铝合金模锻成形的优化方案

1.铝合金锻造的热力学参数

铝合金锻造的热力学参数主要有：变形温度、变形速度、变形程度等。它们对铝合金的可锻性和锻件的组织和性能有着重要的影响。

选择锻造热力学参数的主要依据是合金的相图、塑性图、变形抗力图和加工再结晶图。合理选择铝合金的热力学参数，对保证锻件成形及满足锻件组织与性能的要求，制定锻造工艺极为重要。

（1）锻造温度范围 依据铝合金的相图来适当地选择锻造温度范围，是为了获得铝合金在锻造时尽可能具有单相状态，从而提高工艺塑性和减少变形抗力。

对于合金化程度低的变形铝合金，如5A02、3A21等，当锻造温度为470～500℃时，强化相或过剩相一般均溶入固溶体，合金基体呈单相α固溶状态，在低于300～350℃温度时，会从α固溶体中沉淀出少量强化相，合金的塑性会发生显著变化。所以，这类合金应选择在工艺塑性无显著变化的300～500℃温度范围内锻造。

但是，对于合金化程度高的加工铝合金，例如7A04，由于其组成中绝大多数是过饱和的固溶体，随着锻造温度下降，强化相便从固溶体中析出，合金的显微组织呈明显的多相状态，使合金的工艺塑性明显降低。根据合金相组成随温度变化的规律，7A04合金在300℃左右时，合金中有较多的S相、T相和其他相，它们导致合金的塑性降低；在高于450℃时，由于合金中原子振动幅度大，晶界以及原子之间的结合削弱，合金的塑性又明显降低，所以，7A04合金最高塑性的温度范围应是400～450℃，最合适的锻造温度范围也应为400～450℃。

根据合金相组成随温度变化的规律确定的锻造温度范围，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确认。图8-1所示是三种不同铝合金的塑性图^[1]。

通过2A50、3A21、7A04及其他一系列铝合金工艺塑性研究表明，大多数铝合金在300～500℃的温度范围内都具有足够高的工艺塑性。

3A21、2A50、7A04三种合金在不同温度下的流动压力曲线如图8-2所示^[2]。由图可见，单位流动压力的数值主要和合金的种类及锻造温度有关，受变形程度的影响较小。

图8-1 三种铝合金的塑性图

选择合适的铝合金锻造温度范围，除了应保证合金具有较高的塑性、较低的变形抗力和足够宽的锻造温度范围外，还应保证锻件具有较高的力学性能和较细的晶粒组织。始锻温度一般应与合金熔点有一定温度间隔，否则快速锤击或大变形量锻造时，可能因坯料温度在局部地方超过始锻温度而开裂。在使用高能高速锤加工变形时，始锻温度应偏低些。

图8-2 三种铝合金的流动压力曲线

a）3A21合金 b）2A50合金 c）7A04合金

常用加工铝合金的锻造温度及加热规范见表8-1。

（2）变形速度 变形速度是指单位时间内应变的变化量，即ω=dε/dt

变形速度与锤头或压力机滑块的运动速度和坯料尺寸之间的关系如下：

式中v——锤头或压力机滑块的运动速度（m/s）；

H₀——毛坯原始高度（m）。

表8-1 铝合金的锻造温度及加热规范

因此，当安装在锤头或压力机滑块上的工具运动速度相同时，毛坯的高度愈小，变形速度愈大；毛坯的尺寸相同，工具的运动速度愈大，变形速度愈大。

各种锻压设备上的工具运动速度及金属变形速度的大致范围见表8-2。

研究表明，变形速度对铝合金的塑性和变形抗力有一定的影响，大多数铝合金随变形速度的增加，在锻造温度范围内的工艺塑性没有显著降低，这是因为变形速度增大所引起的加工硬化速度的增加，并没有超过该合金的再结晶速度，或略大于再结晶速度。但是，对化学成分比较复杂的铝合金，随着从静载变形转为动载变形，工艺塑性下降，每次允许变形程度由80%下降至40%，这是由于合金化学成分复杂，再结晶速度慢，在动载变形时，加工硬化明显造成的。此外，当从静载变形转为动载变形时，铝合金的变形抗力将增大0.5～2倍。

