铝合金锻生产及锻件的应用

而用铸造法出产的铝合金汽车车轮的力学机能良好，结构强度高，重量轻（壁厚薄），抗冲击能力高，防侵蚀机能和抗疲惫强度优良等长处，可以知足商用车车轮的要求，因此，逐渐成为汽车，特别是高级轿车和大型、重型、豪华型客车与货车用车轮的首选配件，有逐渐替换锻造铝合金车轮的趋势。铝合金铸造材因为本钱较高，出产技术难度较大，仅在特别重要的受力部位才应用，所占比重不大。

从铝加工产业的角度来看，目前全世界的铝产量（包括再生铝）为5000万吨/年左右，其中85%要变成加工材，即目前世界上加工材年产量为4000万吨左右，其中板、带、箔材占57%左右，挤压材占38%左右。中国因为大、重型水（液）压铸造设备少，出产能力低，远远不能知足产业部分对铝锻压件的需求，年缺口量在4.0万吨以上。

跟着我国交通运输业向现代化、高速化方向发展，交通运输工具的轻量化要求日趋强烈，以铝代钢的呼声越来越大，特别是轻量化程度要求高的飞机、航天器、铁道车辆、地下铁道、高速列车、货运车、汽车、舰艇、船舶、火炮、坦克以及机械设备等重要受力部件和结构件，近几年来大量使用铝及铝合金锻件和模锻件以替换原来的钢结构件，如飞机结构件几乎全部采用铝合金模锻件；汽车（特别是重型汽车和大中型客车）轮毂、保险杠、底座大梁；坦克的负重轮；炮台机架；直升机的动环和不动环；火车的气缸和活塞裙；木工机械机身；纺织机械的机座、轨道和绞线盘等等都已应用铝合金模锻件来制造。

此外，锻铝车轮的致密度高，无松散、针孔，表面无气孔，具有良好的表面处理机能。如汽车产业上，对前梁、羊角、轮毂、曲轴等零件进行设计和工艺过程优化，可使优化设计后的羊角减重15%，轮毂减重30%，曲轴减重20%，而且大大进步出产效率，降低能耗。一般来讲，对于受力大、力学机能要求高的重要机械零件，多数采用锻压方法来制造。

(3)锻压出产的历史悠久，但发展速度较压延和挤压来说相对缓慢。我国歼击机等军用飞机和民用飞机也在飞速发展，特别是大飞机项目的启动及航母等大项重点项目的实施，需要消耗的铝锻件也会逐年增加。

4.2市场需求及应用远景分析

为了知足军工和民用各部分对铝和铝合金锻件日益增长的要求，世界各国都集中人力、物力和财力发展铝锻压出产，设计和制造各种锻压设备，特别是大中型水（液）压锻压机。制造的精度（厚度）也较差，后续加工量大，不能知足高可靠性的轻量化乘用车机能要求，而且无法知足商用车的车轮的耐冲击和疲惫寿命及承载能力的要求。而且，这些趋势正在大幅度增长，甚至某些铝合金铸件也开始采用铝合金模锻件来代替。

（4）汽车是使用铝合金锻件最有前途的行业，也是铝锻件的最大用户。如近年来，我国研制的超远程导弹用AL-Li合金壳体锻件，每件重达300多公斤，价值几十万元。

（7）在机械制造业上，目前主要用于制作木工机械、纺织机械等中的机架、滑块、连杆及绞线盘等，仅纺织机用绞线盘铝锻件，我国每年就需要数万件，重1500多吨。  

此外跟着铝合金模锻件大型化、精密化程度进步，大型精密多向模锻液压机日益受到正视，各国已拥有多台大型多向模压液压机，其中美国3台，最大为300MN；法国1台为650MN；英国1台为300MN；中国1台为100MN，俄国2台为200MN和500MN；德国1台为350MN。  

