鋁加工

鋁和鋁合金的塑性加工，應保證產品達到穩(wěn)定，一致的所需尺寸精度，力學性能和良好的表面質量。還要注意防止機械損傷和腐蝕，控制晶粒度和組織結構，這些質量要求主要靠生產工藝及設備來保證。鋁及其合金一般具有較好的塑性，易于塑性加工。硬鋁的相組分較復雜，存在低熔相和金屬間化合物等脆性組織，它的塑性加工具有一些特點:如進行均勻化處理消除坯錠冷卻時產生的內應力和晶內偏析;坯錠表面要進行銑削加工，去掉低熔相產生的表面偏析物。某些鋁合金為提高耐蝕性和加工性還要進行包鋁。鋁合金有過熱敏感性，必須嚴格控制加熱溫度。

鋁箔材可分為工 業(yè)鋁箔和包裝鋁箔。工業(yè)鋁箔化學成分較純，厚度為0.005~0.2毫米，主要用作電氣工業(yè)和電子工業(yè)的電容器、絕熱材料、防濕材料等。包裝鋁箔厚度一般為0.007~0.1毫米，有平箔、印花箔、涂色印花箔和裱紙鋁箔等多種產品，主要用作食品、茶葉、紙煙等的包裝材料。鋁箔用帶式生產法生產的最小厚度可達0.0025毫米，寬度達1800毫米。鋁箔軋制為無輥縫軋制，軋輥始終處于彈性壓扁狀態(tài)。軋制時通過調整軋制力、軋制速度和控制張力來實現對箔材厚度的控制。粗軋時，采用軋制力控制箔材厚度;精軋時，箔材的厚度隨著軋制速度的增加而減薄;張力愈大，厚度亦愈小;為了防止斷片，張力選擇通常為箔材的條件屈服強度σ0.2的0.2~0.4。低速軋制時常在潤滑油中加入"厚油"或"稀油"調整鋁箔的軋制厚度。潤滑劑和軋輥狀態(tài)對箔材質量有十分重要的影響。鋁箔坯料來自冷軋鋁卷，一般經340~480℃預先退火，其厚度為0.4~0.7毫米。軋制時道次變形率為50%左右，總變形率可達95%以上。成品厚度小于0.01~0.02毫米的箔材應進行合卷、雙張疊軋。

是為塑性加工提供坯錠。熔煉爐多用燃氣反射爐或燃油反射爐，一般容量為20~40噸或更大;也采用電阻加熱反射爐，容量一般為10噸左右。為縮短裝爐時間，提高熔化效率，減少吸收氣體和卷入氧化膜，工業(yè)上已采用傾轉式頂裝料圓型爐。熔煉時最好應用快速分析儀器分析合金成分，并及時調整。為保證熔體純潔，防止有害氣體的污染和控制化學成分，除了盡可能縮短熔煉時間外，宜用以氯化鉀和氯化鈉為主的粉狀熔劑覆蓋，一般用量為爐料重量的0.4~2%。熔煉溫度通?？刂圃?00~750℃。

熔化后的金屬還需進行精煉和過濾，以除掉金屬中的有害氣體氫和非金屬夾雜物，以提高金屬純潔度。精煉通常用固體精煉劑或氣體精煉劑。固體精煉劑一般以氯鹽為主，也用以六氯乙烷代替氯鹽的精煉劑。早期使用活性強的氯氣作氣體精煉劑，凈化效果雖好，但對環(huán)境污染嚴重，因此發(fā)展出氮-氯混合氣體、惰性氣和三氣體(N2、Cl2、CO)精煉劑，效果較好。為保證精煉效果，精煉氣體中的氧和水分含量一般應分別小于0.03%(體積)和 0.3克/米3。動態(tài)真空除氣法也具有較好的除氣和除鈉效果。

過濾是讓熔體金屬通過中性或活性材料制成的過濾器，除去熔體中處于懸浮狀的夾雜物。常用玻璃絲網、微孔陶瓷管和板、氧化鋁粒作過濾床進行過濾，也可用電熔劑精煉、熔劑層過濾。

