鋁合金鍛造成形工藝與設(shè)備

文/張長龍,曹喻鑌·中機鍛壓江蘇股份有限公司

鋁合金鍛件的特性及應(yīng)用趨勢

鋁合金鍛件的特性

⑴密度小，只有鋼鍛件的30%，銅鍛件的34%。

⑵比強度大、比剛度大、比彈性模量大、疲勞強度高，宜用于輕量化要求高的關(guān)鍵受力部件，其綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。

⑶內(nèi)部組織細(xì)密、均勻、無缺陷，其可靠性遠(yuǎn)高于鋁合金鑄件和壓鑄件，也高于其他金屬鑄件。

⑷鋁合金的塑性好，可加工成各種形狀復(fù)雜的高精度鍛件。

⑸鋁合金鍛件有良好的耐蝕性、導(dǎo)熱性和非磁性，這是鋼鍛件無法比擬的。

⑹表面光潔、表面處理性能良好、美觀耐用。

鋁合金鍛件（圖1）的一系列優(yōu)良特性為它代替鋼、銅、鎂、木材和塑料提供了良好的條件。

鋁合金鍛件應(yīng)用趨勢

圖1 鋁合金鍛件

隨著我國交通運輸業(yè)向現(xiàn)代化、高速化方向發(fā)展，交通運輸工具的輕量化要求日趨強烈，以鋁代鋼的步伐越來越快。特別是輕量化程度要求高的飛機、航天器、鐵道車輛、地下鐵道車輛、高速列車、貨運車、汽車、艦艇、船舶、火炮、坦克以及機械設(shè)備中的重要受力部件和結(jié)構(gòu)件。近幾年來市場上大量使用鋁及鋁合金鍛件和模鍛件替代原來的鋼結(jié)構(gòu)件，如飛機結(jié)構(gòu)件幾乎全部采用鋁合金模鍛件；汽車(特別是重型汽車和大中型客車)輪轂、保險杠、底座大梁（圖2），坦克的負(fù)重輪和炮臺機架，直升機的動環(huán)和不動環(huán)，火車的氣缸和活塞裙，木工機械機身，紡織機械的機座、軌道和絞線盤等都已應(yīng)用鋁合金模鍛件來制造。而且這些趨勢正在大幅度增長，甚至某些鋁合金鑄件也開始采用鋁合金模鍛件來代替。

鋁合金鍛件產(chǎn)業(yè)存在較大的發(fā)展空間。

圖2 汽車上鋁合金鍛件

鋁合金鍛造工藝特性及鍛造缺陷

鋁合金鍛造成形微觀分析

鋁合金中由于存在大量的強化相和過剩相，其鑄態(tài)組織中呈現(xiàn)多相混雜的狀態(tài)，在某些鋁合金鑄態(tài)組織中還常常存在共晶混合物。這些物質(zhì)通常又硬又脆，且呈網(wǎng)狀分布于晶界。通過熱塑性變形可以使鋁合金鑄態(tài)組織得到較大改善，性能得到較大提高。流線的分布情況對鋁合金的性能有很大影響，流線不順、渦流和穿流都使鋁合金的塑性指標(biāo)、疲勞強度和抗腐蝕性能明顯降低。

因此，鍛造成形時，應(yīng)當(dāng)使流線方向與零件最大受力方向一致。影響鋁合金再結(jié)晶溫度的主要因素有：合金成分、壓力加工前的均勻化規(guī)范、壓力加工方式（應(yīng)力狀態(tài)）、變形溫度、變形速度、變形程度和最終熱處理等。鋁合金的晶粒尺寸對力學(xué)性能有較大影響，鋁合金鍛件中的粗晶顯著降低強度極限和屈服極限，降低零件的使用性能和壽命。

因此，鍛造鋁合金時需注意控制晶粒度，既要考慮零件的變形也要考慮材料的改性。

鋁合金鍛造特點

⑴塑性較低。

鋁合金的塑性受合金成分和鍛造溫度影響較大。合金化程度越高，鑄錠和鍛材宏觀偏析越嚴(yán)重，塑性越低。設(shè)備一次行程允許變形程度只有普通鋼的50%或更低，鍛造過程容易開裂，變形溫度、變形程度、變形速度要嚴(yán)格控制，要盡量避免拉應(yīng)力狀態(tài)下變形。