⑥表面光洁、美观，表面处理机能良好，美观耐用。

②比强度大、比刚度大、比弹性模量大、疲惫强度高，宜用于轻量化要求高的枢纽受力部件，其综合机能远远高于其它材料。特别是铝合金坦克负重轮等重要锻件已成了刀兵器械轻量化、现代化的重要材料。产品的内部组织、力学机能和尺寸精度也能知足各种用户要求，在产品开发上达到了相称高的水平。解放前，锻压出产十分落后。

（8）模具产业上用铝合金锻件制作橡胶模具，鞋模具及其它轻工模具。

5结论

（10）其它方面，如电子通信、家用电器、体裁器材等方面也开始使用铝锻件替换钢、铜等材料的锻件。据初步统计，1985年铝锻件占世界锻件总产量的0.5%（即1.8万吨），2008年上升到18%左右，目前，世界上消耗锻件450万吨左右，其中铝锻件占了80万吨/年左右；钛锻件和高温合金锻件大约占1.5%（即1.8万吨/年左右）；钢锻件依然占绝大多数。  

锻造法又分为重力锻造和压力锻造法。全球有大小水（液）压机500余台，其中100MN以上的大型水（液）压机10余台。

（3）刀兵产业：如坦克、坦克车、运兵车、战车、火箭弹、炮架、军舰等常规武器上使用铝合金锻件作为承力件的数目大大增加，基本代替了钢锻件。主要用于航天航空、交通运输、汽车、船舶、能源动力、电子通信、石油化工、冶金矿山、机械电器等领域。近几十年来，铝合金锻压出产和技术在国外已取得重大进展，而我国的发展水平和国外比拟仍存在较大差距，应尽快进步我国铝合金锻压出产的工艺水平和工艺装备水平，并抓紧建设若干条60MN～800MN现代化铝合金锻压液压机出产线，以缩小与国外提高前辈水平的差距，最大程度知足海内外市场的需求，向铝锻压大国强国迈进。据统计，世界上几年来铝轮毂的用量的年增长速度达20%以上，目前的使用量达数十亿个。如美国铝业公司用80MN锻压水压机出产的6061T6汽车轮毂，其晶粒变形流向与受力方向一致，强度与韧性及疲惫强度均大大高于锻造合金车轮，而重量则减少20%，伸长率可达12%～16%。产品品种相对较少，例如产业发达国家的模锻件已占全部锻件的80%左右，我国只占30%左右。

（5）能源动力产业上，铝锻件会逐渐代替某些钢锻件制作机架、护环、动环和不动环以及煤炭运输车轮、液化自然气法兰盘、核电站燃料架等，一般都是大中型锻件。宇宙飞船、火箭、导弹、卫星等的发展对铝锻件的需求日益俱增。可喜的是，跟着我国大飞机项目及航母以及其他大型重点项目的实施，正在建造200MN重型卧式挤压机和450MN和800MN巨型立式模锻液压机，向世界铝合金锻压大国和强国迈进。

（6）船舶和舰艇上使用铝锻件作为机架、动环和不动环、炮台架等。对于大型精密环形件则宜用精密轧环机轧锻。

在飞机上锻压件的重量占70%，坦克上锻压件的重量占60%，汽车上锻压件重量占50%，电力产业中水轮机主轴、透平叶轮、转子、护环等均是锻压而成。

（1）航空（飞机）锻件：飞机上的锻件占飞机材料重量的70%左右，如起落架、框架、肋条、发念头部件、动环和不动环等，一架飞机上所用的锻件上千种，其中除了少数高温部件使用高温合金和钛合金锻件外，绝大部门已铝化，如美国波音公司，年产飞机上千架，年需消耗铝合金锻件数万吨。特别是近十年来，跟着科学技术的提高和国民经济的发展，对材料提出越来越高的要求，迫使铝合金锻件向大型整体化、高强高韧化、复杂精密化的方向发展，大大促进了大中型液压机和锻环机的发展。  

