簡述鋁合金鍛造工藝特點（上）

文/趙一平·本刊特約評論員

簡述鋁合金鍛造工藝特點（上）

文/趙一平·本刊特約評論員

概述

鋁和鋁合金是應用最廣泛的一種有色金屬，其產量僅次于鋼鐵。若按地殼中的蘊藏量而論，約占地殼質量的8.13%，是鐵蘊藏量的一倍多，比其他有色金屬蘊藏量的總和還要多。

鋁合金特性

鋁合金的密度只有鋼的三分之一（鋁合金密度為2.7g/cm3，鋼密度為7.85g/cm3），鋁合金是輕量化的理想材料。比強度大、比剛度大、疲勞強度高，宜用于輕量化高的關鍵受力部件。鋁合金塑性較好，可加工成各種形狀復雜的高精度鍛件。鋁鍛件具有良好耐腐性、導熱性和非磁性，這是鋼鍛件無法比擬的。

鋁和鋁合金應用廣泛

由于鋁和鋁合金具有優異的性能，因此鋁和鋁合金已經廣泛應用于機械、航空、汽車、鐵道車輛、船舶艦艇、建筑、橋梁、化工、電力、電子、儀表、五金以及家庭生活用品等各個領域。

鋁合金代替某些鋼鐵可大為減輕機械產品的重量并增加結構的穩定性，因此在航空、航天及許多國防工業部門中，鋁和鋁合金更是必不可少的材料。例如飛機上有許多鋁合金鍛件，鋁合金在飛機上的使用量為15%～50%。鋁材廣泛應用于建筑、汽車和包裝，已經成為當今工業發達國家的三大用途。

鋁合金鍛件發展迅速

⑴鋁合金鍛件在國際上是一種發展趨勢。

因為汽車輕量化具有重要意義（降低油耗，減少環境污染），歐美日汽車巨頭都紛紛投入大量人力、財力研究降低汽車重量，采用鋁合金代替鋼材制作部分零件。例如，日本對鋁合金研發投入巨大人力和物力，2009年日本鋁合金鍛件產量30459t，占模鍛件總量的2.7%，本田汽車公司2004年10月發表的戰略報告中指出，每輛轎車使用200kg鋁合金零件（約占轎車總重量20%），其中40kg是鋁鍛件。

圖1 鋁合金輪轂

鋁合金鍛件在國際上是一種發展趨勢，大多數鍛件用于汽車車橋、底盤構件，例如鋁合金輪轂（圖1）和鋁控制臂。據統計，鋁鍛件在世界鍛件總量中的占比由1985年的0.5%上升到2002年的15%。隨著節能環保的發展，今后鋁合金鍛件必將有更大發展。

⑵鋁合金鍛件發展迅速。

近年來，汽車用鋁合金鍛件獲得快速發展，由于全球氣候變暖，能源緊張；另外，消費者要求乘車舒適，操控靈活，這些都對汽車工業提出了嚴峻挑戰，加快汽車工業輕量化發展（轎車重量減輕10%，油耗降低8%～10%）。根據會議資料介紹，美國每輛轎車鋁合金使用量（鍛件、沖壓件）達到36.3%，歐洲和日本每輛轎車鋁合金使用量超過自重15%以上，而國產轎車上鋁合金使用量較少。汽車專家預測，今后將有越來越多鋁合金鍛件替代鋼質鍛件。

另外，高速列車輕量化也促使其采用鋁合金零件，例如，某鍛造企業就生產高速列車7075高強度鋁合金鍛件。

變形鋁合金可鍛性分析

可鍛性定義和衡量指標

⑴鋁合金可鍛性定義。

鋁合金可鍛性（流動性）是指鋁合金在外力作用下充填模具型槽的能力。可鍛性高，即坯料充填模具型槽能力強。

⑵可鍛性衡量指標。

可鍛性常用金屬的塑性和變形抗力綜合衡量，塑性越高，變形抗力越小，則可鍛性越好。可鍛性取決于鋁合金本質（塑性和強度極限）和加工條件。可鍛性是衡量金屬通過塑性加工獲得優良零件的難易程度的工藝性能指標。

鋁合金可鍛性特點

鋁合金可鍛性特點是指與碳鋼和低合金結構鋼可鍛性比較而言。

⑴鋁合金高溫變形抗力特點。

①各種鋁合金高溫變形抗力相差大。鋁合金變形抗力（也稱流動應力）隨成分不同而有明顯改變，一些低強度鋁合金和中等強度鋁合金，如6000系鋁合金高溫變形抗力較低，而高強度鋁合金尤其是Al-Zn-Mg-Cu鋁合金，如7000系鋁合金高溫變形抗力較高。

圖2 碳鋼和鋁合金強度極限隨溫度變化曲線

例如鍛鋁2A50鋁合金500℃強度極限20MPa，而硬鋁2A12鋁合金500℃強度極限40MPa，兩者相差一倍，即所需鍛造變形載荷相差約2倍（圖2和表1）。

②多數常用變形鋁合金室溫變形抗力比碳鋼低，但其高溫變形抗力有三種：比碳鋼低，與碳鋼相當，還有比碳鋼高。

③鋁合金變形抗力對溫度很敏感（隨溫度增加或降低變化迅速）：隨溫度下降，其高溫變形抗力增長迅速，比碳鋼快。由表1和表2比較可知，高溫強度極限增長速度比碳鋼和低合金結構鋼迅速，碳鋼和低合金結構鋼溫度下降100℃，強度極限約增加50%，而鋁合金溫度下降50℃，強度極限增加50%～300%。所以鋁合金，尤其合金化程度高的鋁合金不能在溫度低的工況下終鍛，故鋁合金鍛造溫度范圍窄，操作應迅速。鋁合金模鍛生產時的變形抗力決定其材料本身強度極限、加工條件以及鍛件的復雜程度。