⑵流動性差。

鋁合金質(zhì)地很軟，外摩擦系數(shù)較大，所以流動性較差，模鍛時難于成形。

⑶鍛造溫度范圍窄。

鋁合金的鍛造溫度范圍一般都在150℃以內(nèi)，少數(shù)高強度鋁合金的鍛造溫度范圍甚至不到100℃。由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，所以一般都采用能精確控制加熱溫度的帶強制循環(huán)空氣的箱式電阻爐或普通箱式電阻爐進(jìn)行加熱，溫差控制在±10℃范圍以內(nèi)。

⑷導(dǎo)熱性良好。

鋁合金由于導(dǎo)熱性好，加熱時內(nèi)應(yīng)力小，且易于均勻熱透。擠壓坯料在不產(chǎn)生鍛造裂紋的條件下，不必進(jìn)行保溫，但鑄造坯料加熱時需要保溫。

⑸始鍛溫度和終鍛溫度要嚴(yán)加控制。

始鍛溫度一般取上限，這樣有利于提高合金的塑性和流動性，讓金屬易于成形。但有些合金始鍛溫度太高，將引起強度下降。為了保證適當(dāng)?shù)慕K鍛溫度，提高合金的塑性和流動性，改善合金的成形條件，用于鍛造和模鍛的工具或模具需要進(jìn)行預(yù)熱。終鍛溫度高有利于保持?jǐn)D壓坯料的擠壓效應(yīng)，能得到具有未再結(jié)晶組織和力學(xué)性能高的鍛件。終鍛溫度過低，容易產(chǎn)生大晶粒，使鍛件的力學(xué)性能大大降低，合金的塑性和流動性急劇下降，容易產(chǎn)生表面和內(nèi)部裂紋。

⑹應(yīng)變速率敏感。

鋁合金對變形速度十分敏感，鑄坯通常要在壓應(yīng)力狀態(tài)下低速地進(jìn)行開坯，往往經(jīng)過開坯的鋁合金坯料模鍛時，也需要在液壓機或螺旋壓力機上進(jìn)行。

鋁合金鍛造容易產(chǎn)生的缺陷

⑴過燒。

由于鋁合金的鍛造溫度范圍窄，其鍛造加熱溫度，尤其是淬火加熱溫度很接近合金的共晶熔化溫度，容易發(fā)生過燒。所以在鍛件和模具加熱以及鍛件淬火加熱時，必須十分注意溫度上限，嚴(yán)格遵守工藝操作規(guī)程，否則會引起鍛件過燒。鍛件過燒后，表面發(fā)暗、起泡，一鍛就裂。

⑵裂紋。

由于鋁合金的塑性和流動性較差，很容易產(chǎn)生表面和內(nèi)部裂紋。坯料加熱不充分、保溫時間不夠、鍛造溫度過高或過低、變形程度太大、變形速度太高、鍛造過程中產(chǎn)生的彎曲、折疊沒有及時消除、再次進(jìn)行鍛造，都可能產(chǎn)生表面裂紋（圖3）。

圖3 表面裂紋

⑶大晶粒。

鍛鋁和硬鋁很容易產(chǎn)生大晶粒，它們主要分布在鍛件變形程度小而尺寸較厚、變形程度大和變形激烈的區(qū)域以及飛邊區(qū)附近。加熱和模鍛次數(shù)過多，加熱溫度過高，終鍛溫度太低也會產(chǎn)生大晶粒。

⑷折疊和流線不順（包括渦流、穿流）。

折疊是造成鋁合金模鍛件廢品的一個主要缺陷，約占整個廢品率的70%～80%。它是由于模鍛時金屬對流或流向紊亂，形成某些金屬的重疊，最后壓合成為折疊。這類廢品，以工字形斷面的鍛件最為嚴(yán)重，并且不易消除。

⑸粘模、起皮和表面粗糙。

鋁合金因質(zhì)地很軟，外摩擦系數(shù)大，最容易粘模。這不僅會引起鍛件起皮，使鍛件表面粗糙，有時甚至因不能脫模而中斷生產(chǎn)。

鋁合金鍛造工藝特性及鍛造缺陷

鋁合金鍛造工藝參數(shù)要求

⑴加熱要均勻并充分保溫。

坯料要進(jìn)行充分的高溫均勻化處理，消除殘余內(nèi)應(yīng)力和晶內(nèi)偏析，提高金屬塑性。鍛造加熱時，要保證在規(guī)定的加熱溫度進(jìn)行加熱并充分保溫；避免在高溫下長時間加熱，減少模鍛次數(shù)，力求一火鍛成。溫度過高，容易形成粗晶，溫度過低，鍛件將產(chǎn)生加工硬化，

