂精炼、熔剂层过滤。

  铸造一般都会采用立式或水平式水冷半连续铸 造法。为改善立式铸造的坯锭组织和表面上的质量，还发展出电磁结晶槽、矮结晶槽和热顶铸造法（见金属的凝固）。水冷半连续铸造法是通过流槽将液体金属导入用 水冷却的结晶器内，使液体金属冷却形成凝固的外壳，由铸造机底座牵引或靠自身重量均匀下降而脱出结晶器，形成坯锭。工艺参数因合金成分和坯锭尺寸的不同 ，差异很大。一般应尽量提高铸造速度和冷却速度，降低结晶槽的高度。铸造温度通常比合金的液相线℃。此外,还发展出铝板带连续铸轧工艺。板材、带材生产 采用平辊轧制，基本工序为热轧、冷轧、热处理和精整。对化学成分复杂的 LY12、LC4 等硬铝合金，热轧前应进行均匀化处理。处理温度一般低于合金中低熔点相的共晶 温度 10～15℃，保温 12～24小时。硬铝合金的包铝是将包铝板放在经过铣面的坯锭两面，借助于热轧焊合。包铝层的厚度一般为板材厚度 的 4%。热轧一般在再结晶温度以上进行。热轧可在单机架可逆轧机上进行，或在多机架上实行连轧。为提高成品率和生产效率发展大铸锭轧制，锭重达 10～15 吨以上。年产量在 10 万吨以下的工厂，一般用四辊可逆热轧和采用热上卷工艺，热轧带材厚度为6～8 毫米左右。产量 10 万吨以上的工厂，多在四辊可逆热轧机开坯后采用单机架或两机架、三机架、五机架连轧，实行热精轧，带材厚度可达 2.5～3.5 毫米。热轧带材成卷后作为冷轧坯料。为保证金属 有最佳的塑性，应在单相组织状态下进行热轧。LY11、LY12 等合金的热轧开坯温度为 400～455℃。前几道道次变形率一般在 10%以内，以后逐渐增大。纯铝和软铝合金道次变形率可达 50%，硬铝合金则为 40%左右。热轧总变形率可达 90% 以上。冷轧常在室温下进行，通过冷轧可获得尺寸精确、表面光洁和平整的较薄的板材和带材，并可获得具有特定力学性能的加工硬化的板材和带材。冷轧主要是采用带式法生产的基本工艺，应用四辊可逆轧机或四辊不可逆轧机进行冷轧，当前发展不可逆轧机进行冷轧。轧机装备有液压压下、液压弯辊、厚度自动控制系统或测辊缝的厚度自动控制系统及板形控制仪，由微型电子计算机控制、记录、储存各种参数，以获得尺寸精确、板形平整的板带材，如 0.18 毫米带材公差可达±5 微米。小工厂也有块式法生产板材的。退火后铝的冷变形率 可达 90%以上。多相的硬铝合金冷加工硬化明显 ，需中间退火。中间退火后的冷变形率 为 60～70%。热轧用乳液润滑，冷轧已由乳液发展为全油润滑。采用单独控制喷嘴的多段冷却系统，以减少铝板和轧辊的摩擦，冷却轧辊，控制辊型，洗除铝粉及其他杂质，以获得良好的表面上的质量及板形。经冷轧和热处理后的带卷常在辊式矫直机上或在拉弯连续矫直机列上进行精整。平整淬火后的板片应在时效孕育期内进行，一般在淬火后 30～40 分钟内完成。淬火板的平直压光总变形量不应超过2%。1955 年试验成功的铝板带连续铸轧可生产薄板和铝箔坯料。中国于70 年代初开始用此法生产薄板。

  为了保证制品最终性能的热处理称为成品热处理，包括成品退火、固溶处理、淬火、自然时效和人工时效处理；此外，还发展出分级时效和形变热处理工艺。时效处理不仅改善制品的力学性能，而且改善制品的抗应力腐蚀和抗老化性能和断裂韧性。固溶加热后至淬火前 的转移时间一般应控制在 30秒以内。淬火的冷却速度，既要保证获得过饱和固溶体，又要不使制品产生过大的淬火应力和弯曲变形。带卷和板材在强有力循环通风的箱式炉、井式炉、立式板材连续退火炉或气垫式连续退火炉中进行退火，新式炉采 用保护气氛。淬火一般在盐浴槽中加热，新工艺采用气垫式连续淬火炉淬火。

