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变形铝合金生产流程概述北京南山航空材料研究院一、生产流程概述二、熔炼铸造三、挤压加工四、锻压加工铝土矿拜耳法烧结法联合法氧化铝Hall-Héroult炼铝法电解铝最终产品热处理机加工变形材料挤压轧制锻造铸锭铝土矿铝土矿•我国主要是一水硬铝型矿，铝硅比在4-6，较低。•拜耳法生产氧化铝要求A/S比高于10，故需经选矿脱硅。氧化铝•通过冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝，又称Hall-Héroult法。•工业唯一炼铝方法。电解铝•铝液包•船形锭拜耳法生产电解法生产»氧化铝的生产方法分碱法，酸法，酸碱联合法和热法。目前用于工业生产的几乎都是碱法。•碱法生产氧化铝又分为拜耳法，烧结法和联合法等多种流程。»用NaOH溶液溶出铝土矿得到铝酸钠溶液，在添加晶种、不断搅拌和逐步降温的条件下，溶液中的氧化铝以Al(OH)3析出；»分解得到的母液（主要含NaOH）经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的一批铝土矿。☺拜耳法流程图铝土矿•我国主要是一水硬铝型矿，铝硅比在4-6，较低。•拜耳法生产氧化铝要求A/S比高于10，故需经选矿脱硅。氧化铝•通过冰晶石-氧化铝熔盐电解法炼铝，又称Hall-Héroult法。•工业唯一炼铝方法。电解铝•铝液包•船形锭拜耳法生产电解法生产»原料：Al2O3，炭素阳极，冰晶石Na3AlF6和氟化盐（NaF，AlF3，CaF2和LiF）。»熔融冰晶石作为溶剂，氧化铝作为溶质溶解在其中，以炭素材料作为阴、阳两极。通入强大的直流后，在两极间发生电化学反应，阴极上的产物为铝液，阳极上的产物是CO2等气体。»总反应式为：Al2O3+1.5C→2Al+1.5CO2电解铝重熔锭»熔炼铸造是铝加工产品中第一道工序，也是最重要的工序。»据调查，铝合金制品的缺陷近60%是起源于熔炼铸造工序。铸造过程中铸锭产生的组织缺陷，会遗传到后续加工中，且难以消除。熔炼炉炉内精炼系统铸造机组CFF起铸炉保温炉熔炼炉保温炉电磁搅拌器流槽在线除气系统板式过滤器管式过滤器21炉内精炼系统2加料熔化精炼、扒渣静置在线除气、过滤铸造合金成分设计配料熔炼精炼、扒渣取样分析调整成分转炉炉内精炼、静置在线处理晶粒细化铸造铸锭吊装氢(H2)0～0.2%H2CH4H20N2CO2CO2CO92.22.91.43.10.4»氢是熔体中最易溶解的气体之一。»物理吸附→化学吸附→扩散(H2)→2H→2[H]的方式以离子状态存在于晶体点阵的间隙内。»温度越高，氢分子离解速度越快，熔体含氢越高。»在铸造时由于冷却速度快，来不及[H]→H2，而存于铸锭之中，形成疏松和气孔。氩气泡氯气泡氢气泡Ar+Cl定子降低合金机械性能，特别是疲劳性能、冲击韧性及延伸率。降低溶体流动性，恶化铸造性能。恶化切消加工性能，使铸件中加工过程中易开裂。造成合金烧损。液态铝与O2，N2，S，C等元素发生化学反应生成的化合物及混入的其它夹杂物统称为非金属夹杂物及氧化膜。其中氧化膜（Al2O3）对金属污染为最大。氧化夹杂物来自铝液和氧及水汽的反应：4Al+3O2=2Al2O33H2O+2Al=Al2O3+6[H]过滤箱体加热器过滤的溶体进口出口陶瓷过滤管管式过滤深床过滤板式过滤除气效果低良低除渣效果优优中操作复杂性中难易可去除杂质直径≥20μ(5~20μ)≥20μ≥20~30μ去除率（与配置相关）95%(95%)≥90%75~90%»半连续铸造（DC铸造）：熔体金属连续地通过结晶器，迅速凝固，锭坯被连续拉出的生产工艺。»工程上把这种铸锭方式简称DC（Direct-Chilling）法，即直接水冷铸锭法。铸锭凝固过程及凝固区结构悬浮晶区结晶前沿补缩边界晶体彼此是没有联系的，它处于悬浮状态，且能在重力或流体动力作用下相对于铸锭的固定部分移动，此称悬浮晶区。晶体不断长大，彼此交叉开始连成一片，单个晶体已失去移动的自由，在宏观上形成了一层固相和液相间的连续分界面。从液体还能在骨架间流动，到分割成孤立小熔池，收缩时得不到液体补充。凝固方向细等轴晶区柱状晶区中心柱状晶区：冷却受限，细晶在冷却方向择优长大过冷太快，很多晶核，形成细等轴晶凝亮变厚，热阻增大，温度梯度下降，并形成大量晶核。