文／王寶善·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

我國鋁合金鍛造的現(xiàn)狀及未來發(fā)展

文／王寶善·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

鋁合金在我國的制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，是航空航天的主要結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有比重小、比強度高、比剛度高、耐應(yīng)力腐蝕、綜合性能好和價格便宜等特點，其產(chǎn)量僅次于鋼，居世界第二位。變形鋁合金主要用于飛機蒙皮、桁條、隔框、壁板、翼肋、翼梁和尾翼等零部件，鋁合金鍛件在飛機機翼上的應(yīng)用如圖1所示。

隨著飛機性能要求的提高，可靠性的提高，對鋁合金零部件的技術(shù)要求也越來越高。鋁合金鍛件的質(zhì)量一致性、組織均勻性和性能穩(wěn)定性，也必須通過鍛造工藝及質(zhì)量控制得到進一步的提升。

因此，關(guān)注鋁合金鍛件的生產(chǎn)，應(yīng)從鋁合金擠壓棒材及鑄錠開始，嚴格控制。從鍛造工藝參數(shù)制定、鍛造制坯、模鍛、熱處理檢測以及模具制作、潤滑劑的使用等等進行研究和控制，減少生產(chǎn)成本；減少人力、物力消耗，縮短加工周期；減少返工和返修，加強鋁合金鍛件表面控制。提高一次檢驗合格率，成為鋁合金鍛造加工所需解決的難題。

圖1 鋁合金鍛件在飛機機翼上的應(yīng)用

鋁合金鍛件的現(xiàn)狀

鋁合金棒材

鋁合金中小鍛件一般由擠壓棒材鍛造而成；大型自由鍛件或模鍛件一般由鑄錠經(jīng)過反復(fù)改鍛，并經(jīng)最終自由鍛或模鍛加工而成。鋁合金鍛件的質(zhì)量好壞與其化學成分、純凈度、組織均勻性以及晶粒大小有直接的關(guān)系。因此，對鋁合金鍛件質(zhì)量控制就必須要控制鋁棒或鑄錠的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，不能存在夾雜、偏析等冶金缺陷，材料表面要光潔完整，不能有裂紋、折疊、氣泡、分層等缺陷。

目前，我國鋁合金加工廠提供的棒材，在化學成分控制方面基本與國外廠家相當，但在微量元素的控制方面還有一定的差距。表現(xiàn)在力學性能數(shù)據(jù)分散度較大，而國外的力學性能數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，差值較小，近乎一致。由于擠壓工藝及擠壓筒的不合理，控制不當，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鋁合金棒材的低倍組織存在粗晶或粗晶環(huán)，有些爐批的粗晶環(huán)遠大于《GB/T 3191-2010鋁及鋁合金擠壓棒材》規(guī)定的不大于8mm的要求。有些爐批的粗晶在整個截面上都有，還有些呈“月牙”狀，或幾乎一半的截面都有粗晶，使鋁合金鍛件的生產(chǎn)無法進行，或生產(chǎn)的鍛件有粗晶不能滿足鍛件標準的要求。

國內(nèi)鋁合金棒材表面不光滑，或粗晶環(huán)大于標準要求，必須車去一定量后，方可鍛造，不但消耗了原材料，增加了人力、物力成本，還增加了生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)效率。

