1、變形鋁合金變形鋁合金生產生產流程概述流程概述北京南山航空材料研究院一、生產流程概述二、熔煉鑄造三、擠壓加工四、鍛壓加工鋁土礦氧化鋁電解鋁拜耳法燒結法聯合法Hall-Hroult煉鋁法最終產品變形材料鑄錠熱處理機加工擠壓軋制鍛造鋁土礦鋁土礦鋁土礦 我國主要我國主要是一水硬是一水硬鋁型礦，鋁型礦，鋁硅比在鋁硅比在4-6，較低。，較低。 拜耳法生拜耳法生產氧化鋁產氧化鋁要 求要 求 A / S比高于比高于10，故需經選故需經選礦脫硅。礦脫硅。氧化鋁氧化鋁 通過冰晶通過冰晶石石-氧化鋁氧化鋁熔鹽電解熔鹽電解法煉鋁，法煉鋁，又稱又稱Hall-Hroult法。法。 工業唯一工業唯一煉鋁方法。煉鋁方法。電解

2、鋁電解鋁 鋁液包鋁液包 船形錠船形錠拜耳法生產拜耳法生產電解法生產電解法生產 氧化鋁的生產方法分堿法，酸法，酸堿聯合法和熱法。目前用于工業生產的幾乎都是堿法。 堿法生產氧化鋁又分為拜耳法，燒結法和聯合法等多種流程。 用NaOH溶液溶出鋁土礦得到鋁酸鈉溶液，在添加晶種、不斷攪拌和逐步降溫的條件下，溶液中的氧化鋁以Al(OH)3析出； 分解得到的母液（主要含NaOH）經蒸發濃縮后在高溫下可用來溶出新的一批鋁土礦。 拜耳法流程圖拜耳法流程圖鋁土礦鋁土礦 我國主要我國主要是一水硬是一水硬鋁型礦，鋁型礦，鋁硅比在鋁硅比在4-6，較低。，較低。 拜耳法生拜耳法生產氧化鋁產氧化鋁要 求要 求 A / S比高

3、于比高于10，故需經選故需經選礦脫硅。礦脫硅。氧化鋁氧化鋁 通過冰晶通過冰晶石石-氧化鋁氧化鋁熔鹽電解熔鹽電解法煉鋁，法煉鋁，又稱又稱Hall-Hroult法。法。 工業唯一工業唯一煉鋁方法。煉鋁方法。電解鋁電解鋁 鋁液包鋁液包 船形錠船形錠拜耳法生產拜耳法生產電解法生產電解法生產 原料：Al2O3，炭素陽極，冰晶石Na3AlF6和氟化鹽（NaF，AlF3，CaF2和LiF）。 熔融冰晶石作為溶劑，氧化鋁作為溶質溶解在其中，以炭素材料作為陰、陽兩極。通入強大的直流后，在兩極間發生電化學反應，陰極上的產物為鋁液，陽極上的產物是CO2等氣體。 總反應式為：Al2O3+1.5C2Al+1.5CO2電

4、解鋁電解鋁重熔錠重熔錠 熔煉鑄造是鋁加工產品中第一道工序，也是最重要的工序。 據調查，鋁合金制品的缺陷近60%是起源于熔煉鑄造工序。鑄造過程中鑄錠產生的組織缺陷，會遺傳到后續加工中，且難以消除。熔煉爐爐內精煉系統鑄造機組CFF起鑄爐保溫爐熔煉爐 保溫爐電磁攪拌器流槽在線除氣系統板式過濾器管式過濾器21爐內精煉系統2加料熔化精煉、扒渣靜置在線除氣、過濾鑄造合金成分設計配料熔煉精煉、扒渣取樣分析調整成分轉爐爐內精煉、靜置在線處理晶粒細化鑄造鑄錠吊裝H2CH4H20N2CO2CO2CO92.22.91.43.10.4 氫是熔體中最易溶解的氣體之一。 物理吸附化學吸附擴散(H2)2H2H的方式以離子狀