金属挤压的基本原理示意图1-挤压轴；2-挤压垫片；3挤压筒4-锭坯；5-挤压模；6-挤压制品优点缺点挤压生产流程简图挤压产品线材空心型材实心型材圆棒方棒扁棒六角棒按形状分实心型材空心型材型材实心型材圆棒方棒圆棒扁棒方棒圆棒六角棒扁棒方棒圆棒圆管、方管、椭圆管、六角形管等有缝管、无缝管、冷轧管、冷拉管等圆棒方棒圆棒扁棒方棒圆棒六角棒扁棒（排材）方棒棒材圆棒管材导管、冷凝管、容器管等厚壁管、薄壁管双插口地板型材目标顶板型材枕梁型材边梁型材侧墙型材»锻压是锻造与冲压的简称。»锻造是采用锭材、棒材在设备及工模具作用下，使坯料产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和质量工件的加工过程。一般采用热加工，以得到高强度质量的零件，如涡轮叶片、飞机起落架。»冲压是在常温下把板材加工成零件/冲压件的过程。如飞机蒙皮、电子仪表、电子接插件、电路板等。1.可以获得较大能量来完成变形，特别适于难变形模锻的薄壁高筋整体壁板。2.最大载荷可受限制，从而保护模具。3.工作速度较慢，适合铝合金的变形要求，锻件组织也比较均匀。4.可以进行等温模锻和等温超塑模锻。锻成的最小截面厚度受限制。自由锻»一般是在没有模腔的两个平模或型模之间进行。»它使用的工具形状简单、成本低。»对于大型铝锻件，自由锻主要作为制坯工序。开式模锻»坯料是在两块刻有模腔的模块间变形，锻件被限制在模腔内部，多余的金属从两块模具之间的窄缝中流出，在锻件四周形成毛边。开式模锻1-上模；2-毛边桥部；3-毛边；4-下模闭式模锻»模锻过程中，没有与模具运动方向垂直的横向毛边形成。闭式锻模的模腔一部分用来给毛坯成形，另一部分则用来导向。挤压模锻»利用挤压法模锻，有正挤模锻和反挤模锻两种。挤压模锻可以制造各种空心和实心制件。可以获得几何尺寸精度高，内部组织更致密的锻件。多向模锻»多向模锻液压机有垂直冲孔柱塞1，两个水平柱塞3，它的顶出器也可以用来冲孔。»多向模锻时，滑块从垂直和水平两个方向交替联合地作用到工件上，并且用一个或多个穿孔冲头使金属从模腔中心向外流动。多向模锻液压机示意图1-垂直冲孔柱塞；2-主横梁；3-水平柱塞；4-顶出器下冲孔柱塞分部模锻»分段模段、垫板模锻等分部模锻法。其特点是对锻件逐段加工，所需设备吨位可以小得多。采用这种方法可以在中型液压机上加工出特大的锻件。等温模锻»把模具加热到毛坯的锻造温度，并且在整个模锻过程中模具和毛坯温度保持一致，这样便可以在很小变形力的作用下获得巨大的变形量。备料（分铸锭、挤压料）坯料/模具加热锻造开坯（自由锻件经1～2火锻造后可为产品）蚀洗修伤检查中间坯料加热预成型（经1～2火模压）切边蚀洗修伤检查中间坯料加热终压（有的锻件须经2～3火）切边蚀洗修伤检查固溶处理矫直/冷变形时效取样超声波探伤验收交货包装入库»热力学参数包括：变形温度、变形速率、变形程度和应力状态等。»选择合金锻造热力学参数的主要依据是相图、塑性图、变形抗力图和加工再结晶图。锻造温度范围»为了使合金在锻造时尽可能具有单相状态，以便提高工艺塑性和减小变形抗力，首先必须根据合金相图适当选择锻造温度范围。»必须通过各种合金的塑性图、变形抗力图和加工再结晶图加以准确化。变形速率»ε=V/H0，在工具运动速度一定时，毛坯高度愈小，变形速率愈大；毛坯尺寸相同，工具运动速度愈大，变形速率就愈大。»一部分合金化程度高的铝合金，随着从静载变形改为动载变形，工艺塑性会下降。这是由于其再结晶速度小，在动载变形时，加工硬化显著增大所致。变形程度»设备每一工作行程的变形程度一方面取决于锻件的形状，另一方面则取决于合金的工艺塑性。另外，还应避开临界变形程度。»总变形程度不仅决定了锻件的力学陛能，而且决定了锻件的纵向和横向力学性能差异大小，即各向异性大小。弹性变形»在外力作用下，材料内部产生应力，迫使原子离开平衡位置，使金属发生变形，并引起原子位能的增高。但原子有返回低位能的倾向。当外力停止作用后，应力消失，变形也随之消失。塑性变形»内应力超过金属的屈服点后，外力停止作用后，金属的变形并不完全消失。塑性变形后，组织将发生变化：⑴晶粒沿最大变形的方向伸长；⑵晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；⑶晶粒被破碎。性能出现冷作硬化现象：强度、硬度上升，而塑性、韧性下降。原因：滑移面附近的晶粒碎晶块，晶格扭曲畸变，增大滑移阻力，使滑移难以进行。