鋁合金鍛造

鋁合金鍛造時由于合金的塑性低，鍛造過程容易開裂，鍛造溫度范圍窄，一般為100℃左右，因此對加熱溫度和鍛造溫度要求更嚴格。國內(nèi)一般的鋁合金鍛造加熱爐名義上控溫精度為±5℃，而實際上都不能滿足使用要求，一般的加熱爐控溫精度為±10℃，甚至更差，而國外的鋁合金加熱爐控溫精度為±3℃，在這方面我們的爐子制作及溫度精度控制還有很長的路要走。鋁合金鍛件容易粘模，流動性差，對應(yīng)變速率敏感，因此對鋁合金鍛件的模具制作、模具潤滑、鍛造變形程度、變形速率提出了更高的要求。我國鋁合金模具光潔度、精度還達不到精鍛件要求，存在模具錯移，難以滿足尺寸公差的要求，難以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。例如國外一些鋁合金鍛件出模角要求小于1.29°（飛機鋁合金輪轂），而國內(nèi)最好的模具出模角為3°以上。目前還沒有能力生產(chǎn)1.29°這樣小角度的出模角鍛件，這主要與鋁合金鍛造潤滑技術(shù)、模具表面加工技術(shù)和鍛造設(shè)備（應(yīng)選擇慢速的壓力機）有很大關(guān)系。

另外，國外鋁合金鍛件許多面為非加工面，鍛件表面處理光亮、完整，給人一個良好的印象；反觀國內(nèi)的鋁合金鍛件，表面缺陷多、打磨多，且不平整，不像一個完整的模鍛件，與國外鍛件形成很大的反差。這主要在于我們的整個鍛造工藝系統(tǒng)水平低下，主要表現(xiàn)為：①模具設(shè)計及加工不合適，精度不高、潤滑不好，制坯尺寸不合適或精度不高；②每火次的變形量控制不合理，變形速度過快，產(chǎn)生裂紋、折疊等缺陷；③表面不平，打磨量大，甚至出現(xiàn)裂紋或產(chǎn)生折疊，容易帶入到零件中去，產(chǎn)生不良的后果。同時，在鋁合金表面處理上、潤滑劑的使用上，也需要進行改進與提升，可通過借鑒國際上鋁鍛件生產(chǎn)廠家的工藝流程、高質(zhì)量的潤滑劑以及噴涂方式、鍛件表面處理方式來改進。

我國鋁合金鍛件表面粗晶已成為最大的問題，在生產(chǎn)中很難完全消除。這一方面與我們的模具表面粗糙造成合金的流動性差，產(chǎn)生表面粗晶有關(guān)；另一方面與原材料本身粗晶也有關(guān)系，還與我們的模具預(yù)熱溫度偏低（一般為100～250℃，而國外的模具預(yù)熱溫度在350～400℃）以及鍛造溫度（始/終鍛溫度）選擇控制、爐溫精確控制、變形程度和變形速率有很大的關(guān)系。觀看國外鋁合金鍛件表面，即使是很大的自由鍛件和模鍛件也幾乎看不到表面粗晶的存在，很難看見打磨的痕跡；這是由于我們目前鋁合金鍛造還大量采用錘鍛工藝，而國外鋁合金鍛造大量使用壓力機來鍛造，其模具型腔表面均勻一致，鍛件表面平整光潔，加上潤滑劑技術(shù)也比我們要好（已采用自動化噴射潤滑劑），因此鍛件表面幾乎看不到粗晶的存在。可見，在鋁鍛件的表面清理方面我們還有欠缺。

鋁合金的熱處理及力學性能穩(wěn)定性

鋁合金鍛件在經(jīng)過熱處理后，由于在較高溫度加熱，在鍛件表面經(jīng)常出現(xiàn)氣泡，氣泡很薄，在水中扒開有氣體逸出，氣泡有明顯分層，內(nèi)壁呈波紋狀，有灰黑色的燃燒產(chǎn)物。同時經(jīng)常有表面起皮的現(xiàn)象發(fā)生，這也是由于模槽表面粗糙，鍛造變形過程溫度太高、程度太大、速度太快，模具沒有潤滑或潤滑不良及鋁合金容易粘模所造成。

