鋁加工技術(shù)的研究及發(fā)展趨勢(shì)

牛薈曉 丁紫陽(yáng) 袁文曉 李艷鵬 胡冠奇

(1.登電集團(tuán)鋁加工有限公司，河南 登封 452477;2.鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)材料的要求也日益提高，節(jié)約資源、節(jié)省能源、改善環(huán)境越來(lái)越成為人類(lèi)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的必要條件。鋁作為一種可回收再利用材料，鋁及鋁合金加工材料產(chǎn)業(yè)和技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，成為許多國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)報(bào)道，鋁及鋁合金加工產(chǎn)業(yè)是僅次于鋼鐵產(chǎn)業(yè)的第二大金屬材料產(chǎn)業(yè)，不僅年產(chǎn)量大，而且品種規(guī)格已達(dá)數(shù)十萬(wàn)種之多，廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工各部門(mén)、人民生活的各方面，已成為人類(lèi)社會(huì)的重要基礎(chǔ)材料之一。我國(guó)的原鋁產(chǎn)量、鋁加工材年產(chǎn)量、鋁合金出口量大幅增加，已成為世界鋁業(yè)大國(guó)、鋁加工業(yè)大國(guó)。但是，我國(guó)鋁產(chǎn)品加工在品種、質(zhì)量、加工技術(shù)以及綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等方面還相對(duì)落后，與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距。

1 鋁加工主要技術(shù)

為了滿足社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求，世界原鋁(包括再生鋁)產(chǎn)量的85%以上被加工成板、帶、條、箔、管、棒、型、線、粉、自由鍛件、模鍛件、鑄件、壓鑄件、沖壓件及其深加工件等鋁及鋁合金產(chǎn)品。目前，鋁加工的主要技術(shù)有鑄造法、塑性成型法和深加工法。

1.1 鑄造法

鑄造法就是將符合鑄造要求的液態(tài)金屬通過(guò)一系列轉(zhuǎn)注工具澆入到一定形狀的鑄模中，冷卻后得到一定形狀和尺寸鑄錠的方法。目前比較常見(jiàn)的鋁合金鑄造加工方法有金屬模鑄造法、砂模鑄造法、熔模鑄造法、壓力鑄造法、低壓鑄造法、加氧壓鑄法等。

1.1.1 金屬模鑄造法

金屬模鑄造俗稱(chēng)硬模鑄造，是用金屬材料制造鑄件，并在重力下將熔融金屬澆入鑄型獲得鑄件的工藝方法。由于金屬模鑄造法可以使用型芯，利用金屬模的急劇冷卻能夠得到致密良好的鑄件，故金屬模鑄造法廣泛用于鋁合金鑄造。金屬型鑄造既適用于大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜的鋁合金、鎂合金等非鐵合金鑄件，也適合于生產(chǎn)鋼鐵金屬的鑄件、鑄錠等。

1.1.2 砂模鑄造法

砂模鑄造即采用砂粒、粘土及其他輔助材料制成鑄型的鑄造方法。鋁鑄件成型過(guò)程是金屬與鑄型相互作用的過(guò)程。鋁合金液注入鑄型后將熱量傳遞給鑄型，砂模鑄型受到液體金屬的熱作用、機(jī)械作用、化學(xué)作用。因此要獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件除嚴(yán)格掌握熔煉工藝外，還必須正確設(shè)計(jì)型(芯)砂的配比、造型及澆注等工藝。

1.1.3 熔模鑄造法

熔模鑄造法又稱(chēng)“失蠟鑄造”。它是一種無(wú)分型面的特種鑄造方法，是利用易熔材料制成模樣，然后涂掛耐火材料，硬化后再將模樣熔化排出型外，從而獲得無(wú)分型面鑄型的鑄造方法。由于獲得的鑄件具有較高的尺寸精度和表面光潔度，故又稱(chēng)“熔模精密鑄造”。熔模鑄造的工藝流程為：壓型制造→蠟?zāi)褐啤災(zāi)＝M裝→浸涂料→撒砂→硬化及干燥→脫蠟→造型→焙燒→澆注→落砂及清理。

1.1.4 壓力鑄造法

壓力鑄造法就是將液態(tài)或半液態(tài)金屬在高壓的作用下，以極高的速度充填壓鑄型的型腔，并在壓力作用下快速凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。壓力鑄造法加工鋁合金，不僅僅生產(chǎn)效率高，而且加工出來(lái)的鋁合金制品質(zhì)量好，尺寸精度高，力學(xué)性能好。但是壓力鑄造法也有缺點(diǎn)，如壓鑄的鋁合金件易產(chǎn)生氣孔、壓鑄設(shè)備投資高等。