⑵鋁合金塑性特點。

塑性系指金屬材料在外力作用下，發生變形而不破壞其完整性的能力。鋁合金模鍛時的塑性決定其材料本身塑性和加工條件。鋁合金與模具表面的摩擦系數是鋼的3倍，流動速度只是鋼的一半，黏附力強且流動性差、塑性差。

綜上所述，由于各種鋁合金內合金元素的種類和含量不同，強化相的性質、數量及分布特點不同，從而嚴重影響鋁合金的塑性和變形抗力。另外，加工條件也極大影響鋁合金塑性和變形抗力。故鋁合金可鍛性（流動性）比碳鋼和低合金結構鋼差，但比高溫合金和鈦合金好。

加工條件對鋁合金可鍛性影響

加工條件影響鋁合金可鍛性比碳鋼和低合金結構鋼敏感，即加工條件嚴重影響變形鋁合金可鍛性。

⑴坯料變形溫度。

各種鋁合金可鍛性（流動性）隨著溫度的增加而增加，但溫度對各種鋁合金的影響程度有所不同，其溫度效應存在相當大的差異。例如，高含硅量的4032鋁合金的可鍛性對溫度變化很敏感，而高強度Al-Zn-Mg-Cu系7075等鋁合金可鍛性受溫度影響較小。

表1 幾種常用變形鋁合金在不同溫度下的強度極限（MPa）

表2 部分常用鋼材在不同溫度下的強度極限（MPa）

若鋁合金坯料鍛造溫度合理，則變形抗力小，塑性好。但是若坯料溫度過高，則易引起粗晶，甚至過燒。若坯料鍛造溫度較低，則變形抗力增大，可鍛性差，還易產生粗晶。故采用合理鍛造溫度是鋁合金鍛造工藝成敗的關鍵。

⑵坯料變形速度。

變形速度是指單位時間內的變形量。變形速度快對可鍛性有兩方面影響：一.變形過程中產生變形熱，使金屬溫度升高（稱熱效應現象），變形速度越大，熱效應越顯著，則提高金屬塑性，降低變形抗力，增加可鍛性。二.變形速度過快，回復和再結晶不能及時克服加工硬化現象，金屬塑性下降，變形抗力增加，則可鍛性降低。

鋁合金對變形速度比較敏感，鋁合金變形熱效應也比較強烈，快速變形引起快速升溫將會引發鋁鍛件一系列缺陷（粗晶、晶粒結構不均勻），另外高速鍛造還增加變形抗力（熱效應雖然降低變形抗力，但是由變形速度所增加的變形抗力更大），原則上不推薦采用鍛錘。變形速度慢有利鋁合金模鍛，但是過低的變形速度（液壓機）會導致生產率低。

⑶模具預熱。

模具預熱非常重要，模具溫度不僅影響鋁合金坯料可鍛性，而且影響模具壽命（預熱不當，模具過早失效），是鋁合金鍛造成敗的關鍵因素之一。鋁合金熱導率高，為防止坯料熱量過快散失，必須把模具和與工件接觸的工具預熱到較高溫度。小型模具預熱時間在2h以上，預熱溫度≥200℃（由鋁合金和模具鋼種類確定），大型模具需要更長時間。

模具預熱正確，既有利于鋁合金鍛造（可鍛性好，避免產生表面起皮和粗晶等缺陷），又提高模具使用壽命。

⑷模具潤滑。

在鍛造溫度下，鋁合金鍛造流動性差（摩擦系數是鋼的3倍，流動速度是鋼的1/2），粘模傾向嚴重。因而在鍛造鋁合金時，模具潤滑就顯得特別重要。模具潤滑可以改善金屬流動，防止粘模，減少鍛件表面缺陷，并可使模鍛變形抗力降低9%～15%。

⑸模具粗糙度。

模具粗糙度直接影響金屬流動性，所以模具表面應進行拋光，模具型槽表面光潔明亮，粗糙度應達到≤Ra0.4μm。若模具型槽粗糙度高，不僅影響鋁合金可鍛性，而且對復雜鋁合金鍛件還易產生折疊。

⑹變形應力狀態。

實踐證明，金屬變形時，三個方向中的壓應力的數目越多，則金屬塑性越好。拉應力數目越多，則金屬塑性越差。

而同號應力狀態下引起的變形抗力大于異號應力狀態下的變形抗力。所以鋁合金模鍛，宜采用閉式模鍛（三向壓應力狀態變形），提高鋁合金塑性變形和一次變形程度。

綜上所述，常用變形鋁合金在鍛造溫度下，與模具摩擦系數大，黏附力強，流動性差，故鋁合金可鍛性差（與碳鋼和低合金結構鋼比）。但是，只要變形鋁合金模鍛時的加工條件合理和優化，即采用合理的變形溫度和速度、潤滑良好、模具粗糙度≤Ra0.4μm和預熱、并采用閉式模鍛等，鋁合金與碳鋼和低合金結構鋼一樣，變形抗力小，塑性好，可鍛性優，可用來生產各種形狀和類別的鍛件。

《簡述鋁合金鍛造工藝特點（下）》見《鍛造與沖壓》2016年第17期