鑄造一般采用立式或水平式水冷半連續(xù)鑄造法。為改善立式鑄造的坯錠組織和表面質量，還發(fā)展出電磁結晶槽、矮結晶槽和熱頂鑄造法(見金屬的凝固)。水冷半連續(xù)鑄造法是通過流槽將液體金屬導入用水冷卻的結晶器內，使液體金屬冷卻形成凝固的外殼，由鑄造機底座牽引或靠自身重量均勻下降而脫出結晶器，形成坯錠。工藝參數因合金成分和坯錠尺寸的不同，差異很大。一般應盡量提高鑄造速度和冷卻速度，降低結晶槽的高度。鑄造溫度通常比合金的液相線高50~110℃。此外，還發(fā)展出鋁板帶連續(xù)鑄軋工藝。

板材、帶材生產 采用平輥軋制，基本工序為熱軋、冷軋、熱處理和精整。對化學成分復雜的 LY12、LC4等硬鋁合金，熱軋前應進行均勻化處理。處理溫度一般低于合金中低熔點相的共晶溫度10~15℃，保溫12~24小時。硬鋁合金的包鋁是將包鋁板放在經過銑面的坯錠兩面，借助于熱軋焊合。包鋁層的厚度一般為板材厚度的4%。熱軋一般在再結晶溫度以上進行。熱軋可在單機架可逆軋機上進行，或在多機架上實行連軋。為提高成品率和生產效率發(fā)展大鑄錠軋制，錠重達10~15噸以上。年產量在10萬噸以下的工廠，一般用四輥可逆熱軋和采用熱上卷工藝，熱軋帶材厚度為6~8毫米左右。產量10萬噸以上的工廠，多在四輥可逆熱軋機開坯后采用單機架或兩機架、三機架、五機架連軋，實行熱精軋，帶材厚度可達2.5~3.5毫米。熱軋帶材成卷后作為冷軋坯料。為保證金屬有最佳的塑性，應在單相組織狀態(tài)下進行熱軋。LY11、LY12等合金的熱軋開坯溫度為400~455℃。前幾道道次變形率一般在10%以內，以后逐漸增大。純鋁和軟鋁合金道次變形率可達50%，硬鋁合金則為40%左右。熱軋總變形率可達90%以上。

冷軋常在室溫下進行，通過冷軋可獲得尺寸精確、表面光潔和平整的較薄的板材和帶材，并可獲得具有特定力學性能的加工硬化的板材和帶材。冷軋主要采用帶式法生產工藝，應用四輥可逆軋機或四輥不可逆軋機進行冷軋，當前發(fā)展不可逆軋機進行冷軋。軋機裝備有液壓壓下、液壓彎輥、厚度自動控制系統(tǒng)或測輥縫的厚度自動控制系統(tǒng)及板形控制儀，由微型電子計算機控制、記錄、儲存各種參數，以獲得尺寸精確、板形平整的板帶材，如 0.18毫米帶材公差可達±5微米。小工廠也有塊式法生產板材的。退火后鋁的冷變形率可達90%以上。多相的硬鋁合金冷加工硬化明顯，需中間退火。中間退火后的冷變形率為60~70%。熱軋用乳液潤滑，冷軋已由乳液發(fā)展為全油潤滑。采用單獨控制噴嘴的多段冷卻系統(tǒng)，以減少鋁板和軋輥的摩擦，冷卻軋輥，控制輥型，洗除鋁粉及其他雜質，以獲得良好的表面質量及板形。

經冷軋和熱處理后的帶卷常在輥式矯直機上或在拉彎連續(xù)矯直機列上進行精整。平整淬火后的板片應在時效孕育期內進行，一般在淬火后30~40分鐘內完成。淬火板的平直壓光總變形量不應超過2%。

1955年試驗成功的鋁板帶連續(xù)鑄軋可生產薄板和鋁箔坯料。中國于70年代初開始用此法生產薄板。

從經濟增長的宏觀層面、行業(yè)演變的中觀視角、企業(yè)發(fā)展的微觀行為，我們都發(fā)現目前鋁產業(yè)從初級電解鋁的冶煉步入精深加工都將成為一種必然的趨勢。鋁加工產品一般以"鋁價+加工費"的方式定價，在下游需求總量與結構增量出現快速增長時，具備技術優(yōu)勢、渠道優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、區(qū)位優(yōu)勢的公司，其加工費率不僅可以得到保障，還存在提升的可能，若疊加產能擴張因素，業(yè)績的增長將是快速而顯著的。

