鋁加工技術的研究及發展趨勢

牛薈曉 丁紫陽 袁文曉 李艷鵬 胡冠奇

(1.登電集團鋁加工有限公司，河南 登封 452477;2.鄭州大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450002)

0 引言

近年來，隨著社會的發展和科學技術的進步，對材料的要求也日益提高，節約資源、節省能源、改善環境越來越成為人類社會持續發展的必要條件。鋁作為一種可回收再利用材料，鋁及鋁合金加工材料產業和技術獲得了飛速的發展，成為許多國家的支柱產業之一。據報道，鋁及鋁合金加工產業是僅次于鋼鐵產業的第二大金屬材料產業，不僅年產量大，而且品種規格已達數十萬種之多，廣泛用于國民經濟和國防軍工各部門、人民生活的各方面，已成為人類社會的重要基礎材料之一。我國的原鋁產量、鋁加工材年產量、鋁合金出口量大幅增加，已成為世界鋁業大國、鋁加工業大國。但是，我國鋁產品加工在品種、質量、加工技術以及綜合經濟技術指標等方面還相對落后，與國際先進水平仍有一定差距。

1 鋁加工主要技術

為了滿足社會可持續發展的需求，世界原鋁(包括再生鋁)產量的85%以上被加工成板、帶、條、箔、管、棒、型、線、粉、自由鍛件、模鍛件、鑄件、壓鑄件、沖壓件及其深加工件等鋁及鋁合金產品。目前，鋁加工的主要技術有鑄造法、塑性成型法和深加工法。

1.1 鑄造法

鑄造法就是將符合鑄造要求的液態金屬通過一系列轉注工具澆入到一定形狀的鑄模中，冷卻后得到一定形狀和尺寸鑄錠的方法。目前比較常見的鋁合金鑄造加工方法有金屬模鑄造法、砂模鑄造法、熔模鑄造法、壓力鑄造法、低壓鑄造法、加氧壓鑄法等。

1.1.1 金屬模鑄造法

金屬模鑄造俗稱硬模鑄造，是用金屬材料制造鑄件，并在重力下將熔融金屬澆入鑄型獲得鑄件的工藝方法。由于金屬模鑄造法可以使用型芯，利用金屬模的急劇冷卻能夠得到致密良好的鑄件，故金屬模鑄造法廣泛用于鋁合金鑄造。金屬型鑄造既適用于大批量生產形狀復雜的鋁合金、鎂合金等非鐵合金鑄件，也適合于生產鋼鐵金屬的鑄件、鑄錠等。

1.1.2 砂模鑄造法

砂模鑄造即采用砂粒、粘土及其他輔助材料制成鑄型的鑄造方法。鋁鑄件成型過程是金屬與鑄型相互作用的過程。鋁合金液注入鑄型后將熱量傳遞給鑄型，砂模鑄型受到液體金屬的熱作用、機械作用、化學作用。因此要獲得優質的鑄件除嚴格掌握熔煉工藝外，還必須正確設計型(芯)砂的配比、造型及澆注等工藝。

1.1.3 熔模鑄造法

熔模鑄造法又稱“失蠟鑄造”。它是一種無分型面的特種鑄造方法，是利用易熔材料制成模樣，然后涂掛耐火材料，硬化后再將模樣熔化排出型外，從而獲得無分型面鑄型的鑄造方法。由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱“熔模精密鑄造”。熔模鑄造的工藝流程為：壓型制造→蠟模壓制→蠟模組裝→浸涂料→撒砂→硬化及干燥→脫蠟→造型→焙燒→澆注→落砂及清理。

1.1.4 壓力鑄造法

壓力鑄造法就是將液態或半液態金屬在高壓的作用下，以極高的速度充填壓鑄型的型腔，并在壓力作用下快速凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。壓力鑄造法加工鋁合金，不僅僅生產效率高，而且加工出來的鋁合金制品質量好，尺寸精度高，力學性能好。但是壓力鑄造法也有缺點，如壓鑄的鋁合金件易產生氣孔、壓鑄設備投資高等。

1.1.5 低壓鑄造法

低壓鑄造法是是液態金屬在反重力作用下，平穩地充填型腔并在較高壓力下凝固結晶的一種鑄造方法，充型壓力一般為20～60KPa，故為低壓鑄造。低壓鑄造吸收了重力鑄造中底注平穩充型和壓力鑄造中鑄件在壓力下結晶凝固的優點。不僅易于實現機械化生產，而且澆注系統簡單。采用此種工藝方法生產的鑄件力學性能優良、組織致密、縮松、縮孔以及氣孔等缺陷少，明顯優于傳統重力鑄件，常應用于較精密復雜的鋁合金鑄件。