5、態存在于晶體點陣的間隙內。 溫度越高，氫分子離解速度越快，熔體含氫越高。 在鑄造時由于冷卻速度快，來不及HH2，而存于鑄錠之中，形成疏松和氣孔。Ar+Cl 降低合金機械性能，特別是疲勞性能、沖擊韌性及延伸率。 降低溶體流動性，惡化鑄造性能。 惡化切消加工性能，使鑄件中加工過程中易開裂。 造成合金燒損。 液態鋁與O2 ，N2，S，C等元素發生化學反應生成的化合物及混入的其它夾雜物統稱為非金屬夾雜物及氧化膜。其中氧化膜（Al2O3）對金屬污染為最大。 氧化夾雜物來自鋁液和氧及水汽的反應： 4Al+3O2=2Al2O3 3H2O+2Al=Al2O3+6H陶瓷過濾管管式過濾管式過濾深床過濾深床過濾板式

6、過濾板式過濾除氣效果低良低除渣效果優優中操作復雜性中難易可去除雜質直徑20(520)202030去除率（與配置相關）95%(95%)90%7590% 半連續鑄造（DC鑄造）：熔體金屬連續地通過結晶器，迅速凝固，錠坯被連續拉出的生產工藝。 工程上把這種鑄錠方式簡稱DC（ Direct-Chilling ）法，即直接水冷鑄錠法。鑄錠凝固過程及凝固區結構懸浮晶區結晶前沿補縮邊界晶體彼此是沒有聯系的，它處于懸浮狀態，且能在重力或流體動力作用下相對于鑄錠的固定部分移動，此稱懸浮晶區。晶體不斷長大，彼此交叉開始連成一片，單個晶體已失去移動的自由，在宏觀上形成了一層固相和液相間的連續分界面。從液體還能在骨架

7、間流動，到分割成孤立小熔池，收縮時得不到液體補充。細等軸晶區柱狀晶區中心柱狀晶區：冷卻受限，細晶在冷卻方向擇優長大過冷太快，很多晶核，形成細等軸晶凝亮變厚，熱阻增大，溫度梯度下降，并形成大量晶核。金屬擠壓的基本原理示意圖金屬擠壓的基本原理示意圖1-擠壓軸；擠壓軸； 2-擠壓墊片；擠壓墊片； 3擠壓筒擠壓筒4-錠坯；錠坯； 5-擠壓模；擠壓模； 6-擠壓制品擠壓制品優點缺點金屬的變形能力強制品綜合質量高產品范圍廣生產靈活性大、工藝流程簡單組織不均勻生產效率低工模具、廢料損失大擠壓擠壓生產生產流程簡圖流程簡圖擠擠壓壓產產品品線線材材空心型材空心型材實心型材實心型材圓棒圓棒方棒方棒扁棒扁棒六角棒六角

8、棒按形狀分按形狀分 實心型材實心型材空心型材空心型材型型材材實心型材實心型材圓棒圓棒方棒方棒圓棒圓棒扁棒扁棒方棒方棒圓棒圓棒六角棒六角棒扁棒扁棒方棒方棒圓棒圓棒圓管、方管、橢圓管、六角形管等圓管、方管、橢圓管、六角形管等有縫管、無縫管、冷軋管、冷拉管等有縫管、無縫管、冷軋管、冷拉管等圓棒圓棒方棒方棒圓棒圓棒扁棒扁棒方棒方棒圓棒圓棒六角棒六角棒扁棒（排材）扁棒（排材）方棒方棒棒棒材材圓棒圓棒按形狀分按形狀分 按用途分按用途分 管管材材按生產方法分按生產方法分 按形狀分按形狀分 按壁厚分按壁厚分 導管、冷凝管、容器管等導管、冷凝管、容器管等厚壁管、薄壁管厚壁管、薄壁管雙插口地板型材目 標 頂板型材