近年來，中國鋁型材行業(yè)迅速成長，已經完全發(fā)展成為一個競爭激烈的行業(yè)。截至2010年末，中國規(guī)模以上的鋁型材企業(yè)有824家，經過快速發(fā)展階段和激烈的市場競爭的錘煉，基本格局初步形成。目前，我國鋁箔行業(yè)生產企業(yè)眾多，產業(yè)集中度較低，沒有一家企業(yè)占有顯著的市場份額，也沒有一家企業(yè)能夠對整個產業(yè)的發(fā)展產生決定性影響。2010年，全國鋁箔產量約為200萬噸，從事鋁箔生產的企業(yè)約250多家，平均產量約0.8萬噸，平均規(guī)模偏小，小企業(yè)較多，在低附加值產品領域存在過度競爭的狀況。

隨著中國金屬門窗、建筑幕墻、交通運輸業(yè)、化工業(yè)、電力設備業(yè)、國防軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，對鋁型材的需求將會不斷增長，同時，新產品、新工藝、新用途的鋁型材將不斷出現，從而推動技術進步和行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，2011-2015年鋁型材行業(yè)仍會呈現良好的發(fā)展態(tài)勢。

隨著中國鋁型材行業(yè)持快速增長，鋁型材行業(yè)的銷售收入也將逐年增加。統(tǒng)計數據，2005-2010年，中國鋁型材行業(yè)銷售收入年復合增長率為35.20%。根據當前國內外經濟形勢，結合2005-2010年中國鋁型材行業(yè)銷售收入數據及中國經濟增長數據，粗略估計2011-2015年中國鋁型材行業(yè)銷售收入年復合增長率為20%，2015年，中國鋁型材行業(yè)銷售收入將達到10498億元。隨著鋁箔下游行業(yè)的快速發(fā)展，其對鋁箔的需求量將不斷增多，到2012年鋁箔消費量將達到180萬噸，2013年將達到210萬噸，2011-2013年的年復合增長率達17%。

主要采用拉伸工藝生產。產品有鉚釘線、焊條和導線。坯料用擠壓、軋制或連鑄連軋法生產。擠壓法生產坯料，靈活性較大，制品性能較好。軋制法和連鑄連軋法適于單一合金品種的坯料生產，生產效率高。

管材、棒材、型材的生產 通常的工序是:先采用熱擠壓制成坯料，再經軋制(或拉伸)、精整和熱處理制成成品。也可用熱擠壓法直接制成成品，現已由短錠發(fā)展為長錠擠壓，按擠壓機的擠壓力用統(tǒng)一直徑的鑄錠，由分流組合模和舌形模擠制各種型材、管材，制品長度可達60米以上，經拉伸矯直后，切成所要求的長度。用于鋁材生產的最大擠壓機為20000噸。可擠成直徑為800毫米的帶肋管。建筑型材是60年代發(fā)展起來的擠壓制品，已占擠壓制品總量35%以上，其中80%用做門窗框。建筑型材幾乎全部采用鋁鎂硅系合金(LD30和LD31)。這種制品經陽極氧化和著色處理，表面形成各種顏色氧化膜，具有良好耐蝕性，制成門窗美觀耐用，密封性好。除熱擠壓外，還發(fā)展出冷擠壓，等溫擠壓、無殘料擠壓和靜液擠壓等方法(見鋁的氧化著色)。

鋁和鋁合金的擠壓采用正向擠壓法和反向擠壓法。應依據不同合金選擇適宜的擠壓速度。為獲得組織和性能良好的鋁合金擠壓制品，一次擠壓成品時，型材，棒材的擠壓系數(λ)大于8~12，供鍛造用坯料的λ大于5。擠壓模對擠壓產品質量影響很大。擠壓棒材、型材常用平模，管材則常用錐形模。擠壓形狀復雜的空心型材和管材，則廣泛使用分流組合模和舌形模。有的采用液氮冷卻擠壓模，延長模子壽命和保證制品精度，一個模子可擠壓30噸鋁材。某些鋁合金的擠壓制品易出現"粗晶環(huán)"，即制品經熱處理后，周邊出現一層粗大晶粒區(qū)。高溫擠壓可以減輕這種現象。一些熱處理可強化的鋁合金擠壓制品經固溶時效處理后，強度提高而塑性下降。