1.1.5 低壓鑄造法

低壓鑄造法是是液態(tài)金屬在反重力作用下，平穩(wěn)地充填型腔并在較高壓力下凝固結(jié)晶的一種鑄造方法，充型壓力一般為20～60KPa，故為低壓鑄造。低壓鑄造吸收了重力鑄造中底注平穩(wěn)充型和壓力鑄造中鑄件在壓力下結(jié)晶凝固的優(yōu)點(diǎn)。不僅易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，而且澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)單。采用此種工藝方法生產(chǎn)的鑄件力學(xué)性能優(yōu)良、組織致密、縮松、縮孔以及氣孔等缺陷少，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)重力鑄件，常應(yīng)用于較精密復(fù)雜的鋁合金鑄件。

1.1.6 加氧壓鑄法

加氧壓鑄法是將干燥的氧氣充入壓室和型腔取代其中的空氣與其他氣體后進(jìn)行壓鑄的一種工藝方法。此方法常應(yīng)用于鋁合金加工中，其工藝原理是在鋁合金制品壓鑄時(shí)，鋁和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成氧化鋁，這樣就可以減少鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔，從而提高制品的致密度，提高其力學(xué)性能。

1.2 塑性成型法

鋁及鋁合金的塑性成型法就是利用鋁及鋁合金的良好塑性，在一定的溫度、速度條件下，施加各種形式的外力，克服金屬對(duì)于變形的抵抗，使其產(chǎn)生塑性變形，從而得到各種形狀、規(guī)格尺寸和組織性能的鋁及鋁合金板、帶、條、箔、管、棒、型、線和鍛件等的加工方法。

1.2.1 平輥軋制法

平輥軋制，也稱(chēng)無(wú)槽軋制、圓邊或弧邊矩形軋制。該方法是用無(wú)槽軋輥生產(chǎn)鋁合金棒材的一種方法，具有提高軋輥使用壽命、操作簡(jiǎn)單、變形均勻、成品表面缺陷少等優(yōu)點(diǎn)。主要產(chǎn)品有熱軋厚板;熱軋帶卷;連鑄連軋板卷;冷軋帶卷;彩色鋁卷或鋁板;鋁箔卷等。

1.2.2 型輥軋制法

型輥軋制法即在刻有軋槽的軋輥中軋制各種型材。型輥軋制時(shí)，軋件沿其寬度上的壓下量是不同的，因此變形更為復(fù)雜，與平輥軋制板材相比，不均勻變形是其顯著特點(diǎn)之一。主要產(chǎn)品有熱軋棒和鋁桿;冷軋棒;異型材和異形棒材;冷軋管材和異形管;壓型板和花紋板等。

1.2.3 擠壓法

擠壓法是將錠坯裝入擠壓筒中，通過(guò)擠壓軸對(duì)金屬施加壓力，使其從給定形狀和尺寸的?？字袛D出，產(chǎn)生塑性變形而獲得所要求的擠壓產(chǎn)品的一種加工方法。擠壓法是最重要的壓力加工方法之一，在產(chǎn)量和用途上鋁擠壓材(管、棒、型、線材)一直是僅次于鋁軋制材(板、帶、條、箔材)的鋁合金材料。主要產(chǎn)品有鋁合金棒材、管材、型材、線材及各種復(fù)合擠壓材等。

1.2.4 拉拔法

拉拔法是對(duì)金屬坯料施加拉力，使之通過(guò)?？滓垣@得與模孔截面尺寸、形狀相同的制品[。拉拔法所得鋁合金制品具有尺寸精確、表面光潔、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。主要產(chǎn)品有棒材和異形棒材;管材和異形管材;型材;線材等。

1.2.5 鍛造法

鍛造法是鍛錘或壓力機(jī)(機(jī)械的或液壓的)通過(guò)錘頭或壓頭對(duì)鋁及鋁合金鑄錠或鍛坯施加壓力，是金屬產(chǎn)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本方法。自由鍛工藝靈活，工具簡(jiǎn)單，成本低，金屬坯料可朝各個(gè)方向自由流動(dòng)，不受限制，其形狀和尺寸主要由操作者的技術(shù)來(lái)控制;模鍛可以鍛制較為復(fù)雜的制品，將金屬坯料放在給定尺寸和形狀的模具內(nèi)。

