鋁合金鍛造在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位

        鍛壓生產(chǎn)是向各工業(yè)行業(yè)提供機(jī)械零件粗糙度的主要途徑之一。鍛壓生產(chǎn)的優(yōu)勢在于，它不僅可以獲得機(jī)械零件的形狀，還可以改善材料的內(nèi)部組織，提高機(jī)械性能。一般來說，大多數(shù)重要的機(jī)械零件都是通過鍛造來制造的，這些機(jī)械零件受力大，機(jī)械性能要求高。

        飛機(jī)上鍛件重量占70%，坦克上鍛件重量占60%，汽車上鍛件重量占50%，電力行業(yè)水輪機(jī)主軸、透光葉輪、轉(zhuǎn)子、護(hù)環(huán)等均為鍛件重量。由此可見，鍛件生產(chǎn)在工業(yè)中占據(jù)著極其重要的地位。

        鋁合金已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)部門，因為其比例小、比強(qiáng)度高、剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。鋁合金鍛件已成為各工業(yè)部門機(jī)械零件不可缺少的材料。所有可以用低碳鋼鍛造的鍛件都可以用鋁合金鍛造。鋁合金可以在鍛錘、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)、頂鍛機(jī)、擴(kuò)孔機(jī)等鍛造設(shè)備上鍛造，可以自由鍛造、模鍛、軋制、頂鍛、輥鍛和擴(kuò)孔。

        一般來說，尺寸小、形狀簡單、偏差不嚴(yán)格的鋁鍛件可以輕松地在錘子上鍛造，但對于規(guī)格大、變形嚴(yán)重的鋁鍛件，宜選用水（液）壓機(jī)進(jìn)行鍛造。對于大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)的鋁鍛件，必須使用大型模鍛液壓機(jī)才能生產(chǎn)。對于大型精密環(huán)形部件，應(yīng)使用精密軋制機(jī)進(jìn)行軋制。特別是在過去的十年里，隨著科技的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對材料的要求越來越高，迫使鋁合金鍛件向大型整體、高強(qiáng)度、高韌化、復(fù)雜精密的方向發(fā)展，極大地促進(jìn)了大型液壓機(jī)和鍛造機(jī)的發(fā)展。

        隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)向現(xiàn)代化、高速化方向發(fā)展，交通運(yùn)輸工具的輕量化要求日趨強(qiáng)烈，以鋁代鋼的呼聲越來越大，特別是輕量化程度要求高的飛機(jī)、航天器、鐵道車輛、地下鐵道、高速列車、貨運(yùn)車、汽車、艦艇、船舶、火炮、坦克以及機(jī)械設(shè)備等重要受力部件和結(jié)構(gòu)件，近幾年來大量使用鋁及鋁合金鍛件和模鍛件以替代原來的鋼結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)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；坦克的負(fù)重輪；炮臺機(jī)架；直升機(jī)的動環(huán)和不動環(huán)；火車的氣缸和活塞裙；木工機(jī)械機(jī)身；紡織機(jī)械的機(jī)座、軌道和絞線盤等等都已應(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。

        目前，世界上大型鍛壓液壓機(jī)為數(shù)不多，中國更是寥寥無幾，隨著國防工業(yè)的現(xiàn)代化和民用工業(yè)特別是交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，鋁合金模鍛件的品種和產(chǎn)量，不僅不能滿足國內(nèi)市場的需要，國際市場也有很大缺口。因此，我國抓緊建設(shè)幾條大、中型鋁合金鍛壓生產(chǎn)線是十分必要的、及時的，對國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)意義。

鋁合金鍛壓件的特性及應(yīng)用領(lǐng)域

鋁合金鍛壓件的特性

        ①輕量化理想材料，密度小，只有34%的鋼鍛件和30%的銅鍛件。

        ②適用于輕量要求高的關(guān)鍵受力部件，其綜合性能遠(yuǎn)高于其他材料，比強(qiáng)度大，比剛度大，比彈性模量大，疲勞強(qiáng)度高。

        ③可靠性遠(yuǎn)高于鋁合金鑄件和壓鑄件，內(nèi)部組織細(xì)密、均勻、無缺陷，也高于其他材料。

        ④鋁合金具有良好的塑性，可以加工成各種形狀復(fù)雜的高精度鍛造部件。機(jī)械加工余量小，僅為鋁合金拉伸板加工余量的20%左右，大大節(jié)省了工時和成本。