管材拉伸采用多條快速和盤筒拉伸，游動芯頭盤管拉伸機卷筒直徑達 630~2900毫米，拉伸管坯直徑可達40~50毫米。拉管拉伸力為 16~18噸，拉伸速度為 24米/分，道次加工率一般為25~40%，此種工藝生產管材長度可達6000米。

主要用于飛機和機器制造上。鍛件分自由鍛件和模煅件，其坯料采用鑄造和擠壓坯料。最大的模鍛水壓機為70000噸，鍛件最大尺寸的投影面積為4.5米2。鋁合金的臨界變形率約為5~15%，為避免形成粗晶，模鍛的變形率一般應大于15%。為減少不均勻變形，常采用多向自由鍛。

保證制品最終性能的熱處理稱為成品熱處理，包括成品退火、固溶處理、淬火、自然時效和人工時效處理;此外，還發(fā)展出分級時效和形變熱處理工藝。時效處理不僅改善制品的力學性能，而且改善制品的抗應力腐蝕性能和斷裂韌性。固溶加熱后至淬火前的轉移時間一般應控制在30秒以內。淬火的冷卻速度，既要保證獲得過飽和固溶體，又要不使制品產生過大的淬火應力和彎曲變形。帶卷和板材在強有力循環(huán)通風的箱式爐、井式爐、立式板材連續(xù)退火爐或氣墊式連續(xù)退火爐中進行退火，新式爐采用保護氣氛。淬火一般在鹽浴槽中進行加熱，新工藝采用氣墊式連續(xù)淬火爐淬火。

1.2 按工件在變形過程中的受力與變形方式分類

1.3.2 按工件在變形過程中的受力與變形方式分類

按工件在變形過程中的受力與變形方式(應力.應變狀態(tài))，鋁及鋁合金加工可分為軋制、擠壓、拉拔、鍛造、旋壓、成形加工(如冷沖壓、冷變、深沖等)及深度加工等。

1.3.2.1 軋制

軋制是錠坯依靠摩擦力被拉進旋轉的軋輥間，借助于軋輥施加的壓力，使其橫斷面減小，形狀改變，厚度變薄而長度增加的一種塑性變形過程。根據軋輥旋轉方向不同，軋制又可分為縱軋、橫軋和斜軋?？v軋時，工作軋輥的轉動方向相反，軋件的縱軸線與軋輥的軸線相互垂直，它是鋁合金板、帶、箔材平輥軋制中最常用的方法;橫軋時，工作軋輥的轉動方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸線相互平行，在鋁合金板帶材軋制中很少使用;斜軋時，工作軋輥的轉動方向相同，軋件的縱軸線與軋輥軸線成一定的傾斜角度。在生產鋁合金管材和某些異形產品時常用雙輥或多輥斜軋。根據輥系不同，鋁合金軋制可分為兩輥(一對)系軋制，多輥系軋制和特殊輥系(如行星式軋制、V形軋制等)軋制:根據軋輥形狀不同，鋁合金軋制可分為平輥軋制和孔型輥軋制等。根據產品品種不同，鋁合金軋制又可分為板、帶、箔材軋制，棒材、扁條和異形型材軋制，管材和空心型材軋制等。

1.3.2.2擠壓

擠壓是將錠坯裝入擠壓筒中，通過擠壓軸對金屬施加壓力，使其從給定形狀和尺寸的模孔中擠出，產生塑性變形而獲得所要求的擠壓產品的一種加工方法。按擠壓時金屬流動方向不同.擠壓又可分為正向擠壓、反向擠壓和聯(lián)合擠壓。正向擠壓時，擠壓軸的運動方向和擠出金屬的流動方向一致，而反向擠壓時，擠壓軸的運動方向與擠出金屬的流動方向相反。按錠坯的加熱溫度，擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓時是將錠坯加熱到再結晶溫度以上進行擠壓，冷擠壓是在室溫下進行擠壓。

