铝合金锻压生产现状及锻件应用前景

铝合金锻压生产现状及锻件应用前景收稿日期：!""# $ "! $ !" 作者简介：刘静安（%&’% $），男，湖南涟源人，教授级高级工程师。铝合金锻压生产现状及锻件应用前景刘静安（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 ’"%(!)）摘要：论述了铝合金锻压生产在国民经济中的重要地位，生产现状及发展水平；分析了铝合金锻件的市场需求及应用前景。指出在我国建设几条大、中型铝合金锻压生产线是十分必要的，对国民经济的高速持续发展和国防军工现代化有现实意义和长远意义。关键词：铝合金锻压生产；大型铝合金锻件；生产现状；应用前景中图分...

收稿日期：!""# $ "! $ !" 作者简介：刘静安（%&’% $），男，湖南涟源人，教授级高级工程师。铝合金锻压生产现状及锻件应用前景刘静安（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 ’"%(!)）摘要：论述了铝合金锻压生产在国民经济中的重要地位，生产现状及发展水平；分析了铝合金锻件的市场需求及应用前景。指出在我国建设几条大、中型铝合金锻压生产线是十分必要的，对国民经济的高速持续发展和国防军工现代化有现实意义和长远意义。关键词：铝合金锻压生产；大型铝合金锻件；生产现状；应用前景中图分类号：*+(%& 文献标识码：, 文章编号：%""- $ -!(#（!""#）") $ """% $ "’ !""#$%&’$() *(+,-+(.)/ (0 *(+-$)-1 &)/ 2’&’,1 (0 !#.3$)$.3 !##(4 *(+-$)- 5+(/.%’$() ./0 1234563 （2(.’67,1’ !#.3$)$.3（8+(."）9(:，;’/:，96()-<$)- =>?@AB，96$)&） !C1’+&%’：*78 9:;8243 63< =7236’> >?6?8> :9 6@AB232AB 6@@:C 9:;4234 D;: 6;8 636@C>8>2?C 6K:A? KA2@<234 >8F8;6@ @6;485>E6@8 6@AB232AB 6@@:C 9:;4234 D;:5 2> 23<2E6?8E6@8 6@AB232AB 6@@:C 9:;4234>；D;:?6?8；6DD@2E6?2:3 9:;84;:A3< % 铝合金锻压生产在国民经济中的地位锻压生产是向各个工业行业提供机械零件毛坯的主要途径之一。锻压生产的优越性在于它不但获得机械零件的形状，而且能改善材料的内部组织、提高力学性能。一般地讲，对于受力大、力学性能要求高的重要机械零件多数采用锻压方法制造毛坯。在飞机上锻压件的质量占 L"M，坦克上锻压件的质量占 -"M，汽车上锻压件的质量占 )"M。电力工业中的水轮机主轴、透平叶轮、转子、护环等零件的毛坯都是锻压而成。铝合金由于密度小、比强度和比刚度高等优点，已大量用在各个工业部门，铝合金锻压件已成为各个工业部门机械零件必不可少的毛料。铝合金可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种锻造设备上锻造，可以自由锻、模锻、顶锻、辊锻和扩孔。一般来说，尺寸小、形状简单、尺寸偏差要求不严的铝合金锻件，可以容易地锤锻造出来，但是对于规格大、要求剧烈变形的铝合金锻件，则宜选用水（液）压机来锻造。对于大型复杂的、整体结构的铝合金锻件则非采用大型模锻液压机来生产不可。特别是近 %"年来，随着科学技术的进步和国民经济的发展，使铝合金锻件向大型整体化、高强高韧化、复杂精密化的方向发展，这大大促进了大、中型液压机的发展［%，!］。随着我国交通运输业向现代化、高速化方向发展，交通运输工具的轻量化要求日趋迫切，以铝代钢的趋势越来越大。