        ⑤鋁鍛件具有良好的耐腐蝕性、導(dǎo)熱性和非磁性，是鋼鍛件無法比擬的。

        ⑥表面光潔美觀，表面處理性能好，美觀耐用。

        可以看出，鋁鍛件有一系列優(yōu)良特性，為鋁鍛件提供了良好的條件，而不是鋼、銅、鎂、木材和塑料。

鋁合金鍛件的應(yīng)用領(lǐng)域

        近幾年來，由于鋁材成本下降，性能提高，品種規(guī)格擴(kuò)大，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越大。主要用于航天航空、交通運(yùn)輸、汽車、船舶、能源動力、電子通訊、石油化工、冶金礦山、機(jī)械電器等領(lǐng)域。主要鍛造鋁合金。

鋁合金鍛壓生產(chǎn)技術(shù)與發(fā)展水平

國外發(fā)展?fàn)顩r與水平分析

        為了保證加熱質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制初始鍛件和終端鍛件的溫度，準(zhǔn)確測量金屬坯料的溫度，特別是重要的金屬材料和內(nèi)部性能高的鍛件。

        金屬加熱溫度的測量主要是測量金屬坯料在爐內(nèi)加熱過程中的溫度，以控制坯料的加熱過程。然而，在爐內(nèi)測量金屬坯料的溫度比在爐內(nèi)測量溫度更困難。爐膛溫度總是高于金屬坯料的溫度。在找出兩者的規(guī)律后，可控爐溫度的測量通常被用來代替金屬溫度的測量。

        測量金屬坯料加熱溫度的方法有很多，如目視金屬、加熱溫度、熱電偶測溫、紅外測溫儀測溫等。

        當(dāng)鋼加熱到530℃以上時，由于溫度不同，會產(chǎn)生不同顏色的光波(火)。隨著溫度的逐漸升高，顏色從深到淺或從暗到亮，所以鋼坯在不同溫度下的顏色對應(yīng)鋼坯的相應(yīng)溫度。

        視覺測量金屬加熱溫度是鍛造車間測量金屬加熱溫度的一種簡單方法。然而，由于白天、晚上、晴天、車間亮度和操作人員熟練程度的影響，視覺溫度誤差較大。一般來說，在明亮的地方測量時，火是黑色的，在黑暗的地方相對明亮。經(jīng)驗豐富的加熱工程和鍛造工程的視覺溫度誤差可達(dá)±15℃~4O℃。標(biāo)準(zhǔn)色卡也可加熱爐，標(biāo)準(zhǔn)色卡一般掛在加熱爐旁邊，由操作人員控制。

        這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，對于一些鋼或高公差鍛件，目視溫度非常方便和快速，可以判斷溫度計是否有問題，也可以作為儀器溫度測量的補(bǔ)充，誤差太大，不適合測量鋼坯和精密模鍛件的加熱溫度要求；同時對眼睛有一定程度的刺激。

        普通的模具鍛造方法一般不能滿足最終部件的形狀、尺寸精度和表面粗糙度的要求。主要原因是：空白表面氧化、脫碳等污染現(xiàn)象；不合格表面力學(xué)性能或其他缺陷；空白體積變化和最終鍛件溫度波動，鍛件尺寸難以控制；由于鍛件的需要，模具側(cè)壁傾斜，鍛件相應(yīng)增加敷料；模具磨損和上下模具脫位導(dǎo)致鍛件尺寸偏差。

        因此，機(jī)械加工鍛件的所有或部分表面。在這些表面上，應(yīng)留下一個金屬層進(jìn)行機(jī)械加工，稱為機(jī)械加工的余量。所有需要加工的零件都應(yīng)提供加工余量。加工余量的大小主要取決于零件的形狀和尺寸、加工精度和表面粗糙度，以及鍛造過程中的加熱質(zhì)量、設(shè)備模具的精度和操作技術(shù)水平。過多的加工余量會增加加工時間和金屬損失；如果加工余量不足，鍛件的浪費(fèi)率就會增加。