1.3.2.3拉拔

拉拔是拉伸機(或拉拔機)通過夾鉗把鋁及鋁合金坯料(線坯或管坯)從給定形狀和尺寸的模孑L中拉出來，使其產生塑性變形而獲得所需的管、棒、型、線材的加工方法。根據所生產的產品品種和形狀不同，拉伸可分為線材拉伸、管材拉伸、棒材拉伸和型材拉伸。管材拉伸又可分為空拉、帶芯頭拉伸和游動芯頭拉伸。拉伸加工的主要要素是拉伸機、拉伸模和拉伸卷筒。根據拉伸配模，拉伸可分為單模拉伸和多模拉伸。

1.3.2.4鍛造

鍛造是鍛錘或壓力機(機械的或液壓的)通過錘頭或壓頭對鋁及鋁合金鑄錠或鍛坯施加壓力，使金屬產生塑性變形的加工方法。鋁合金鍛造有自由鍛和模鍛兩種基該方法。自由鍛是將工件放在平砧(或型砧)間進行鍛造;模鍛是將工件放在給定尺寸和形狀的模具內，然后對工件施加壓力進行鍛造變形，而獲所要求的模鍛件。

1.3.2.5鋁材的其他塑性成形方法

人們還研究開發(fā)出了多種新型的鋁材加工方法，它們主要是:

⑴壓力鑄造成形法，如低、中、高壓成形，擠壓成形等。

⑵半固態(tài)成形法，如半固態(tài)軋制、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)拉拔、液體模鍛等。

⑶連續(xù)成形法，如連鑄連擠、高速連鑄軋、Conform連續(xù)擠壓法等。

⑷復合成形法，如層壓軋制法，多坯料擠壓法等。

⑸變形熱處理法等。

鋁及鋁合金加工材中以壓延材(板、帶、條、箔材)和擠壓材(管、棒、型、線材)應用最廣，產量最大，據統(tǒng)計，這兩類材料的年產量分別占世界鋁材總年產量(平均)的58%和39%左右，其余鋁加工材，如鍛造產品等，僅占鋁材總產量的百分之幾。

1.3.1 按工件在加工過程中的溫度特征分類

1.3鋁加工方法的分類與特點

鋁及鋁合金塑性成形方法很多，通常按工件在加工時的溫度特征和工件在變形過程中的受力與變形方式(應力一應變狀態(tài))來進行分類。

1.3.1 按工件在加工過程中的溫度特征分類

按工件在加工過程中的溫度特征，鋁及鋁合金加工可分為熱加工、冷加工和溫加工。

1.3.1.1 熱加工

熱加工是指鋁及鋁合金錠坯在再結晶溫度以上所完成的塑性成形過程。熱加工時，錠坯的塑性較高而變形抗力較低，可以用能力較小的設備生產變形量較大的產品。為了保證產品的組織性能，應嚴格控制工件的加熱溫度、變形溫度與變形速度、變形程度以及變形終了溫度和變形后的冷卻速度。常見的鋁合金熱加工方法有熱擠壓、熱軋制、熱鍛壓、熱頂鍛、液體模鍛、半固態(tài)成形、連續(xù)鑄軋、連鑄連軋、連鑄連擠等。

1.3.1.2 冷加工

冷加工是指在不產生回復和再結晶的溫度以下所完成的塑性成形過程。冷加工的實質是冷加工和中間退火的工藝組合過程。冷加工可到表面光潔、尺寸精確、組織性能良好和能滿足不同性能要求的最終產品:最常見的冷加工方法有冷擠壓、冷頂鍛、管材冷軋、冷拉拔、板帶箔冷軋、冷沖壓、冷彎、旋壓等。

1.3.1.3 溫加工

溫加工是介于冷、熱加工之間的塑性成形過程。溫加工的主要目的是為了降低金屬的變形抗力和提高金屬的塑性性能(加工性):最常見的溫加工方法有溫擠、溫軋、溫頂鍛等。