特别是轻量化程度要求高的飞机、航天器、地铁车辆、高速列车、货运车、汽车、舰艇、船舶、火炮、坦克以及某些机械设备等的重要结构件，近几年来大量使用铝合金锻件和模锻件以替代原来的钢结构件，例如飞机上的很多结构件；汽车 %!""#，N:@ H((，O) 轻合金加工技术万方数据的轮毂、保险杠、底座大梁；坦克的负重轮；炮台机架；直升机的动环和不动环；火车的气缸和活塞裙；木工机械机身；纺织机械的机座、轨道和绞线盘等等；都已应用铝合金模锻件来制造。而且这种趋势正在大幅度增长，甚至原来用的某些铝合金铸件也开始采用铝合金模锻件来代替。目前，世界上大型液压锻压机为数不多，中国更是寥寥无几，因此，我国抓紧建设几条大、中型铝合金锻压生产线是十分必要的，对国民经济的高速持续发展和国防军工现代化有现实意义和长远意义。 ! 铝合金锻件的特性及应用领域 ! "" 铝合金锻件的特性（#）密度小，只有钢锻件的 $%&，铜锻件的 $’&。（!）比强度大、比刚度大、比弹性模量大，疲劳强度高，宜用于轻量化要求高的关键受力部件，其综合性能远远优于其他材料。（$）内部组织细密、均匀、无缺陷，其可靠性远高于铝合金铸件和压铸件，也高于其他金属铸件。（%）铝合金的塑性好，可加工成各种形状复杂的高精度锻件，零件的机械加工余量小，仅为用铝合金拉伸厚板加工零件的加工量的 !’&左右。（(）铝合金锻件有良好的耐蚀性、导热性和非磁性，这些是钢锻件无法比拟的。（)）表面光洁，表面处理性能良好，美观耐用。铝合金锻件的一系列优良特性为它代替钢、铜、镁、木材和塑料提供了良好的条件。 ! "! 铝合金锻件的应用领域铝合金锻件主要用于航空航天、汽车、船舶、能源动力、电子通讯、石油化工、冶金矿山、机械、电器等领域，参见表 #。 $ 铝合金锻压生产的发展现状与趋势 # "" 国外发展状况与水平分析铝合金锻件的大量生产、应用是从 !’世纪 (’年代开始的。经过几十年的发展，无论在装备上，模具表 # 锻造铝合金的特性及用途分类合金及状态强度耐蚀性切屑性焊接性特点主要用途高强度铝合金 !’!%*+) !#!%*+) !%!%*+) , - . / 锻造性、塑性好，耐蚀性差，是典型的硬铝合金飞机部件，铁道车辆、汽车部件，机器结构件 0’0(*+) 0#0(*+) 0%0(*+) 0#(’*+) . - . / 超硬锻造合金，耐蚀性、抗应力腐蚀裂纹性差飞机部件，宇航结构部件 0’0(*+0$ 0%0(*+0$ 0#((*+0$ , , . / 通过适当的时效处理改善了抗应力腐蚀裂纹性能，强度低于 +)状态的飞机、船舶、汽车部件 0#0(*+0$) 0#((*+0$) . , . / 强度、韧性、抗应力腐蚀裂纹性能均优的新型合金飞机部件，宇航结构部件耐热铝合金 !!#1*+) , , . . 高温下保持优秀的强度及耐蠕变性，焊接性能良好飞机、火箭部件及车辆材料 !)#2*+) , - . - 高温强度优秀活塞，增压机风扇，橡胶模具，一般耐热部件 %’$!*+) - - - , 中温下的强度高，热膨胀系数小，耐磨损性能好活塞和耐磨部件耐蚀铝合金 ##’’*’ #!’’*’ / . - . 强度低，耐腐蚀，热、冷加工性能好，切削性不良电子通讯零件，电子计算机用记忆磁鼓 (’2$*’ (’()*’ (%()*’ - . - . 耐蚀性强，焊接性及低温力学性能好，典型的海洋环境用合金液化天然气法兰盘和石化机械部件，舰船部件和海水淡化结构件 )’)#*+) )’2!*+) )’0’*+) )’#$*+) - . , . 强度中等，耐腐蚀、抗疲劳，综合性能好航空航天、汽车车辆材料及用于转动体部件 )$(#*+) )’’(.*+) - . , . 耐腐蚀性良好，强度略高于 )’)# 合金的增压机风扇，运输机械部件注：.—优；,—良；-—般；/—差。 ! 轻合金加工技术 !’’(，345 "$$，6) 万方数据设计和制造上，生产工艺和技术上，还是在锻件品种、规格、质量和生产规模等方面都得到飞速发展，尤其是美国、俄罗斯、德国、日本、法国、意大利、捷克、奥地利、瑞士等国的锻压生产达到了相当高的水平。