        偏析是指鋼中化學(xué)成分和雜質(zhì)分布不均勻。一般來說，高于平均成分的人稱為正偏析，低于平均成分的人稱為負(fù)偏析。仍然存在宏觀偏析，如區(qū)域偏析和微偏析，如分支晶體偏析和晶間偏析。鍛件的偏析與鋼錠的偏析密切相關(guān)。鋼錠的偏析程度與鋼種、鋼錠型、冶煉質(zhì)量和澆筑條件有關(guān)。鋼中的合金元素、雜質(zhì)和氣體加劇了偏析的發(fā)展。鋼錠越大，澆筑溫度越高，澆筑速度越快，偏析程度越嚴(yán)重。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和水平分析

        鍛壓生產(chǎn)在中國有著悠久的歷史。在3300多年前的殷墟文化早期，鍛壓被用于武器生產(chǎn)。解放前，鍛壓生產(chǎn)非常落后。解放后，鍛壓生產(chǎn)發(fā)展迅速。180MN以下的自由鍛壓機(jī)、300MN模鍛壓機(jī)、160KN以下的模鍛錘、16000KN以下的摩擦壓機(jī)、8000KN以下的熱模鍛壓機(jī)已經(jīng)成為配備各種鍛壓廠的系列。

        但到目前為止，我國鋁加工企業(yè)只有300MN、100MN、60MN、50MN、30MN10臺大型、中型鋁鍛壓水(液壓)壓機(jī)、100MN多向模壓水壓機(jī)、Φ5m軋機(jī)2臺，鋁鍛件年生產(chǎn)能力僅為20000噸左右，最大模鍛件投影面積為2.5m2(鋁合金)和1.5m2(鈦合金)，最大長度為7m，最大寬度為3.5m，鍛環(huán)最大直徑為Φ6m，鋁合金絞線板直徑為Φ50mm。產(chǎn)品品種相對較少，比如工業(yè)發(fā)達(dá)國家的模鍛件已經(jīng)占到了所有鍛件的80%左右，而我國只占到了30%左右。國外模鍛件的設(shè)計、模具制造已經(jīng)引進(jìn)了計算機(jī)技術(shù)，模鍛CAD/CAM/CAE和模鍛工藝仿真已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，而我國許多模鍛工藝在這方面剛剛起步。

        根據(jù)以上分析，目前我國鋁合金鍛造行業(yè)在技術(shù)設(shè)備、模具設(shè)計制造、產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率和批量生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和效率等方面與國外先進(jìn)水平存在較大差距。不僅不能滿足國內(nèi)外市場對鋁合金鍛件日益增長的需求，而且不能跟上交通（如飛機(jī)、汽車、高速列車、船舶等）的輕質(zhì)要求。

        為此，中國應(yīng)集中人力、物力和財力，盡快提高鋁合金鍛造生產(chǎn)工藝設(shè)備水平和生產(chǎn)工藝水平，盡快建設(shè)若干大中型現(xiàn)代鋁合金鍛造液壓機(jī)生產(chǎn)線，盡快縮小與國外先進(jìn)水平的差距，最大限度地滿足國內(nèi)外市場的需求。令人鼓舞的是，隨著中國大型飛機(jī)項目、航空母艦等大型重點(diǎn)項目的實(shí)施，200MN重型水平擠壓機(jī)和450MN和800MN巨型垂直模鍛液壓機(jī)正在建設(shè)中，向世界鋁合金鍛造國家和強(qiáng)國邁進(jìn)。

鋁合金鍛件的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用前景分析

鋁合金鍛件的產(chǎn)銷情況分析

        由于鋁及鋁合金鍛件具有上述一系列優(yōu)勢，在航空航天、汽車、船舶、運(yùn)輸、武器、電信等行業(yè)受到青睞，應(yīng)用范圍越來越廣。據(jù)初步統(tǒng)計，1985年，鋁鍛件占世界鍛件總產(chǎn)量的0.5%(即1.8萬噸)，2008年增長到18%左右。目前，世界上消耗的鍛件約為450萬噸，其中鋁鍛件約占80萬噸/年；鈦鍛件和高溫合金鍛件約占1.5%(即約1.8萬噸/年)；鋼鍛件仍然占絕大多數(shù)。

