鋁合金鍛造技術的現狀及 發展

文/ 謝水生，李寧·北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室

劉靜安·重慶西南鋁業集團有限責任公司

鋁合金鍛造技術的現狀及 發展

文/ 謝水生，李寧·北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點實驗室

劉靜安·重慶西南鋁業集團有限責任公司

目前，我國鋁合金鍛造生產技術有了突飛猛進的發展，已形成了完整的鋁合金鍛造生產體系，基本上能滿足國民經濟和國防建設的需求。但是，與國外先進國家的鋁合金鍛造技術相比，我國技術仍存在一定的差距。隨著我國大飛機項目及其他大型重點項目的實施，800MN立式模鍛液壓機的建成將促進我國向世界鋁合金鍛造大國和強國邁進。

鍛造生產是向國民經濟各個工業行業提供機械零件毛坯的主要途徑之一。鍛造生產的優越性在于它不但能獲得機械零件的形狀，而且能改善材料的內部組織，提供優良的力學性能。對于受力大、力學性能要求高的重要機械零件，多數采用鍛造方法來制造。

鋁合金具有密度小，比強度、比剛度高等一系列優點，已大量使用在各個工業部門，鋁合金鍛造件已成為各個工業部門機械零件必不可少的材料。特別是近十年來，隨著科學技術的進步和國民經濟的發展，對材料提出越來越高的要求，迫使鋁合金鍛件向大型整體化、高強高韌化、復雜精確化的方向發展，也大大促進了大中型液壓機和輾環機的發展。

鋁合金鍛造發展現狀及水平

鍛造生產在我國具有悠久的歷史，3300多年以前的殷墟文化早期，鍛造已用于兵器生產。但是，新中國成立前我國鍛造生產還是十分落后。新中國成立后，鍛造生產迅速發展，125MN以下的自由鍛水壓機、300MN模鍛水壓機、160kN以下的模鍛錘、16000kN以下的摩擦壓力機、8000kN以下的熱模鍛造機已經裝備了各鍛造廠。但到目前為止，我國鋁加工企業僅有9臺30MN、50MN、60MN、100MN、300MN大、中型鋁鍛造水（液）壓機和1臺100MN多向模壓水壓機及2臺φ5m輾環機，鋁鍛件年生產能力僅為15000t左右，鋁合金最大模鍛件投影面積為2.5m2，最大長度為7m，最大寬度為3.5m，鍛環最大直徑為5m，以及盤徑為φ534～730mm的鋁合金絞線盤和φ600mm左右的汽車輪轂。鋁合金產品品種相對較少，模鍛件的比例較低，例如工業發達國家的模鍛件已占全部鍛件的80%以上，我國只占60%以上。國外模鍛件的設計、模具制造已廣泛引入計算機輔助設計技術，模鍛CAD/CAM/CAE和模鍛過程仿真已進入實用化階段，而我國很多鍛造廠在這方面才剛剛起步，工藝裝備的自動化水平和工藝技術水平也相對落后。

目前，我國鋁合金鍛造工業，無論在技術裝備，還是在模具設計與制造、產品產量與規模、生產效率與批量化生產、產品質量與效益等方面都已經取得了很大進步，已經建立了具有我國特色的鋁合金鍛造體系，基本能滿足我國國民經濟發展的需要。但是，與國外先進水平存在一定差距，還不能滿足國內外市場對鋁合金鍛件日益增長的需求和交通運輸（如飛機、汽車、高速火車、輪船等）輕量化要求（以鋁鍛件代替鋼鍛件）的步伐。為此，我國應集中人力、物力和財力，盡快提高我國鋁合金鍛造生產的工藝裝備水平和生產工藝水平，并盡快新建若干條大中型現代化鋁合金鍛造生產線，盡快縮小與國外先進水平的差距，最大程度滿足國內外市場的需求。隨著我國大飛機項目及其他大型重點項目的實施，建成的200MN重型臥式擠壓機和450MN、800MN立式模鍛液壓機（圖1），將大大的提升我國的鍛造裝備水平，促進我國向世界鋁合金鍛造大國和強國邁進。

鋁合金鍛造技術與國際水平的差距

目前，我國規模最大、裝備最先進、品種最齊全的鋁合金鍛造企業應屬西南鋁加工廠，該廠擁有世界級的300MN模鍛水壓機、100MN多向模鍛水壓機和60MN鍛造水壓機及配套齊全的輔助設備以及切邊、矯直、鋸切、機加、制模和檢測設備等，是一個專為航空航天等部門提供高質量鋁合金鍛件和模鍛件的工廠。美國是目前世界上鋁合金鍛造生產和技術最發達的國家之一，美鋁公司下屬的克利弗蘭鍛造廠是其最具代表性的鋁合金鍛造企業，擁有 30MN、40MN、80MN、150MN、350MN、500MN等多臺鍛造水壓機；7MN～10MN、13MN、16MN、20MN、25MN～30MN、40MN～60MN等機械壓力機及6kN、8kN、18kN、36kN、110kN、150kN鍛錘以及配套齊全的輔助設備和公共設施。