目前，全世界有锻压厂数百家，锻压机数千台，年产锻件近 !""万 # $ %，其中，铝合金模锻件 &"万 # $ % 左右。全球有大小水（液）压锻压机 !"" 余台，其中 ’"" ()以上的大型水（液）压机 ’" 余台。&"" ()以上的重型锻压机的分布情况是：俄罗斯四台，其中一台是 *!" ()，为世界之最；美国五台，其中包括两台 +!" ()的；法国一台，为,!" ()；德国两台；中国一台；罗马尼亚一台；英国一台。这些锻压水（液）压机的主要特点是结构紧凑、多功能、自动化程度高、配备有操作机、快速换模装置、平面配置合理、有利于连续作业、生产效率高。此外，随着铝合金模锻件大型化、精密化程度提高，大型精密多向模锻液压机日益受到重视［&］，各国已拥有多台大型多向模压液压机，其中美国三台，最大的 &"" ()；法国一台， ,!" ()；英国一台，&"" ()；中国一台，’"" ()；俄国罗斯两台，-"" ()和!"" ()；德国一台，&!" ()。多向模锻机属于精密锻压设备，配备了 ./0系统和计算机控制系统，可对能量、行程、压力、速度进行自动调节，对关键部件最佳工作点进行控制，对各项工作状态进行监控和显示，对系统故障、设备过载、过温和失控等进行预报和保护，对制品质量进行控制。有的还包括偏移检测、同步系统、工作台和机架变形补偿、磁泡存储器、集成电路、光纤通讯、彩色屏等，可实现全机或全机列甚至整个车间的自动控制与科学管理［+］。在铝及铝合金锻压技术上研发了大量的锻压新工艺、新技术，如液体模锻、半固态模锻、等温锻造、粉末锻造、多向模锻、无斜度精密模锻、分部模锻、包套模锻等，对简化工艺、减少工序、节省能耗、扩大品质、增加规格、提高质量和生产效率、保护环境、降低劳动强度、提高经济效益等方面发挥了重大作用。专用的计算机软件对控制锻造温度、锻压力、变形程度（欠压力）和工艺润滑等主要工艺参数，控制制品尺寸和内部组织、力学性能等提供了可靠的保证。锻模的设计与制造是铝合金锻压技术的关键，锻件的 012 $ 01(系统已十分成熟和普及，在美国， 012 $ 01(系统正被 03(（计算机一体化）所代替。 03(包括成套技术、计算机技术、012 $ 01(技术、机器人、专家系统、加工计划、控制系统以及自动材料处理等，为模锻件的优化设计和工艺改进提供了条件。例如在汽车工业，对前梁、羊角、轮毂、曲轴等零部件进行设计和工艺过程优化，可使优化设计后的羊角减重 ’!4，轮毂减重 &"4，曲轴减重 -"4，而且大大提高生产效率，降低能耗。在锻件品种和质量上获得了突破性进展，目前世界研发的锻造铝合金上百种，十几个状态。铝合金锻件产能在&万 # $ %以上的大型企业有十来家。目前，世界上可生产的铝合金模锻件的最大投影面积达! 5-（压力 *!" ()），最长的铝合金锻件达’! 5，质量最大的铝合金锻件达’ 6! #，最大的铝合金锻环直径达* 6! 5，基本上可满足最大的飞机、飞船、火箭、导弹、卫星、舰艇、航母以及发电设备、起重设备等的要求。产品的内部组织、力学性能和尺寸精度基本上能满足各种用户的要求。由于近些年来，世界各国在大、中型锻压液压机的新建和改造方面的力度不大，总的来说，世界铝合金锻件的生产尚不能完全满足日益发展的交通运输轻量化对铝合金锻件的需求，有必要新建若干条现代化大、中型铝合金锻压生产线。 ! 6" 国内发展现状和水平分析新中国成立后锻压生产迅速发展，到目前， ’-! ()以下的自由锻水压机、&"" ()模锻水压机、 ’," 7)以下的模锻锤、’, ()以下的摩擦压力机、 8" ()以下的热模锻压机已成系列，装备了各锻压厂。但至今，我国铝加工企业仅有&"" ()、’"" () ," ()、!" ()、&" ()五台大、中型铝合金锻压水（液）压机和一台’"" ()多向模压水压机；铝合金年生产能力仅为’万 # $ %左右；最大模锻件投影面积为 - 5-（铝合金）及’ 6- 5-（钛合金）；铝合金锻件最大长度为* 5，最大宽度为& 6! 5，锻环最大直径为& 6! 