這些缺陷的存在使大批鋁合金鍛件因表面問題而報廢，有些需要通過與用戶協(xié)商，辦理讓步接收而挽救加工使用，但也給企業(yè)造成不良的影響。從鋁合金鍛件表面的好壞，就可以看出一個企業(yè)的工藝技術(shù)水平和質(zhì)量管理水平，就可以看出我們自身的不足。特別是由于鍛件的表面質(zhì)量問題，打磨修復(fù)，造成尺寸不符合圖紙要求，反復(fù)次數(shù)多，一次交檢合格率低，造成人力、物力的浪費。還有一些因最終尺寸超差不滿足使用要求而批量報廢，有些鋁合金鍛件合格率不到50%，這就是我們工藝水平及認識改進不足所造成的。

鋁合金鍛件力學性能不滿足技術(shù)標準要求也是在理化檢測中經(jīng)常發(fā)生的問題，這一般需要通過補充時效或重復(fù)熱處理來解決。因此熱處理對改善鋁合金鍛件的組織性能是至關(guān)重要的，這就要求對熱處理爐的爐溫均勻性和精度進行測量，滿足使用要求，才可裝爐，同時加熱溫度、加熱時間的選擇要合適，轉(zhuǎn)移時間要盡可能短，一般選取控溫精度能達到±3℃的加熱爐，保證一次熱處理就能有良好的力學性能，盡量避免重復(fù)熱處理，以減少能耗，縮短生產(chǎn)周期。

鋁合金鍛件在企業(yè)中的產(chǎn)值占比較小，因此對出現(xiàn)的質(zhì)量問題不能引起高度的重視，在技術(shù)工藝研究、設(shè)備改造、鍛造過程、熱處理過程，沒有進行深入系統(tǒng)的分析與思考。特別是在鍛造裂紋，鍛件粗晶，表面質(zhì)量及打磨處理，機加工變形與應(yīng)力裂紋方面缺乏分析研究。對存在的這些問題應(yīng)該在模具加工精度、潤滑劑、加熱溫度、表面防護與處理等方面進行系統(tǒng)升級與改進，提升鋁鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性，更好的參與國際市場競爭。

對鋁合金鍛件未來發(fā)展的一些建議

⑴優(yōu)質(zhì)的鋁合金鍛件必須要采用優(yōu)質(zhì)鋁合金棒材，因此鋁合金加工廠應(yīng)加強化學成分控制、棒材的粗晶控制和表面質(zhì)量控制。尤其是隨著飛機制造技術(shù)的革新，應(yīng)加大對7050/7075/7085等高合金成分鋁合金的研制，包括鑄錠鑄造、擠壓棒材冶金質(zhì)量控制，以及預(yù)拉伸板材的生產(chǎn)工藝（殘余應(yīng)力大帶來后續(xù)加工變形大）的控制方面。目前這些超硬鋁合金主要靠進口。

⑵利用數(shù)控加工技術(shù)，提高模具加工的精度和光潔度，加強模具檢驗技術(shù)和方法的控制，探索使用新型潤滑劑，提高模具的預(yù)熱溫度，減少鋁鍛件的快速降溫。

⑶加強鋁合金鍛件表面防護技術(shù)研究和表面處理研究，減少打磨修理，提高鍛件的表面完整性、尺寸精度。重點開發(fā)鋁合金鍛造用潤滑劑，目前國內(nèi)主要使用各種動物油脂或者化學油脂，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量煙，不環(huán)保，潤滑效果也不好。

⑷建立產(chǎn)學研的體系，開發(fā)鋁合金精鍛件，提升表面質(zhì)量，提高產(chǎn)品合格率。

⑸設(shè)計制作控溫精度能達到±3℃的加熱爐，以便為鍛件均勻加熱創(chuàng)造良好的條件，保證鋁合金組織性能的穩(wěn)定性、一致性，以便與國際上的先進公司接軌，承擔生產(chǎn)更多的鋁合金鍛件。

⑹加強人才培養(yǎng)與技術(shù)交流，建立鋁合金加工行業(yè)的專家體系隊伍，解決存在的問題，利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)，開發(fā)研究鋁合金鍛件的新材料、新工藝、新技術(shù)，更好的為我國經(jīng)濟和裝備建設(shè)服務(wù)。