浅谈铝合金的加工工艺

航空航天材料学习报告

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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，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好；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，广泛用于机械制造、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飞速发展，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。

一、铝合金的熔炼

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，并及时调整。为保证熔体纯洁，防止有害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有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。

二、铝合金的铸造

铸造一般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高50～110℃。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。冷轧主要采用带式法生产工艺，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。

三、熔炼及铸造的相关过程

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进行加热，新工艺采用气垫式连续淬火炉淬火。

（一）按工件在变形过程中的受力与变形方式分类

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。