5 以及盘径为!!&+ 55 9 *&" 55的铝合金绞线盘［!］。铝合金锻件品种相对较少，例如工业发达国家的模锻件已占全部锻件的 8"4左右，而我国只占 -,4左右。国外模锻件的设计、模具制造早已引入计算机技术，锻模 012 和锻造过程仿真已进入实用化阶段，而我国很多锻压厂在这方面才刚刚起步，工艺装备的自动化水平和工艺技术水平也相对落后。目前我国的铝合金锻压工业，不能满足国内、外市场对铝合金锻件日益增长的需求，跟不上交通运输工具（如飞机、汽车、高速火车、轮船等）轻量化的要求。为此，应尽快提高我国铝合金锻压生产的工艺装备水平和生产工艺，并尽快新建若干条," () 9 8"" ()现代化铝合金液压机锻压生产线，以尽快缩 &-""!，:;< 6&&，=, 轻合金加工技术万方数据小与国外先进水平的差距，最大限度地满足国内、外市场的需求。 ! 铝合金锻件的市场需求及应用前景 ! "" 铝合金锻件的产销情况分析由于铝合金锻件有一系列的优点，在航空航天、汽车、船舶、列车、兵器、电讯等工业部门备受青睐，应用范围越来越广泛。据初步统计，#$%& 年世界铝合金锻件占金属锻件总产量的’ "&(（# " % 万 )），到 *’’!年这个比例上升到 #&(左右。目前，世界年消耗金属锻件 +&’万 )左右，其中铝合金锻件占 &’万 ) 左右；钛锻件和高温合金锻件大约占 # " &(（# " %万 ) 左右）；钢锻件依然占绝大多数。从铝加工工业的角度来看，目前全世界的铝产量（包括再生铝）为 ! ’’’ 万 ) , -左右，其中 %&(要加工成加工材，即目前世界铝加工材产量为 * %’’万 ) , -左右，其中板、带、箔材占 &.(左右，挤压材占 +%(左右，铝合金锻件由于成本较高，生产技术难度较大，仅在特别重要的受力部件才应用，所占比例不大。但是，铝锻件的增长速度很快，近十多年来，由于军工和民用工业，特别是交通运输业现代化和轻量化的需要，以铝代钢的要求十分迫切，因而，铝锻件的品种和应用都迅速增长。铝锻件在铝加工材中的比例已由 #$%&年的’ "&(增加到了 *’’*年的* "#(，即 &’万 ) , -左右。我国由于大、中型水（液）压锻造设备少，生产能力低，不能满足各工业部门对铝锻压件的需求，年缺口量在* "’ 万 ) , -以上。到 *’#’ 年，由于我国的汽车、飞机、船舶的大量增加，铝锻件的年消耗量可能达& 万 ) , -以上。 ! "# 市场需求及应用前景分析铝合金锻件主要用于要求轻量化程度大的工业部门，根据当前各国的应用情况，主要的市场分布如下［& / $］。（#）航空（飞机）锻件：飞机上的锻件占飞机材料质量的 %’(以上，如起落架、框架、肋条、发动机部件、动环和不动环等。一架飞机所用锻件上千种，其中除了少数高温部件使用高温合金和钛合金锻件外，绝大部分已铝化。美国波音公司年产飞机上千架，年消耗铝合金锻件数万吨。我国军用飞机和民用飞机也在迅速发展，需要的铝合金锻件也会逐年增加。特别是“十一五”期间，我国要大力发展干线飞机和大型客机，对铝合金锻件的需求会明显增加。（*）航天锻件：航天器上的锻件主要是锻环、轮圈、翼梁和机座等，绝大部分为铝合金锻件，只有少数钛锻件。宇宙飞船、火箭、导弹、卫星等对铝合金锻件的需求也不断增加。（+）兵器工业：坦克、装甲车、运兵车、战车、火箭弹、炮架、军舰等常规武器上使用铝合金锻件作为承力件，其用量也在增加，基本上代替了钢锻件。（!）铝合金锻件在汽车上的应用是最有前途的，汽车行业是铝锻件的最大用户。主要制成轮毂（特别是重型汽车和大、中型客车）、保险杠、底座大梁和其他一些小型铝合金锻件。其中铝轮毂的用量最多，主要用于大客车、卡车和重型汽车上，近些年来，在中、小型汽车、摩托车和高级轿车上也开始使用。据统计，世界上近些年来铝轮毂用量的年增长速度达 *’(以上，目前的使用量达 #亿个以上。*’’&年我国汽车产量预计达 0’’ 万辆 , -，世界汽车年产量可能要突破% ’’’万辆 , -，铝轮毂和其他铝锻件的用量将会有很大的发展。