下面以這兩個工廠為代表，對我國鋁合金鍛造技術與國際先進水平進行對比分析，從規模產能、品種和質量等方面來分析差距，總體來說，克利弗蘭鍛造廠的規模比西南鋁要大得多，品種更多，規格更大，用途更廣泛，生產效率和產品質量更高。因此，經濟效益也更好。

從生產技術方面分析差距，我國鍛造企業主要存在以下4點不足：

⑴鍛造制坯。

模鍛所需的坯料是通過自由鍛造制備，影響自由鍛造制坯技術的主要因素是鍛造機的裝機水平和鍛工的操作技術。美鋁公司鍛造制坯主要在30MN鍛造水壓機上完成。這臺設備小巧靈活，工作臺上有一個主模座和多個輔助模座，適用于坯料鍛打、旋轉和翻滾。由于鍛造坯料的形狀往往比較復雜，需要反復的鐓粗、壓扁、拔長，坯料在工作臺上頻繁移動和翻滾，因此這種鍛造設備非常適合，且具有操作方便、安全、省力、勞動效率高，鍛坯質量好等優點。

圖1 我國800MN立式模鍛液壓機

西南鋁加工廠鍛造制坯是在60MN鍛造水壓機上完成的。設備能力大（實際上每道次的鍛造力很小），不靈活。雖配有有軌鍛造操作機，但由于水壓機工作臺上只有一個主模座，坯料的移動與翻滾仍然很不方便，需要多名鍛造工人配合完成。這既費力費時，又不安全，勞動效率低下，鍛坯質量粗糙。

⑵模鍛成形。

與美鋁公司相比，模鍛工序的主要差距是裝卸料的機械化和潤滑技術。坯料的出爐、裝模與出模，美鋁公司均采用無軌操作機（即裝卸料機械手），只有模具的裝卸才采用天車。而西南鋁加工廠采用天車裝卸料，水壓機每模壓一個料，需要開動水壓機移動工作臺一次，臺班生產效率低下。例如，用300MN模鍛水壓機生產投影面積為0.5mm2的鋁模鍛件，美鋁公司平均每小時可模鍛12件，西南鋁平均6件，效率低50%。另一個致命弱點是，由于頻繁開動工作臺，加速了工作臺和控制閥的磨損，使設備故障頻繁，大大降低了設備的有效工作時間，也使成本大幅上升。

為了改善金屬在鍛模模膛中的流動性能和防止金屬粘模，鋁模鍛時必須進行潤滑。由于潤滑技術直接影響到模鍛件的內在質量、外表質量及生產效率，因此世界各國非常重視潤滑技術（包括潤滑劑和潤滑方式）的研究。與美鋁公司相比，除潤滑劑的種類比較單調（鋁模鍛采用石墨加礦物油的混合物）外，潤滑方式十分落后。西南鋁加工廠目前仍然采用傳統的涂刷方式，國外早已采用噴涂方式。涂刷方式的最大缺點是模膛潤滑不均勻，特別是窄而深的模膛，不是沒有潤滑劑，就是潤滑劑存積太多，導致粘模嚴重和材料成形差。美鋁公司鍛造廠建立了集中潤滑站，向幾臺模鍛水壓機機臺提供高壓潤滑劑。潤滑工只要將噴槍與機臺上的潤滑劑管相連接即可使用。這樣既保證了潤滑的質量，又便于操作和管理，使工作現場免受油污污染。

⑶模具設計與制造。

模具的設計、制造與使用水平直接影響新產品開發速度、產品質量、節能降耗以及勞動生產效率。因此引起發達工業國家的高度重視。我國鋁模鍛品種開發緩慢的重要原因之一便是模具的設計與制造技術落后，生產周期長。

美鋁公司非常重視鍛模的設計與制造。公司的技術中心（位于Pittsbugh）專門有一個部門的專業人員從事計算機輔助設計和制造（CAD/CAM）。而國內鍛模設計（CAD）尚未普及，僅在軸對稱回轉體鍛模上應用。至于CAM的用戶則更少，尚在起步階段，西南鋁加工廠也一樣。模具的設計需要不斷積累生產實踐經驗，所以即使是大學畢業生，也需要經過多年的努力，才能具有獨立設計比較復雜模具的能力。而CAD的專家系統，積累了許多設計專家豐富的實踐經驗，模具設計者可以利用它們進行高質量、高效率的設計工作。設計的模具準確度高，時間短，大大縮短了產品的開發步伐。

另外，鍛模材料國內主要采用5CrNiMo和5CrMnMo，這些材料的耐熱性差，壽命低。而美國多采用H13（4Cr5MoSiV1），這種鋼在500℃時紅硬性好，沖擊韌性高，水冷時不裂，壽命長。