        從鋁加工行業(yè)的角度來看，目前全球鋁產(chǎn)量(包括再生鋁)約為5000萬噸/年，其中85%將成為加工材料，即目前全球加工材料年產(chǎn)量約為4000萬噸，其中板材、帶材、箔材約占57%，擠壓材料約占38%。鋁合金鍛造材料由于成本高，生產(chǎn)技術(shù)難度大，僅用于特別重要的受力部位，所占比例較小。然而，鋁鍛造材料是增長最快的鋁材料。近十年來，由于軍工和民用工業(yè)的需要，尤其是交通運(yùn)輸行業(yè)的現(xiàn)代化和輕量化，用鋁代替鋼的要求非常迫切。因此，鋁鍛件的品種和應(yīng)用迅速增加。其在鋁材料中的比例從1985年的0.5%增加到2009年的2.5%，即80萬噸/年左右。

        為了滿足軍事和民用部門對鋁和鋁合金鍛件日益增長的要求，世界各國都集中人力、物力和財力，開發(fā)鋁鍛壓生產(chǎn)，設(shè)計制造各種鍛壓設(shè)備，特別是大中型水(液)鍛壓機(jī)。但由于鍛件設(shè)備價格昂貴，制造周期長，鍛件生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，難以滿足市場需求。目前，世界上鋁鍛件的生產(chǎn)能力約為80萬噸/年，不能滿足100萬噸/年的消費(fèi)需求。由于我國重型水(液)壓鍛件設(shè)備規(guī)模大，生產(chǎn)能力低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)部門對鋁鍛件的需求，年差距超過4.0萬噸。到2015年，由于中國汽車、飛機(jī)、船舶和運(yùn)輸以及機(jī)械制造業(yè)的數(shù)量大幅增加，鋁鍛件的年消耗量可能達(dá)到8萬噸/年以上。

分析市場需求及應(yīng)用前景

        根據(jù)以上分析，鋁及鋁合金鍛件主要用于要求輕量化程度較高的工業(yè)部門，根據(jù)各國目前的應(yīng)用情況，主要市場分布如下。

        (1)航空（飛機(jī)）鍛件：飛機(jī)上的鍛件約占飛機(jī)材料重量的70%，如起落架、框架、肋骨、發(fā)動機(jī)部件、移動環(huán)和不移動環(huán)。飛機(jī)上使用的鍛件有上千種，其中除了少數(shù)高溫部件使用高溫合金和鈦合金鍛件外，大鈦合金鍛件外，如美國波音公司，每年生產(chǎn)數(shù)千架飛機(jī)，每年消耗數(shù)萬噸鋁合金鍛件。中國的戰(zhàn)斗機(jī)和其他軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)也在迅速發(fā)展，特別是在大型飛機(jī)項目的啟動和航空母艦等重點(diǎn)項目的實(shí)施方面，需要消耗的鋁鍛件也將逐年增加。

        (2)航天鍛件:航天器上的鍛件主要是鍛環(huán)、輪輞、翼梁和機(jī)座，大部分是鋁鍛件，只有少數(shù)鈦鍛件。隨著宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的發(fā)展，對鋁鍛件的需求越來越大。比如近年來，中國開發(fā)的超遠(yuǎn)程導(dǎo)彈采用AL-Li合金外殼鍛件，每件重300多公斤，價值幾十萬元。Φ1.5~Φ6mm的各種鋁合金鍛環(huán)消耗越來越多。

        (3)武器工業(yè):在坦克、裝甲車、運(yùn)兵車、戰(zhàn)車、火箭彈、炮架、軍艦等常規(guī)武器上使用鋁合金鍛件作為承載部件的數(shù)量大幅增加，基本上取代了鋼鍛件。特別是鋁合金坦克負(fù)重輪等重要鍛件已經(jīng)成為輕量化、現(xiàn)代化的重要武器材料。

        (4)汽車是使用鋁合金鍛件最有前途的行業(yè)，也是鋁鍛件的最大用戶。主要用于輪轂（特別是重型車和大中型客車）、保險杠、底座大梁等小型鋁鍛件。其中，鋁輪是使用量最大的鋁鍛件，主要用于公共汽車、卡車和重型汽車。近年來，它也被用于中小型汽車、摩托車和高檔汽車。據(jù)統(tǒng)計，在過去幾年中，鋁車輪的消費(fèi)量每年增長20%以上，目前的消費(fèi)量達(dá)到數(shù)十億。