  按此法铝及铝合金加工可分为轧制、挤压、拉拔、锻造、旋压、成形加工及深度加工等。

  轧制是锭坯依靠摩擦力被拉进旋转的轧辊间 ，借助于轧辊施加的压力， 使其横断面减小，形状改变，厚度变薄而长度增加的一种塑性变形过程。根据轧辊旋转方向不同，轧制又可分为纵轧、横轧和斜轧。纵轧时，工作轧辊的转动方向相反，轧件的纵轴线与轧辊的轴线相互垂直，它是铝合金板、带、箔材平辊轧制中最常用的方法；横轧时，工作轧辊的转动方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴 线相互平行，在铝合金板带材轧制中很少使用 ；斜轧时，工作轧辊的转动方向相同，轧件的纵轴线与轧辊轴线成一定的倾斜角度。在生产铝合金管材和某些异形产品时常用双辊或多辊斜轧。根据辊系不同，铝合金轧制可分为两辊系轧制，多辊系轧制和特殊辊系(如行星式轧制、V 形轧制等)轧制：根据轧辊形状不相同，铝合金轧 制可分为平辊轧制和孔型辊轧制等。依照产品品种不同，铝合金轧制又可分为板、带、箔材轧制，棒材、扁条和异形型材轧制，管材和 空心型材轧制等。

  挤压是将锭坯装入挤压筒中，通过挤压轴对金属施加压力，使其从给定形状和尺寸的模孔中挤出，产生塑性变形而获得所要求的挤压产品的一种加工方法。按挤压时金属流动方向不同．挤压又可分为正向挤压、反向挤压和联合挤压。正向挤压时，挤压轴的运动方向和挤出金属的流动方向一致，而反向挤压时，挤压轴的运动方向与挤出金属的流动方向相反。按锭坯的加热温度，挤压可分为热挤压和冷挤压。热挤压时是将锭坯加热到再结晶温度以上做挤压，冷挤压是在室温下 进行挤压。

  拉拔是拉伸机(或拉拔机)通过夹钳把铝及铝合金坯料(线坯或管坯)从给定形状和尺寸的模孑 L 中拉出来，使其产生塑性变形而获得所需的管、棒 、型、线材的加工方法。根据所生产的产品品种和形状不相同，拉伸可分为线材拉伸、管材拉伸、棒材拉伸和型材拉伸。管材拉伸又可分为空拉、带芯头拉伸和游动芯头拉伸。拉伸加工的主要要素是拉伸机、拉伸模和拉伸卷 筒。根据拉伸配模，拉伸可分为单模拉伸和多 模拉伸。

  锻造是锻锤或压力机(机械的或液压的)通过锤头或压头对铝及铝合金铸锭或锻坯施加压力，使金属产生塑性变形的加工方法。铝合金锻造有自由锻和模锻两种基本方法。自由锻是将工件放 在平砧(或型砧)间进行锻造；模锻是将工件放在给定尺寸和形状的模具内，然后对工件施加压力进行锻造变形，而获所要求的模锻件。 锻造的修伤工艺修伤是铝合金模锻工艺中的重要一环。由于铝 合金在高温下较软，粘性大，流动性差，容易粘模并产生各种表面缺 陷(折叠、毛刺、裂纹等)，在进行下一道工序前，必须打磨、修伤，将表 面缺陷清除干净，否则在后续工序中缺陷将逐步扩大，甚至引起锻件报 废。

  修伤用的工具有风动砂轮机、风动小铣刀、电 动小铣刀及扁铲等。修伤前先经腐蚀查清缺陷部位，修伤处要圆滑过渡，其宽度应为深度的 5～10倍。

  (3)连续成形法，如连铸连挤、高速连铸轧 、Conform 连续挤压法等。

  (5)变形热处理法等。 铝及铝合金加工材中以压 延材(板、带、条、箔材)和挤压材(管、棒、型、线材)应用最广，产量最大，据近年的统计，这两类材料的年产量分别占世界铝材总年产量(平均)的 58%和 39%左右，其余铝加工材，如锻造产品等，仅占铝材总产量的百分之几。

  热加工是指铝及铝合金锭坯在再结晶温度以上所完成的塑性成形过程。热加工时，锭坯的塑性较高而变形抗力较低，可以用能力较小的设备生产变形量较大的产品。为了能够更好的保证产品的组织性能，应严控工件的加热温度、变形温度与变形速度、变形程度以及变形终了温度和变形后的冷却速度。常见的铝合金热加工方法有热挤压、热轧制、热锻压、热顶锻、液体模B.锻冷、加半工固态成形、连续铸轧、连铸连轧 、连铸连挤等。