1.2.6 冷沖法

冷沖法是利用安裝在壓力機(jī)上的模具，在室溫下對(duì)板料施加壓力使其變形和分離，從而獲得具有一定形狀、尺寸的零件的壓力加工方法。因?yàn)樗饕糜诩庸ぐ辶狭慵砸卜Q(chēng)板料沖壓。冷沖壓是少、無(wú)切屑加工方法之一，能沖壓出其他加工工藝難以加工或無(wú)法加工的形狀復(fù)雜的制件，例如，從儀表儀器小型零件到汽車(chē)覆蓋件、縱梁等大型零件。沖壓質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度高，生產(chǎn)效率高。另外，冷沖壓加工不需加熱、無(wú)氧化皮，表面質(zhì)量好，操作方便，費(fèi)用較低，但由于變形抗力大，故模鍛一般用于中小型鋁合金鍛件的生產(chǎn)。

1.2.7 其它塑性成型方法

鋁加工塑性成型法加工技術(shù)除了上述最基本的幾種外，目前在鋁加工中，半固態(tài)成形法，如半固態(tài)軋制、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)拉拔等;連續(xù)成形法，如連鑄連擠、高速連鑄軋、Conform連續(xù)擠壓等;復(fù)合成形法，如層壓軋制法、多坯料擠壓法等。

正因?yàn)殇X加工技術(shù)的多種多樣，才使其能滿足人民日常生活的多種產(chǎn)品要求。

1.3 深加工法

鋁加工技術(shù)的深加工法就是將鑄造法或塑性成型法所獲得的半成品進(jìn)一步通過(guò)表面處理或表面改性處理、機(jī)械加工或電加工、焊接或其他結(jié)合方法、剪斷、沖切、拉彎、彎曲或其他冷加工方法、復(fù)合或腐蝕等方法加工成成品零件或部件的方法。鋁材的深度加工對(duì)于提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)品的用途和拓寬市場(chǎng)，提高產(chǎn)品的附加值和利潤(rùn)、變廢為寶和綜合利用等都有十分重大的意義。

鋁及鋁合金加工技術(shù)的深度加工方法主要為表面處理法。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，耐磨性差，腐蝕電位較負(fù)，腐蝕比較嚴(yán)重.采用表面處理可以提高防護(hù)性、裝飾性和功能性，克服鋁合金表面性能方面的缺點(diǎn)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，延長(zhǎng)使用壽命。鋁加工常用的表面處理方法包括氧化上色、噴涂、化學(xué)氧化法、陽(yáng)極氧化法、微弧氧化法、有機(jī)硅烷化處理、磷化底漆處理、電泳涂漆處理、金屬涂層處理、電鍍、離子注入及激光技術(shù)等。

2 鋁加工技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 鋁加工技術(shù)的現(xiàn)狀

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，世界鋁及鋁合金材料及其加工產(chǎn)業(yè)和技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，成為許多國(guó)家和地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)之一?？偟脕?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)鋁加工技術(shù)的現(xiàn)狀是：

(1)鋁加工企業(yè)雖然數(shù)量較多，但是自主創(chuàng)新能力較差，生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的宏觀調(diào)控下，企業(yè)近年來(lái)逐漸從產(chǎn)量增長(zhǎng)型向質(zhì)量效益型，進(jìn)而向技術(shù)創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變，為我國(guó)成為世界鋁加工強(qiáng)國(guó)提供了發(fā)展機(jī)遇。近年來(lái)我國(guó)鋁工業(yè)和有色金屬工業(yè)整體實(shí)力不斷提高，在國(guó)際市場(chǎng)的影響力和競(jìng)爭(zhēng)力日益顯現(xiàn)。

(2)國(guó)內(nèi)鋁加工行業(yè)資源消耗嚴(yán)重，污染較大。一些鋁加工企業(yè)不規(guī)范的生產(chǎn)方式，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染。中國(guó)鋁加工業(yè)能耗指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平還存在較大差距，對(duì)業(yè)界既是挑戰(zhàn)，又是發(fā)展的機(jī)遇。

(3)國(guó)內(nèi)鋁加工行業(yè)存在著產(chǎn)量增而不減、產(chǎn)能轉(zhuǎn)而未移、產(chǎn)業(yè)調(diào)而難控的“三怪”現(xiàn)象。

