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鋁合金在我國的制造業中應用十分廣泛,是航空航天的主要結構材料。鋁合金具有比重小、比強度高、比剛度高、耐應力腐蝕、綜合性能好和價格便宜等特點,其產量僅次于鋼,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用見圖1

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要求也越來越高。鋁合金鍛件的質量一致性、組織均勻性和性能穩定性,也必須通過鍛造工藝及質量控制得到進一步的提升。

因此,關注鋁合金鍛件的生產,應從鋁合金擠壓棒材及鑄錠開始,嚴格控制。從鍛造工藝參數制定、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。

鋁合金鍛件的現狀

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過反復改鍛,并經最終自由鍛或模鍛加工而成。鋁合金鍛件的質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系。因此,對鋁合金鍛件質量控制就必須要控制鋁棒或鑄錠的內部質量和表面質量,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。表現在力學性能數據分散度較大,而國外的力學性能數據比較穩定,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,經常發現鋁合金棒材的低倍組織存在粗晶或粗晶環,有些爐批的粗晶環遠大于GB/T 3191-2010《鋁及鋁合金擠壓棒材》規定的≤8mm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無法進行,或生產的鍛件有粗晶不能滿足鍛件標準的要求。

國內鋁合金棒材表面不光滑,或粗晶環大于標準要求,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,還增加了生產周期,降低生產效率。

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,難以實現批量生產。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),而國內最好的模具出模角為3°以上。目前還沒有能力生產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、模具表面加工技術和鍛造設備(應選擇慢速的壓力機)有很大關系。

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,與國外鍛件形成有很大的反差。這主要在于我們的整個鍛造工藝系統水平低下,主要表現為:①模具設計及加工不合適,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,產生裂紋、折疊等缺陷;③表面不平,打磨量大,甚至出現裂紋或產生折疊,容易帶入到零件中去,產生不良的后果。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廠家的工藝流程、高質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,產生表面粗晶有關;另一方面與原材料本身粗晶也有關系,還與我們的模具預熱溫度偏低(一般為100250℃,而國外的模具預熱溫度在350400℃)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定性

鋁合金鍛件在經過熱處理后,由于在較高溫度加熱,在鍛件表面經常出現氣泡,氣泡很薄,在水中扒開有氣體逸出,氣泡有明顯分層,內壁呈波紋狀,有灰黑色的燃燒產物。同時經常有表面起皮的現象發生,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商,辦理讓步接收而挽救加工使用,但也給企業造成不良的影響。從鋁合金鍛件表面的好壞,就可以看出一個企業的工藝技術水平和質量管理水平,就可以看出我們自身的不足。特別是由于鍛件的表面質量問題,打磨修復,造成尺寸不符合圖紙要求,反復次數多,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標準要求也是在理化檢測中經常發生的問題,這一般需要通過補充時效或重復熱處理來解決。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,盡量避免重復熱處理,以減少能耗,縮短生產周期。

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

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