⑵鍛造工具和模具預(yù)熱。

由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，如果鍛造工具和模具沒有預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不夠也會引起鍛件產(chǎn)生裂紋。用于鍛造和模鍛的工具要充分預(yù)熱。加熱溫度最好接近鍛造溫度，一般為200～420℃，以便提高金屬的塑性和流動性。

⑶鍛造變形速度要控制。

鋁合金由于流動性差，不宜采用變形激烈的鍛造工序（如輥壓），并且變形程度要適當(dāng)，變形速度要越低越好；初始鍛造時，開始要輕擊，打碎粗晶環(huán)，然后逐漸加重打擊；鍛造操作時要注意防止彎曲、壓折，并要及時矯正或消除所產(chǎn)生的缺陷。滾圓時，壓下量不能小于20%，并且滾圓的次數(shù)不能太多。變形程度過大或過小都將導(dǎo)致組織不均勻，從而降低鍛件性能。

⑷終鍛溫度要保證。

解決鋁合金大晶粒的有效措施是采用等溫模鍛工藝，即將模具加熱至（并保持）接近合金的實際變形溫度，在液壓機慢速的條件下成形。在合適的變形溫度和變形程度條件下，可保證模鍛后獲得完全再結(jié)晶的組織，經(jīng)固溶處理后可得到細(xì)小晶粒。

⑸保證鍛件均勻變形。

要改進(jìn)模具設(shè)計（圖4），合理選擇坯料，保證鍛件均勻變形，鍛件各斷面的變化要盡量平緩。對于形狀復(fù)雜和具有工字形斷面的鍛件，應(yīng)采用多套模具、多次模鍛，使坯料由簡單的形狀逐步過渡到復(fù)雜的形狀，以保證金屬流動均勻，充填容易，纖維連續(xù)。對斷面變化較大的鍛件，如果沒有制坯模，則需用自由鍛制坯，使坯料各斷面的金屬量分配合理，以防止金屬變形不均，流動紊亂。改變鍛件的分模面，采用反擠成形。保證金屬流動條件好，鍛件組織結(jié)構(gòu)均勻，成品率高。

圖4 3D模具設(shè)計

⑹模具與潤滑。

降低模膛表面粗糙度到Ra0.4μm以下，采用良好的工業(yè)潤滑劑，涂抹潤滑劑要均勻。

鋁合金鍛造設(shè)備要求

⑴下料。

鋁合金大多采用鋸床下料，也有用圓盤鋸、帶鋸；剪切下料只適合在將棒料橫放的帶飛邊的模鍛場合；閉式鍛造對下料精度要求較高，應(yīng)使用車床下料。目前國際上也有采用高速剪切下料的報道，高速剪切速度可達(dá)6～8m/s，甚至更高，可獲得較好的斷面質(zhì)量。

⑵加熱。

鋁合金常用的加熱設(shè)備是電阻爐，為保證加熱溫度均勻性，加熱爐一般帶有強制空氣循環(huán)裝置、溫控裝置，爐膛溫度均勻性不超過±20℃，最好控制在±5℃。

⑶模具預(yù)熱。

模具溫度不但影響可鍛性，還是鍛造成敗的關(guān)鍵因素。鋁合金導(dǎo)熱率高，為防止熱量過快散失，必須把模具同接觸的工具預(yù)熱至較高的溫度，通常5CrNiMo為200～300℃，H13鍛模為250～400℃。鍛模預(yù)熱最好在加熱爐內(nèi)進(jìn)行，也可以用噴燈、電熱管、導(dǎo)熱油加熱，要求加熱均勻，避免觸及模具的工作表面，避免表面局部溫度過高而退火。

⑷制坯和預(yù)鍛。

由于鋁合金鍛造溫度范圍窄，不宜在模鍛設(shè)備上進(jìn)行復(fù)雜的制坯工序。大批量生產(chǎn)時，制坯往往在鋁合金成形專用輥鍛機、專用楔橫軋機上進(jìn)行，有時也可以通過擠壓、鐓頭方式進(jìn)行。專用制坯設(shè)備有別于普通設(shè)備主要體現(xiàn)在模具溫度、變形速度的控制。

⑸模鍛。

鋁合金鍛造對變形速度較為敏感，速度越快，加工硬化越嚴(yán)重，變形抗力也越大，可鍛性降低。同時，在較大的變形速度下，由于熱效應(yīng)，會產(chǎn)生過熱或過燒。因此，鋁合金尤其是高合金化的鋁合金在模鍛時，首選變形速度較慢的液壓機，其次是機械壓力機、螺旋壓力機（圖5），最好是成形速度可控的高速伺服壓力機。