9、枕梁型材邊梁型材側墻型材 鍛壓是鍛造與沖壓的簡稱。 鍛造是采用錠材、棒材在設備及工模具作用下，使坯料產生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸和質量工件的加工過程。一般采用熱加工，以得到高強度質量的零件，如渦輪葉片、飛機起落架。 沖壓是在常溫下把板材加工成零件/沖壓件的過程。如飛機蒙皮、電子儀表、電子接插件、電路板等。1. 可以獲得較大能量來完成變形，特別適于難變形模鍛的薄壁高筋整體壁板。2. 最大載荷可受限制，從而保護模具。3. 工作速度較慢，適合鋁合金的變形要求，鍛件組織也比較均勻。4. 可以進行等溫模鍛和等溫超塑模鍛。 鍛成的最小截面厚度受限制。自由鍛自由鍛 一般是在沒有模腔的兩個平模或型模之間進

10、行。 它使用的工具形狀簡單、成本低。 對于大型鋁鍛件，自由鍛主要作為制坯工序。開式模鍛開式模鍛 坯料是在兩塊刻有模腔的模塊間變形，鍛件被限制在模腔內部，多余的金屬從兩塊模具之間的窄縫中流出，在鍛件四周形成毛邊。開式模鍛1-上模；2-毛邊橋部；3-毛邊；4-下模閉式模鍛閉式模鍛 模鍛過程中，沒有與模具運動方向垂直的橫向毛邊形成。閉式鍛模的模腔一部分用來給毛坯成形，另一部分則用來導向。擠壓模鍛擠壓模鍛 利用擠壓法模鍛，有正擠模鍛和反擠模鍛兩種。擠壓模鍛可以制造各種空心和實心制件。可以獲得幾何尺寸精度高，內部組織更致密的鍛件。多向模鍛多向模鍛 多向模鍛液壓機有垂直沖孔柱塞1，兩個水平柱塞3，它的頂出

11、器也可以用來沖孔。 多向模鍛時，滑塊從垂直和水平兩個方向交替聯合地作用到工件上，并且用一個或多個穿孔沖頭使金屬從模腔中心向外流動。多向模鍛液壓機示意圖1-垂直沖孔柱塞；2-主橫梁；3-水平柱塞；4-頂出器下沖孔柱塞分部模鍛分部模鍛 分段模段、墊板模鍛等分部模鍛法。其特點是對鍛件逐段加工，所需設備噸位可以小得多。采用這種方法可以在中型液壓機上加工出特大的鍛件。等溫模鍛等溫模鍛 把模具加熱到毛坯的鍛造溫度，并且在整個模鍛過程中模具和毛坯溫度保持一致，這樣便可以在很小變形力的作用下獲得巨大的變形量。備料（分鑄錠、擠壓料）坯料/模具加熱鍛造開坯（自由鍛件經12火鍛造后可為產品）蝕洗修傷檢查中間坯料加熱

12、預成型（經12火模壓）切邊蝕洗修傷檢查中間坯料加熱終壓（有的鍛件須經23火）切邊蝕洗修傷檢查固溶處理矯直/冷變形時效取樣超聲波探傷驗收交貨包裝入庫 熱力學參數包括：變形溫度、變形速率、變形程度和應力狀態等。 選擇合金鍛造熱力學參數的主要依據是相圖、塑性圖、變形抗力圖和加工再結晶圖。鍛造溫度范圍鍛造溫度范圍 為了使合金在鍛造時盡可能具有單相狀態，以便提高工藝塑性和減小變形抗力，首先必須根據合金相圖適當選擇鍛造溫度范圍。 必須通過各種合金的塑性圖、變形抗力圖和加工再結晶圖加以準確化。變形速率變形速率 =V/H0 ，在工具運動速度一定時，毛坯高度愈小，變形速率愈大；毛坯尺寸相同，工具運動速度愈大，變形速率就愈大。 一部分合金化程度高的鋁合金，隨著從靜載變形改為動載變形，工藝塑性會下降。這是由于其再結晶速度小，在動載變形時，加工硬化顯著增大所致。變形程度變形程度 設備每一工作行程的變形程度 一方面取決于鍛件的形狀，另一方面則取決于合金的工藝塑性。另外，還應避開臨界變形程度。 總變形程度 不僅決定了鍛件的力學陛能，而且決定了鍛件的縱向和橫向力學性能差異大小，即各向異性大小。彈性變形 在外力作用下，材料內部產生應力，迫使原子離開平衡位置，使金屬發生變形，