1.1.6 加氧壓鑄法

加氧壓鑄法是將干燥的氧氣充入壓室和型腔取代其中的空氣與其他氣體后進行壓鑄的一種工藝方法。此方法常應用于鋁合金加工中，其工藝原理是在鋁合金制品壓鑄時，鋁和氧氣發生反應生成氧化鋁，這樣就可以減少鑄造過程中產生的氣孔，從而提高制品的致密度，提高其力學性能。

1.2 塑性成型法

鋁及鋁合金的塑性成型法就是利用鋁及鋁合金的良好塑性，在一定的溫度、速度條件下，施加各種形式的外力，克服金屬對于變形的抵抗，使其產生塑性變形，從而得到各種形狀、規格尺寸和組織性能的鋁及鋁合金板、帶、條、箔、管、棒、型、線和鍛件等的加工方法。

1.2.1 平輥軋制法

平輥軋制，也稱無槽軋制、圓邊或弧邊矩形軋制。該方法是用無槽軋輥生產鋁合金棒材的一種方法，具有提高軋輥使用壽命、操作簡單、變形均勻、成品表面缺陷少等優點。主要產品有熱軋厚板;熱軋帶卷;連鑄連軋板卷;冷軋帶卷;彩色鋁卷或鋁板;鋁箔卷等。

1.2.2 型輥軋制法

型輥軋制法即在刻有軋槽的軋輥中軋制各種型材。型輥軋制時，軋件沿其寬度上的壓下量是不同的，因此變形更為復雜，與平輥軋制板材相比，不均勻變形是其顯著特點之一。主要產品有熱軋棒和鋁桿;冷軋棒;異型材和異形棒材;冷軋管材和異形管;壓型板和花紋板等。

1.2.3 擠壓法

擠壓法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模孔中擠出，產生塑性變形而獲得所要求的擠壓產品的一種加工方法。擠壓法是最重要的壓力加工方法之一，在產量和用途上鋁擠壓材(管、棒、型、線材)一直是僅次于鋁軋制材(板、帶、條、箔材)的鋁合金材料。主要產品有鋁合金棒材、管材、型材、線材及各種復合擠壓材等。

1.2.4 拉拔法

拉拔法是對金屬坯料施加拉力，使之通過模孔以獲得與模孔截面尺寸、形狀相同的制品[。拉拔法所得鋁合金制品具有尺寸精確、表面光潔、設備簡單等優點。主要產品有棒材和異形棒材;管材和異形管材;型材;線材等。

1.2.5 鍛造法

鍛造法是鍛錘或壓力機(機械的或液壓的)通過錘頭或壓頭對鋁及鋁合金鑄錠或鍛坯施加壓力，是金屬產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。自由鍛工藝靈活，工具簡單，成本低，金屬坯料可朝各個方向自由流動，不受限制，其形狀和尺寸主要由操作者的技術來控制;模鍛可以鍛制較為復雜的制品，將金屬坯料放在給定尺寸和形狀的模具內。

1.2.6 冷沖法

冷沖法是利用安裝在壓力機上的模具，在室溫下對板料施加壓力使其變形和分離，從而獲得具有一定形狀、尺寸的零件的壓力加工方法。因為它主要用于加工板料零件，所以也稱板料沖壓。冷沖壓是少、無切屑加工方法之一，能沖壓出其他加工工藝難以加工或無法加工的形狀復雜的制件，例如，從儀表儀器小型零件到汽車覆蓋件、縱梁等大型零件。沖壓質量穩定，尺寸精度高，生產效率高。另外，冷沖壓加工不需加熱、無氧化皮，表面質量好，操作方便，費用較低，但由于變形抗力大，故模鍛一般用于中小型鋁合金鍛件的生產。

1.2.7 其它塑性成型方法

鋁加工塑性成型法加工技術除了上述最基本的幾種外，目前在鋁加工中，半固態成形法，如半固態軋制、半固態擠壓、半固態拉拔等;連續成形法，如連鑄連擠、高速連鑄軋、Conform連續擠壓等;復合成形法，如層壓軋制法、多坯料擠壓法等。

正因為鋁加工技術的多種多樣，才使其能滿足人民日常生活的多種產品要求。

1.3 深加工法

鋁加工技術的深加工法就是將鑄造法或塑性成型法所獲得的半成品進一步通過表面處理或表面改性處理、機械加工或電加工、焊接或其他結合方法、剪斷、沖切、拉彎、彎曲或其他冷加工方法、復合或腐蝕等方法加工成成品零件或部件的方法。鋁材的深度加工對于提高產品的性能和質量，擴大產品的用途和拓寬市場，提高產品的附加值和利潤、變廢為寶和綜合利用等都有十分重大的意義。

鋁及鋁合金加工技術的深度加工方法主要為表面處理法。由于鋁的化學性質活潑，耐磨性差，腐蝕電位較負，腐蝕比較嚴重.采用表面處理可以提高防護性、裝飾性和功能性，克服鋁合金表面性能方面的缺點，擴大應用范圍，延長使用壽命。鋁加工常用的表面處理方法包括氧化上色、噴涂、化學氧化法、陽極氧化法、微弧氧化法、有機硅烷化處理、磷化底漆處理、電泳涂漆處理、金屬涂層處理、電鍍、離子注入及激光技術等。