⑷檢測技術與裝備。

航空模鍛件多是受力結構件，內部質量要求高，往往要經過水浸超聲波檢測。美鋁公司裝備有大型水浸超聲波檢測設備，自動化程度很高。大型水槽上安裝有自動升降式載物臺和自動掃描儀。檢測工將被測工件裝卡在載物臺上，調整好掃描儀，將載物臺降至水面以下，即可進行自動檢測了。而西南鋁加工廠雖有水浸探傷裝置，但均是手工操作，工作效率低。

熒光滲透檢測也是鋁合金模鍛件在加工過程中有效的檢測手段，能檢測鍛件表面易形成折疊和裂紋等缺陷。通常，鋁模鍛件的表面缺陷打磨后會對光線形成漫反射，檢驗工用 肉眼或放大鏡已無法判斷缺陷是否清除掉，這就需要進行熒光滲透檢測。美鋁公司有這樣的設備，而西南鋁加工廠目前還沒有這樣的設備。成品檢驗時，西南鋁加工廠采用的是反復蝕洗的辦法，將清理過的鍛件裝筐吊入堿槽、酸槽和水槽中蝕洗，以消除缺陷部位的漫反射效果，再檢查。這樣做工人勞動強度大，效率低，且易碰傷鍛件表面。

從以上分析來看，不論在總體上，還是在技術層面上，我國的鋁合金鍛造生產與技術水平仍落后于國際先進水平。目前，我國已成為鋁合金鍛造大國，但還不是強國。要想早日超越世界先進水平，成為真正的鋁合金鍛造大國和強國，我們還有許多工作要做。

鋁合金鍛造技術的發展方向

經過幾十年的努力，我國鋁合金鍛造生產與技術有了突飛猛進的發展，已形成完整的鋁合金鍛造生產體系，基本上能滿足國民經濟和國防建設的需要。但是，鋁合金鍛造生產與軋制和擠壓生產規模仍然很小，占鋁材比例很低（2%～3%）。隨著社會經濟文明和安全的進步，特別是節能環保對輕量化的要求，鋁合金鍛造生產及優質鍛件遠遠不能滿足社會發展的需求。為了適應這種發展趨勢，大力發展鋁合金鍛造生產及技術是當務之急。

今后，鋁合金鍛造生產及其技術的發展方向是擴大規模、增大產能，增加品種和擴展鋁合金鍛件的應用領域；設計和制造更多大型、高速的多功能鍛造設備，組建若干條大型、先進、多用途的鋁合金鍛造生產線；提高鍛造件質量，滿足進一步發展的國民經濟及國防軍工需求；研發和應用新技術、新工藝、新材料和新設備，不斷提高鋁合金鍛造生產的技術含量，以達到高效、高產、優質、低成本、高效益以及節能、環保、安全的目的。具體內容主要包括以下6點：

⑴提高鍛造件的內在質量、提高性價比、提高鋁合金鍛造件的競爭力，即提高鋁合金鍛件的力學性能（強度、塑性、韌性、疲勞強度）和可靠度。這需要更好地應用金屬塑性變形的理論；應用內在質量更好的材料，如研發新合金、熔鑄優質坯料；精確進行鍛前加熱、鍛造及熱處理；更嚴格和更廣泛地對鍛造件進行無損探傷等。

⑵先進省力鍛造工藝的研發、節能降耗、改善環保條件。研發高效鍛造工藝一直是研究人員熱衷的一個研究領域。目前省力的途徑主要有減少拘束系數，實際生產中常用分流的辦法來減少變形抗力；減少流變應力的方法，實際生產中的超塑性成形和液態模鍛均屬于這種方法；減少接觸面積；研發新的鍛造方法；減少摩擦阻力，采用新型潤滑劑。

⑶精密鍛造成形工藝的研發與應用。鍛件不需要再進行機械加工就能滿足公差要求，目前已經能將鍛件精度控制在0.01～0.05mm之間。凈成形和近凈成形鍛造均屬于這類方法。少無切削加工是機械工業提高材料利用率、提高勞動生產率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。

⑷鍛造工程的信息化、自動化和管理現代化。在鍛造過程中推廣和應用CAD、CAE、CAM和CAD/ CAE/CAM一體化技術，實現鍛造全過程的虛擬生產、模具設計與制造的自動化、鍛造后鍛件組織性能預測與缺陷預測，人工智能、神經元網絡和專家系統實現鍛造過程在線質量檢測與在線控制。實現鍛造工藝過程、生產過程的信息管理，將有效的提升生產過程的效率。

⑸微成形技術的研發與應用。通常指零件變形小于0.5mm的變形，這類變形所用材料晶格尺寸沒發生多大變化。目前隨著微電子工業的快速發展，對微成形技術的需求也越來越大。但微成形技術的一個難點就在于其尺寸效應。

⑹環境友好成形技術的研究開發及應用。鍛造過程的綠色化、無害化，減少環境危害，同時鍛造過程節約能源，促進節能減排，推廣環境友好的成形工藝。