但到目前为止，我国铝加工企业仅有300MN、100MN、60MN、50MN、30MN10台大、中型铝锻压水（液）压机和1台100MN多向模压水压机及Φ5m轧环机2台，铝锻件年出产能力仅为20000吨左右，最大模锻件投影面积为2.5m2（铝合金）及1.5m2（钛合金），最大长度为7m，最大宽度为3.5m，锻环最大直径Φ6m，以及盘径为Φ534mm～Φ730mm的铝合金绞线盘和Φ650mm左右的汽车轮箍。

我国刚刚起步，但一汽、二汽等大型汽车企业正在开始研发，跟着汽车产量的增加（2010年我国汽车产量预计达到1500万辆/年，世界汽车产量可能突破7000万辆/年），铝轮毂和其它铝锻件的用量将会得到惊人的发展。涂层平均一致，结协力高，色彩调和美观。工艺装备的自动化水平和工艺技术水平也相对落后。

锻件出产是一个很古老的行业，但铝合金锻件的大量出产应用是从1950年代开始的。  

③内部组织细密、平均、无缺陷，其可靠性远远高于铝合金铸件和压铸件，也高于其它材料铸件。经由几十年的现代化改造，不管在产业装备上，模具设计和制造上，出产工艺和技术上，仍是在产品品种规格、出产规模和质量等方面都得到飞速发展，尤其是美国、俄国、德国、日本、法国、意大利、捷克、奥地利、瑞士等国的锻压出产的发展达到了相称高的水平。对于大型复杂的整体结构的铝锻件则非采用大型模锻液压机来出产不可。  

除此以外为了出产各种规格和品种的大、中型精密锻件，各国还装配了各种型号的精锻机，50吨以上的大型锻锤、平锻机及Φ5～Φ12M的大型精密轧环机，如美国的Φ12M、俄国的Φ10M精密轧环机，中国也装备了多台Φ5M的精密轧环机。

1.锻压出产在国民经济中的重要地位

全面系统深入地先容了铝合金铸造压出产在国民经济中的重要地位，出产现状及发展水平，分析了锻件的市场需求及应用远景，建议我国抓紧建设几条大、中型铝合金锻压出产线是十分必要的，这对国民经济的高速持续发展和国防军工现代化有重大的现实意义和长远意义。多向模锻机属于精密锻压设备，配备了PLC系统和计算机控制系统，可对能量、行程、压力、速度进行自动调节，对枢纽部件最佳工作点进行控制，对各项工作状态进行监控和显示，对系统故障、设备过载、过温顺失控等进行预告和保护，对制品质量进行控制。  

④铝合金的塑性好，可加工成各种外形复杂的高精度锻件，机械加工余量小，仅为铝合金拉伸厚板加工余量的20%左右，大大节省工时和本钱。主要作为轮毂（特别重型汽车和大中型客车）、保险杠、底座大梁和其它一些小型铝锻件，其中铝轮毂是使用量最大的铝锻件，主要用于大客车、卡车和重型汽车上。

(2)因为铝合金锻件具有一系列优良特性，其应用范围越来越广泛，市场潜力巨大，应用远景很好。

3.1国外发展状况与水平分析 

3铝合金锻压出产技术与发展水平

近几年来，因为铝材本钱下降，机能进步，品种规格扩大，其应用领域越来越大。

①密度小，只有钢锻件的34%，铜锻件的30%，是轻量化的理想材料。解放后，锻压出产迅速发展，180MN以下的自由锻水压机、300MN模锻水压机、160KN以下的模锻锤、16000KN以下的摩擦压力机、8000KN以下的热模锻压机已成系列装备了各锻压厂。目前世界上可出产的铝合金模锻件的最大投影面积达5m2（750MN），最长的铝锻件达15m，最重的铝锻件达1.5吨，最大的锻环直径达11.5m，基本上可知足最大的飞机、飞船、火箭、导弹、卫星、航艇、航母以及发电设备、起重设备等的需要。  