  冷加工是指在不产生回复和再结晶的温度以下所完成的塑性成形过程。冷加工的实质是冷加工和中间退 火的工艺组合过程。冷加工可 得到表面光洁、尺寸精确、组织性能好和能 满足多种性能要求的最终产品 ：最常见的冷加工方法有冷挤压、冷顶锻、管材冷轧、冷拉拔、板带箔冷轧 、冷冲压、冷弯、旋压等。

  温加工是介于冷、热加工之间的塑性成形过程。温加工的最大的目的是为降低金属的变形抗力和提高金属的塑性性能(加工性)：最常见的温加工方法有温挤、温轧、温顶锻等。

  可分为锤纹铝板、压花板和预钝化氧化铝表面处理板。此类产品在板材表面不做涂漆处理，对表面的外观要求不高，价格也较低。

  按涂装工艺可分为：喷涂板产品和预辊涂板；按涂漆种类可分为：聚酯、聚氨酯、聚酰胺、改性硅、环氧树脂、氟碳等。

  多种涂层中，主要性能差异是对太阳光紫外线的抵抗能力， 其中在正面最常用的涂层为氟碳漆（PVDF），其抵抗紫外线的能力较强；背面可选择聚酯或环氧树脂涂层作为保护漆。另外正面还可贴一层可撕掉的保护膜。

  生产过程中，铝合金有可能会出现缩孔、砂眼 、气孔和夹渣等铸造缺陷。如何修复铝合金铸件气孔等缺陷呢？如果用电 焊、氩焊等设备来修补，由于放热量大，易产生热变形等副作用，无法 满足补焊要求。

  冷焊修复机是利用高频电火花瞬间放电、无热 堆焊原理来修复铸件缺陷。由于冷焊热影响区域小，不会造成基材退 火变形，不产生裂纹、没有硬点、硬化现象。而且熔接强度高，补材与基 体同时熔化后的再凝固，结合牢固，可进行磨、铣、锉等加工，致密不脱 落。冷焊修复机是修补铝合金气孔 砂眼等细小缺陷的理想方法。

  焊、氩焊等设备来修补，由于放热量大,容易产生热变形等副作用,不足以满足补焊要求。冷焊修复机是利用高频电火花瞬间放电、无热堆焊原理来修复铸件缺陷。由于冷焊热影响区域小，不会造成基材退火变形，不产生裂纹、没有硬点、硬化现象.而且熔接强度高，补材与基体同时熔化后的再凝固,结合牢固,可进行磨、铣、锉等加工，致密不脱落。冷焊修复机是修补铝合金气孔、砂眼等细小缺陷的理想方法。

  工业铝合金零件的加工对刀具备极高的要 求，尤其是航空工业中的铝合金，刀具在具有超高的性价比的同时还一定要满足高 质量加工的需求。由于整体硬质合金刀具有很锋利的切削刃和槽型， 其在铝合金精加工中切削力小，并且具有容屑空间大，排屑顺畅等优点， 因此整体硬质合金刀具逐渐取代了传统的高速钢刀具。

  此外，硬质合金的弹性模量大约是钢 的 3 倍，这就从另一方面代表着在负载相同的情况下，整体硬质合金刀具的变形量仅为可 转位刀具的三分之一。整体硬质合金立铣刀还能做成螺旋刃，这样就能 平稳地进行切入和切出，排屑也很平稳顺畅，这些都有助于减小切削力的 波动从而抑制由此带来的振动趋势。可转位刀片刀具系统能为铝粗加工 和精加工带来潜在的优势，特别是使用 25 至 100mm 的中等至大直径刀具时。用于铝合 金加工的可转位立铣刀无需重磨，具有更加好的安全性、通用性 和更高的金属去除率，具有无与伦比的性能。然而，很多情况下的精加工 都不能够达到所需的水平。在研发用于铝合金加工的新型立铣刀概念时， 能够最终靠修改一系列参数来 取得使用可转位刀片进行径向铣削时关键性的 突破。主要的技术难点包括 ：平稳的切削作用、良好的切屑形成、极高的材 料去除率、低功耗、很好的表面粗糙度和最小的接刀痕迹等等，确保高转速下刀具的安全性。