（&）在能源动力工业中，铝锻件会逐渐代替某些钢锻件制作机架、护环、动环和不动环以及煤炭运输车的车轮、液化天然气容器的法兰盘、核电站燃料架等，一般都是大、中型锻件。（0）船舶和舰艇上大量使用铝锻件作机架、动环和不动环、炮台架等。（.）在机械制造业中，目前主要用于木工机械、纺织机械等作机架、滑块、连杆，以及绞线盘等。我国每年需纺织机用绞线盘铝锻件数万件，在# 1)以上。（%）模具工业中用铝合金锻件制作橡胶模具、鞋模具及其他轻工业模具。（$）在运输机械、火车机车上，铝合金锻件用作气缸、活塞裙等。我国每年消耗的 !’+*铝合金气缸和活塞裙等锻件达数万件。（#’）其他方面，如电子通讯、家用电器、文体器材等方面也开始使用铝锻件替代钢、铜等的锻件。 & 结束语由于铝合金锻件具有一系列优良特性，其应用范围越来越广泛，市场潜力巨大，应用前景很好。锻压生产的历史悠久，但发展速度比压延和挤压的较为缓慢。近几十年来，铝合金锻压生产和技术在国外已取得重大的进展，但我国的发展水平仍存在较大差距，应尽快提高我国铝合金锻压生产的工艺技术水平和工艺装备水平，并建设若干条0’ 23 / %’’ 23现代化液压机铝合金锻压生产线，以缩小与国外先进水平的差距，最大限度地满足国内、外市场的需求。（下转第 +!页） ! 轻合金加工技术 *’’&，456 "++，70 万方数据不断离开试样和溶液的界面，所以弧光放电不会是连续的而是间断的，这一结论与试验现象一致。由于气体的产生速度很快，在气泡离开界面前的压力也很高。有报道称这种微区的温度高达 ! """#［$"］。在这种高温、高压介质中，铝合金基体将很快发生局部熔化同时被氧化。在溶液的冷却作用下，液态的氧化产物在弧光熄灭的瞬间凝固形成陶瓷层。在氧化中期，根据图 $ 的分析可知陶瓷层的生长速度缓慢，所以陶瓷层的耐压性能变化不大。在溶液温度变化不大的条件下，表现为电压变化幅度较小。氧化后期，由于陶瓷层厚度基本停止增加，所以虽然放电现象存在，但是体系的耐压性基本不再变化。在试验中表现为微弧氧化处理电压不再升高。另外，由于有机酸根的长链状结构，使得在吸附过程中携带其他的金属离子甚至其他的微粒，致使在等离子体的作用下微粒同陶瓷层共同熔化而烧结，从而强化了微弧氧化陶瓷层的可设计性。然而，具体有关这种携带作用的利与弊还有待进一步研究。 % 结论（$）弱酸性溶液中同样可以产生微等离子体放电现象，并可以制得致密、光滑、高硬度的陶瓷层。（&）弱酸性介质中微弧氧化电压随时间的变化规律仅在氧化初期类似于碱性介质中的情况。（%）在氧化中期表现为碱性介质中的生长速度明显高于弱酸性介质中的情况。（’）在后期碱性介质中的生长速度有所升高，而弱酸性介质中的生长速度明显降低。参考文献：［$］ !"#$#(%&’，()*"))+%,’，-.")$/#01 ) 2)/#3#*4)5%/#$#6)*$#7389#*68*#+%$8:68/*#;.<#+4= >#/*438?［*］) @")/3*#=868:，$++&，&!（+）：$&!" , $&!- ) ［&］邓志威，来永春，薛文彬 )镁合金微等离子体氧化膜的特性［*］)材料科学与工艺，$++.，-（&）：!+ , +&) ［%］ A#*;8)$/#!B，!/#*#+#<%3#+%C(，D*87%$98+%&, )E%F83%#3G86)3%""8H)7/#?/#**#588+>%*)73%"I ,383%$68/*#;.<#+46#/78;8*#+%$)6［*］)E%F83%6)3%""#+，$++&，&!（$）：$$. , $&$ ) ［’］ /01023 4 ，/5678 9 ) :56;<27;05 =260>1?@8 AB278C D78 E W，L87XD>? W U，FB26O780，9 W W635081 E，J75>78C

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