        中國剛剛起步，但一汽、二汽等大型汽車企業(yè)正在開始研發(fā)。隨著汽車產(chǎn)量的增加2010年中國汽車產(chǎn)量預(yù)計將達(dá)到1500萬輛/年，世界汽車產(chǎn)量可能超過7000萬輛/年），鋁車輪和其他鋁鍛件的數(shù)量將取得驚人的發(fā)展。目前，鋁合金車輪的制造方法主要有兩種：鑄造法和鍛造法。

        鑄造方法也分為重力鑄造和壓力鑄造方法。鑄造方法生產(chǎn)的車輪產(chǎn)品的組織密度和均勻性較差，機(jī)械性能也較低。制造精度（厚度）也較差，后續(xù)加工能力較大，不能滿足輕型乘用車高可靠性的性能要求，也不能滿足商用車車輪的抗沖擊性、疲勞壽命和承載能力的要求。

        采用鍛造法生產(chǎn)的鋁合金車輪具有機(jī)械性能好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕（壁厚）、抗沖擊性高、耐腐蝕性好、抗疲勞強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足商用車車輪的要求。因此，它已逐漸成為汽車的首選配件，尤其是高端汽車和大型、重型、豪華客車和卡車車輪，有逐漸取代鑄造鋁合金車輪的趨勢。例如，美國鋁業(yè)公司使用80mn鍛造水壓機(jī)生產(chǎn)的6061t6車輪具有相同的顆粒變形流向和應(yīng)力方向，其強(qiáng)度、韌性和疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鑄造合金車輪，而重量減少20%，伸長率可達(dá)12%~16%。此外，它具有較高的減震和承壓能力，并具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。

        此外，鍛造鋁輪密度高，無松動，針孔，表面無氣孔，表面處理性能好。涂層均勻，結(jié)合力高，顏色和諧美觀。鍛造鋁輪具有良好的加工性能。因此，鍛造鋁輪具有重量輕、強(qiáng)度高、韌性、耐疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)熱性好、加工方便、圓度好、耐沖擊、使用安全、維護(hù)方便、使用成本低、節(jié)能、環(huán)保、美觀耐用等特點(diǎn)，是汽車車輪等運(yùn)輸部件的理想材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

        (5)在能源和動力行業(yè)，鋁鍛件將逐漸取代一些鋼鍛件制造機(jī)架、護(hù)環(huán)、動環(huán)和不動環(huán)、煤炭運(yùn)輸車輪、液化天然氣法蘭、核電站燃料架等。，這些通常是大中型鍛件。

        (6)船舶和船舶上使用鋁鍛件作為機(jī)架，動環(huán)和不動環(huán)、炮臺架等。

        (7)在機(jī)械制造行業(yè)，目前主要用于制造機(jī)架、滑塊、連桿、絞盤等。在木工機(jī)械和紡織機(jī)械中。中國每年只需要幾萬件，重1500多噸。

        (8)橡膠模具、鞋模等輕工模具均采用鋁合金鍛件制作。

        (9)在運(yùn)輸機(jī)械和火車機(jī)車工業(yè)中，鋁合金鍛件被廣泛用作氣缸、活塞和裙帶。中國每年只消耗數(shù)萬件鍛件，如4032合金氣缸和活塞裙。

        (10)其他方面，如電子通信、家用電器、文體器材等，也開始用鋁鍛代替鋼、銅等材料的鍛件。

結(jié)語

        （1）鍛造生產(chǎn)是為各工業(yè)部門提供機(jī)械零件毛坯的重要途徑之一，在國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化中發(fā)揮著重要作用。

        （2）由于鋁合金鍛件具有一系列優(yōu)良的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越廣，市場潛力巨大，應(yīng)用前景良好。特別是在制造飛機(jī)關(guān)鍵部件和汽車車輪方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

        （3）鍛造生產(chǎn)歷史悠久，但發(fā)展速度相對較慢。近幾十年來，鋁合金鍛造生產(chǎn)和技術(shù)在國外取得了重大進(jìn)展，我國發(fā)展水平與國外仍存在較大差距，應(yīng)盡快提高鋁合金鍛造生產(chǎn)工藝水平和工藝設(shè)備水平，建設(shè)若干60mn~800mn現(xiàn)代鋁合金鍛造液壓機(jī)生產(chǎn)線，縮小與國外先進(jìn)水平的差距，最大限度地滿足國內(nèi)外市場的需求，向鋁鍛壓力大國。