4.1铝合金锻件的产、消情况分析

4铝合金锻件的技术开发及应用远景分析 

为此，我国应集中人力、物力和财力，尽快进步我国铝合金锻压出产的工艺装备水平和出产工艺水平，并尽快新建若干条大中型现代化铝合金锻压液压机出产线，以尽快缩小与国外提高前辈水平的差距，最大程度地知足海内外市场的需求。目前世界上铝锻件的出产能力大约为80万吨/年左右，不能知足消费量100万吨/年的需求。  

⑤铝锻件具有良好的耐蚀性、导热性和非磁性，这些都是钢锻件无法相比的。

3.2海内发展现状和水平分析 

因为近年来，除中国正在建设450MN和800MN巨型模锻机外，世界各国在大、中型锻压机的新建和改造方面力度不大，因此，总的来说，世界铝合金锻件的出产尚不能知足交通运输轻量化对铝锻件的需求，有必要新建若干条现代化的大、中型铝锻压出产线。其中一台是750MN，为世界之最；美国5台（其中包括2台450MN）；法国1台，为650MN；德国2台；中国1台（中国正在建设和制造450MN和800MN巨型模锻液压机）；罗马尼亚1台；英国1台。到2015年，因为我国的汽车、飞机、船舶及交通运输和机械制造业的大量增加，铝锻件的年消耗量可能达到8万吨/年以上。但是因为锻压设备比较贵，制造周期长，锻件出产技术也比较复杂，因而很难知足市场需要。近年来，在中小型汽车、摩托车和高级轿车上也开始使用。但是，铝铸造材是增长速度最快的铝材，近十多年来，因为军工和民用产业，特别是交通运输业现代化和轻量化的需要，以铝代钢的要求十分迫切，因而，铝锻件的品种和应用都得到了迅猛的增长。专用的计算机软件对控制铸造温度、锻压力、变形程度（欠压力）和工艺润滑等主要工艺参数，控制制品尺寸和内部组织、力学机能等提供了可靠的保证。 CIM包括成套技术、计算机技术、CAD/CAM/CAE技术、机器人、专家系统、加工计划、控制系统以及自动材料处理等，为模锻件的优化设计和工艺改进提供了前提。

因为铝及铝合金锻件具有以上一系列的优胜性，在航空航天、汽车、船舶、交通运输、刀兵、电讯等产业部分备受青睐，应用范围越来越广泛。 Φ1.5～Φ6mm的各类铝合金锻环的用量也越来越大。

（2）航天锻件：航天器上的锻件主要是锻环、轮圈、翼梁和机座等，绝大部门为铝锻件，只要少数钛锻件。锻压出产的优胜性在于：它不但获得机械零件的外形，而且能改善材料的内部组织，进步力学机能。

2.1铝合金锻压件的特性

2铝合金锻压件的特性及应用领域

目前，世界上大型锻压液压机为数未几，中国更是寥寥无几，跟着国防产业的现代化和民用产业特别是交通运输业的发展，铝合金模锻件的品种和产量，不仅不能知足海内市场的需要，国际市场也有很大缺口。锻铝车轮有很好的机械加工机能。  

2.2铝合金锻件的应用领域

可见，铝锻件具有一系列优良特征，为铝锻件代替钢、铜、镁、木材和塑料提供了良好前提。因此，我国抓紧建设几条大、中型铝合金锻压出产线是十分必要的、及时的，对国民经济的高速发展和国防军工现代化有重要的现实意义和长远意义。从这些例子可以看出，锻压出产在产业行业中据有极重要的地位

锻压出产是向各个产业行业提供机械零件毛坯的主要途径之一。

根据以上分析可知，目前我国铝合金锻压产业，不管在技术装备上、模具设计与制造上、产品产量与规模上、出产效率与批量化出产上、产品质量与效益等方面都与国外提高前辈水平存在较大差距。仅海内每年消耗的4032合金的气缸和活塞裙等锻件达数万件。