2 鋁加工技術研究進展

2.1 鋁加工技術的現狀

進入新世紀以來，世界鋁及鋁合金材料及其加工產業和技術獲得了飛速的發展，成為許多國家和地區的支柱產業之一。總得來說，國內鋁加工技術的現狀是：

(1)鋁加工企業雖然數量較多，但是自主創新能力較差，生產技術相對落后。在激烈的市場競爭和國家發展戰略的宏觀調控下，企業近年來逐漸從產量增長型向質量效益型，進而向技術創新型轉變，為我國成為世界鋁加工強國提供了發展機遇。近年來我國鋁工業和有色金屬工業整體實力不斷提高，在國際市場的影響力和競爭力日益顯現。

(2)國內鋁加工行業資源消耗嚴重，污染較大。一些鋁加工企業不規范的生產方式，會對環境造成一定程度的污染。中國鋁加工業能耗指標與國外先進水平還存在較大差距，對業界既是挑戰，又是發展的機遇。

(3)國內鋁加工行業存在著產量增而不減、產能轉而未移、產業調而難控的“三怪”現象。

(4)企業產品產業鏈短，市場競爭力不強，產品同質化嚴重。鋁加工在建項目過多，產能過剩，行業競爭加劇，利潤下降。技術水平低，研發實力弱，高端產品所占的比重少。

(5)隨著社會的發展和科技的進步，人們對鋁加工制品的要求不斷提高。為了與工業發達國家接軌，國家發布了新的鋁及鋁合金加工制品相關的國家標準，對企業生產、保證產品的質量提出了更高的要求和新的要求，這將進一步規范鋁加工行業的健康發展。

雖然近年來我國在提高鋁材質量，鋁加工技術方面做了大量工作，并有了很大的進步，但在總體來看，與世界先進水平仍有一定的差距。

在過去的2012年里，國內鋁價低迷、鋁產能過剩、下游消費疲軟、成本上升等因素使充滿艱難挑戰的中國鋁行業備受掣肘;同時，汽車輕量化、軌道交通、高端鋁合金新材料、中外鋁企合作等趨勢使持續低谷的中國鋁行業看到新的曙光，可謂跌宕起伏、精彩紛呈。

2.2 鋁加工技術的發展趨勢

近年來，鋁及鋁合金加工制品的應用日益擴大，向合金多樣化、工藝多樣化、產品多樣化發展。國家工信部發布了《新材料產業“十二五”發展規劃》。提出，要大力發展高強輕型合金材料專項工程，到2015年，關鍵新合金品種開發取得重大突破，形成高端鋁合金材30萬噸，基本滿足大飛機、軌道交通、節能與新能源汽車等需求。總的來說，國內鋁加工技術的發展趨勢主要在于以下幾個方面：

(1)產業重組升級、淘汰落后產能成為大趨勢。通過合并，擴大規模，淘汰規模小、設備落后、開工不足和產品質量低劣的企業，企業將向著集團化、大型化、專業化、品牌化方向發展，以建成幾個具有國際一流水平的大型綜合性鋁加工企業。

(2)產品結構發生大的調整，中高端和高科技產品將成為主流。進一步加快產業結構調整及實行精細化生產并提高高附加值產品的自給率。工業鋁加工制品的消費量將逐年增長。中國作為正處于工業化中期的發展中國家，未來二三十年，正是步入中等發達國家，實現第三步戰略目標的關鍵時期，而鋁型材在產品輕量化、環保節能、性價比等方面有著無可比擬的優點，工業領域的應用空間將更大。

(3)技術創新將成為鋁加工行業的重大推動力，并作為企業競爭力的核心。進一步完善提高各種鋁加工工藝控制技術水平，重視新一代高性能鋁合金材料的開發創新。隨著國家產業政策、產業結構調整以及消費者對產品品質要求的提高，鋁加工行業粗放型、附加值低的現狀逐步改變，跨越以數量增長為特征的初級發展階段，開始進入了技術創新，研發新產品、新工藝以提高產品內在質量、豐富產品種類、依靠綜合實力參與市場競爭的新階段。

3 結語

隨著全球范圍內的能源、資源緊缺以及各國對環境保護的日益重視，對輕量化的需求的與日劇增，鋁合金作為一種可回收再生利用資源，必然會受到越來越廣泛的關注、研究和使用。通過對鋁加工技術的不斷改革和創新，將會研發出更多高性能的鋁合金，方便人們的生活。目前，我國處于鋁加工技術發展的機遇期，發展前景好，把握好發展機遇，我國不僅是鋁業大國，而且能成為鋁加工強國。

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