圖5 高能螺旋壓力機

⑹切邊。

鋁合金切邊有冷切、熱切之分，高合金化的鋁合金往往采用熱切。

鋁合金鍛造理想工藝及設(shè)備

等溫鍛造

鋁合金始鍛溫度為450～480℃，終端溫度為360～400℃，鍛造溫度區(qū)間較小，保持模具和坯料處于同一恒定溫度。鍛造溫度均勻不隨時間變化的鍛造過程稱為等溫鍛造。

等溫鍛造時通常采用較低的變形速率，可提高金屬的塑性并降低變形抗力。

等溫鍛造優(yōu)勢如下：

⑴由于模鍛金屬變形抗力和模鍛壓力的降低，減小了模具系統(tǒng)的彈性變形；

⑵減小變形溫度的波動，從而使鍛件幾何尺寸得到穩(wěn)定。鋁合金和高溫合金對變形溫度很敏感，如果變形溫度較低，變形后成為不完全再結(jié)晶的組織，在固溶處理后易形成粗晶或晶粒粗細(xì)不均的組織，致使鍛件性能達(dá)不到技術(shù)要求。在等溫鍛造條件下，鍛造具有薄的腹板、高肋和薄壁零件時，坯料的溫度得到保持控制；

⑶減小鍛件內(nèi)的殘余應(yīng)力，鍛件在冷卻和熱處理時可減少變形；

⑷由于模具溫度的控制和保護潤滑涂層的使用，減小了熱金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生的相互作用，結(jié)果減薄了缺陷層的厚度而改進(jìn)了鍛件的表面質(zhì)量。

采用等溫鍛造加工得到的鍛件，組織均勻、機械性能優(yōu)良、鍛件無回彈、尺寸穩(wěn)定、材料利用率高、表面質(zhì)量好。

熱模鍛造

模具溫度越高，模具壽命越低。為了提高模具壽命，可采用模具溫度稍低的熱模鍛造。鍛件與模具溫差一般可取200～400℃，與常規(guī)鍛造相比，可以降低變形抗力及成形設(shè)備噸位。一般的鋁合金零件在低的變形速度下成形也可獲得均勻的組織。

鍛造設(shè)備

就鋁合金鍛造成形工藝而言，液壓機是鋁合金鍛造較為理想的設(shè)備。目前國內(nèi)外鋁合金模鍛件主要圍繞航空飛行器的大型鍛件需求，大型精密模鍛液壓機已經(jīng)受到重視。隨著鋁合金應(yīng)用范圍的擴大，特別是汽車、軌道交通等民用產(chǎn)品的中小型鋁合金鍛件應(yīng)用擴大，傳統(tǒng)工作頻率低、生產(chǎn)效率低的普通液壓機，難以適應(yīng)大批量民用鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。圖6所示為鋁合金鍛造生產(chǎn)線。表1為幾種鋁合金模鍛成形設(shè)備的比較。

圖6 鋁合金鍛造生產(chǎn)線

表1 幾種鋁合金模鍛成形設(shè)備的比較

中機高速伺服液壓機對民用鋁合金產(chǎn)品的適應(yīng)性

⑴提高空行程速度，可提高工作頻率。高速伺服模鍛液壓機（圖7）空行程速度可達(dá)1m/s，其他普通液壓機空行程速度一般不超過0.3 m/s。

⑵高速伺服模鍛液壓機可實現(xiàn)工作過程速度的伺服控制，實現(xiàn)鋁合金鍛造變形過程的伺服控制。成形過程任意點的變形速度均可依據(jù)工藝要求設(shè)定，變形速度可調(diào)范圍更廣。

⑶高速伺服液壓機可實現(xiàn)模具軟結(jié)合，避免硬性沖擊。方便采用電加熱保持模具的溫度控制，有利于鋁合金鍛造成形溫度的控制。

⑷在高速伺服液壓機基礎(chǔ)上，公司正在研發(fā)適應(yīng)鋁合金成形的專用多向鍛造或復(fù)動成形壓機，實現(xiàn)鋁合金復(fù)雜零件在一次合模條件下完成多次鐓擠成形，保證鋁合金零件在三向壓應(yīng)力下鐓擠鍛造成形，減少成形工序與工步，便于鍛造過程自動化的實現(xiàn)。

⑸高速伺服液壓機具有模具的自動夾緊、定位、溫控加熱及頂料裝置。

圖7 高速伺服模鍛液壓機

⑹配備機器人，實現(xiàn)自動上下料及模具的自動潤滑。