模锻的设计与制造是铝合金锻压技术的枢纽，锻件CAD/CAM/CAE系统已十分成熟和普及，在美国，CAD/CAM/CAE系统正被CIM（计算机一体化）所代替。而且具有相称高的吸震与承压能力，承受冲击能力强。国外模锻件的设计、模具制造方面已引入计算机技术、模锻CAD/CAM/CAE和模锻过程仿真已进入实用化阶段，而我国良多锻压厂在这方面才刚刚起步。目前产业上常用的汽车了铝合金车轮的制造方法主要有锻造法和铸造法两种。铝合金可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种铸造设备上铸造，可以自由锻、模锻、轧锻、顶锻、辊锻和扩孔。 300MN以上的重型锻压机的分布情况是：俄国4台。凡是用低碳钢可以锻出的各种锻件，都可以用铝合金铸造出来。

铝合金因为比重小、比强度、比刚度高等一系列长处，已大量使用在各个产业部分，铝合金锻压件已成为各个产业部分机械零件必不可少的材料。  

在铝及铝合金锻件技术方向研制开发出了大量的锻压新工艺、新技术，如液体模锻、半固态模锻、等温铸造、粉末铸造、多向铸造、无斜度精密模锻、分部模锻、包套模锻等，对简化工艺、减少工序、节省能耗、扩大品质、增加规格、进步质量和出产效率、保护环境、降低劳动强度、进步经济效益等方面施展了重大作用。

在产品品种和质量上获得了突破性进展，目前世界上研制开发的铸造铝合金有上百种，十几个状态，可大批量出产不同合金、不同状态、不同机能、不同功能、各种外形、各种规格、各种用途的铝合金锻件，规模在30000吨/年以上的大型企业已有十来家。

目前，全世界有锻压厂上千家，锻压机数千台，年产锻件近500万吨/年，其中，铝合金模锻件30万吨/年左右（年消耗近50万吨/年）。

由以上分析，铝及铝合金锻件的主要用于要求轻量化程度大的产业部分，根据当前各国的应用情况，主要的市场分布如下。这些大型水（液）压机的主要特点是结构紧凑、功能多、自动化程度高、配备有操纵机和快速换模装置、平面配置公道、有利于连续功课、出产效率高。锻造法出产的车轮产品的组织致密度和平均性较差，力学机能亦较低。

（9）在运输机械、火车机车产业上，铝合金锻件大量用作气缸、活塞裙带等。

(1)锻压出产是向各产业部分提供机械零件毛坯的重要途径之一，在国民经济持续高速发展和国防军工现代化中占重要的地位并起着特殊的作用。不仅不能知足海内外市场对铝合金锻件日益增长的需求，更跟不上交通运输（如飞机、汽车、高速火车、轮船等）轻量化要求以铝锻件代替钢锻件的步伐。有的还包括有偏移检测、同步系统、工作台和机架变形补偿、磁包存储器、集成电路、光纤通信、彩色屏等，可实现全机或全机列，甚至整个车间的自动控制与科学治理。

一般来说，尺寸小、外形简朴、偏差要求不严的铝锻件，可以很轻易地在锤上铸造出来，但是对于规格大、要求剧烈变形的铝锻件，则宜选用水（液）压机来铸造。

锻压出产在我国有悠久的历史，3300多年以前的殷墟文化早期，锻压已用于刀兵出产。主要铸造铝合金的特征及用途见表1。由此可见，铸造铝车轮具有重量轻、比强度高、韧性和抗疲惫性与抗侵蚀性优良，导热性好，易于机械加工，圆形度好，抗冲击，使用安全，便于维修，使用本钱低，节能、环保、美观耐用等特点，是汽车车轮等交通运输滚动部件的理想材料，有广阔的应用远景。其在铝材中的比例已由1985年的0.5%增加到了2009年的2.5%，即80万吨/年左右。