(4)企業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈短，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重。鋁加工在建項(xiàng)目過(guò)多，產(chǎn)能過(guò)剩，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，利潤(rùn)下降。技術(shù)水平低，研發(fā)實(shí)力弱，高端產(chǎn)品所占的比重少。

(5)隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)鋁加工制品的要求不斷提高。為了與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家接軌，國(guó)家發(fā)布了新的鋁及鋁合金加工制品相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)、保證產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求和新的要求，這將進(jìn)一步規(guī)范鋁加工行業(yè)的健康發(fā)展。

雖然近年來(lái)我國(guó)在提高鋁材質(zhì)量，鋁加工技術(shù)方面做了大量工作，并有了很大的進(jìn)步，但在總體來(lái)看，與世界先進(jìn)水平仍有一定的差距。

在過(guò)去的2012年里，國(guó)內(nèi)鋁價(jià)低迷、鋁產(chǎn)能過(guò)剩、下游消費(fèi)疲軟、成本上升等因素使充滿艱難挑戰(zhàn)的中國(guó)鋁行業(yè)備受掣肘;同時(shí)，汽車(chē)輕量化、軌道交通、高端鋁合金新材料、中外鋁企合作等趨勢(shì)使持續(xù)低谷的中國(guó)鋁行業(yè)看到新的曙光，可謂跌宕起伏、精彩紛呈。

2.2 鋁加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，鋁及鋁合金加工制品的應(yīng)用日益擴(kuò)大，向合金多樣化、工藝多樣化、產(chǎn)品多樣化發(fā)展。國(guó)家工信部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。提出，要大力發(fā)展高強(qiáng)輕型合金材料專(zhuān)項(xiàng)工程，到2015年，關(guān)鍵新合金品種開(kāi)發(fā)取得重大突破，形成高端鋁合金材30萬(wàn)噸，基本滿足大飛機(jī)、軌道交通、節(jié)能與新能源汽車(chē)等需求?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)鋁加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要在于以下幾個(gè)方面：

(1)產(chǎn)業(yè)重組升級(jí)、淘汰落后產(chǎn)能成為大趨勢(shì)。通過(guò)合并，擴(kuò)大規(guī)模，淘汰規(guī)模小、設(shè)備落后、開(kāi)工不足和產(chǎn)品質(zhì)量低劣的企業(yè)，企業(yè)將向著集團(tuán)化、大型化、專(zhuān)業(yè)化、品牌化方向發(fā)展，以建成幾個(gè)具有國(guó)際一流水平的大型綜合性鋁加工企業(yè)。

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生大的調(diào)整，中高端和高科技產(chǎn)品將成為主流。進(jìn)一步加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及實(shí)行精細(xì)化生產(chǎn)并提高高附加值產(chǎn)品的自給率。工業(yè)鋁加工制品的消費(fèi)量將逐年增長(zhǎng)。中國(guó)作為正處于工業(yè)化中期的發(fā)展中國(guó)家，未來(lái)二三十年，正是步入中等發(fā)達(dá)國(guó)家，實(shí)現(xiàn)第三步戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵時(shí)期，而鋁型材在產(chǎn)品輕量化、環(huán)保節(jié)能、性價(jià)比等方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用空間將更大。

(3)技術(shù)創(chuàng)新將成為鋁加工行業(yè)的重大推動(dòng)力，并作為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心。進(jìn)一步完善提高各種鋁加工工藝控制技術(shù)水平，重視新一代高性能鋁合金材料的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新。隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求的提高，鋁加工行業(yè)粗放型、附加值低的現(xiàn)狀逐步改變，跨越以數(shù)量增長(zhǎng)為特征的初級(jí)發(fā)展階段，開(kāi)始進(jìn)入了技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)新產(chǎn)品、新工藝以提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量、豐富產(chǎn)品種類(lèi)、依靠綜合實(shí)力參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的新階段。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著全球范圍內(nèi)的能源、資源緊缺以及各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，對(duì)輕量化的需求的與日劇增，鋁合金作為一種可回收再生利用資源，必然會(huì)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注、研究和使用。通過(guò)對(duì)鋁加工技術(shù)的不斷改革和創(chuàng)新，將會(huì)研發(fā)出更多高性能的鋁合金，方便人們的生活。目前，我國(guó)處于鋁加工技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇期，發(fā)展前景好，把握好發(fā)展機(jī)遇，我國(guó)不僅是鋁業(yè)大國(guó)，而且能成為鋁加工強(qiáng)國(guó)。

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