表8-2 各种锻压设备上的工具运动速度及金属变形速度

（3）变形程度

1）每一工作行程的变形程度。铝合金锻造时，在锻压设备每一工作行程内毛坯的变形程度应取多大，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，为了保证合金在锻造过程中不开裂，每一工作行程的变形程度应根据该合金的塑性图和所选择的变形温度、变形速度相当的塑性曲线来确定，这样确定的变形程度，即为每一行程允许的最大变形程度。另外，为了保证锻件具有细小的、均匀的晶粒组织，在设备每一工作行程内的变形程度，还应大于或小于再结晶图上相应温度下的临界变形程度，尤其要注意的是控制终锻温度下的变形程度不落入临界变形程度范围。

研究表明：铝合金的临界变形程度大都在12%～15%以内。所以，为了终锻时不出现粗晶组织，终锻温度下的变形程度应避免在12%～15%的范围内。

各种铝合金自由镦粗时的允许变形程度见表8-3。

表8-3 铝合金镦粗时的允许变形程度

2）总变形程度。铝合金铸锭在锻造过程中的总变形程度不仅决定了锻件的力学性能，而且决定了锻件纵向和横向力学性能差异的大小，即各向异性。

对铸锭进行的试验表明：在小变形和中等变形的情况下，纵向和横向的强度指标相差不多，但伸长率降低较大；当铸锭的总变形程度为60%～70%时，合金力学性能最高，性能的各向异性最小，原因是当变形程度超过60%以后，随变形程度的增加，横向力学性能由于纤维组织的形成而剧烈下降。所以，在锻造过程的各个阶段必须避免单方向的压缩变形为60%～70%。但是，对挤压棒材进行压扁时，结果则与铸锭相反。

在用铸锭作为锻件的原材料时，在满足锻件尺寸和形状要求的前提下，均应尽可能用小铸锭，因为，铸锭原始组织对锻件的组织和力学性能影响很大。

2.锻模设计

（1）螺旋压力机和水压机上模锻工艺和模具设计的特点

1）螺旋压力机上模锻工艺和模具设计的特点：

①螺旋压力机上模锻，通常用于单模膛的终锻，用其他设备进行制坯。

②螺旋压力机的行程不固定及有顶出装置，所以宜进行闭式模锻、精密模锻、长杆类锻件的镦锻，模锻斜度约1°。

③由于行程速度慢，金属在模膛内停留时间长，冷却快，因此充填模膛的能力较锤上模锻差一些。

④由于打击速度低，可以采用组合结构模具，从而简化模具制造过程，缩短生产周期并可节省模具钢和降低生产成本。

2）水压机上模锻工艺和模具设计特点：

①水压机上通常采用单模膛模锻。

②能够有效地锻出大型复杂的整体结构锻件，尤其是较难锻造的薄壁并带有加强筋的整体壁板锻件。

③在模锻过程中模具能够准确对合，并容易安装模具保温装置，使模具能维持较高温度，锻出精度高、质量稳定的锻件。

④由于水压机工作速度低而且可以控制，如模锻水压机工作速度通常为30～150mm/s，金属在慢速压力作用下流动均匀，获得的锻件组织也比较均匀。

⑤由于是在静载下变形，锻模结构可采用整体式或组合式。

（2）锻模结构 在锻模结构设计时应设计锻件图及飞边槽、导柱导套等。铝合金锻模材料常采用的有5CrNiMo、5CrMnMo、H13等，其热处理后硬度要求为44～48HRC。锻模结构一般可分为闭式锻模和开式锻模。

图8-3 闭式模锻

1）闭式锻模。闭式锻模的特点是型槽周围没有飞边槽，如图8-3所示^[2]。在锻件成形过程中，金属处于较强烈的三向不均匀压应力状态，塑性较好，易于成形，但用于闭式模锻的锻件外形没有开式模锻的锻件那么复杂，同时应注意避免在上模出现锐角。

2）开式锻模。开式锻模的特点是模槽周围有飞边槽相连，如图8-4所示。锻件成形过程中，金属流动分两个阶段：第一阶段充填型槽，并有少量金属流入飞边槽；第二阶段是锻件最终成形并将多余金属挤到飞边槽的仓部中去。

图8-4 开式模锻(www.xing528.com)

3.铝合金模锻工艺

（1）备料 铝合金模锻件采用的原坯料主要有：铸锭、轧制板坯与挤压毛坯。

铸锭主要用于某些大型锻件，在锻压前应对坯料表面进行机械加工，使其表面粗糙度Ra不大于10μm，以防止锻造时引起裂纹等缺陷。

轧制板坯与挤压毛坯表面不允许有裂纹、折叠、夹杂、气泡、分层、腐蚀点和较大机械损伤，对要求高的锻件，挤压毛坯表面的粗晶环应在锻造前予以去除。

在铝合金坯料下料时，要求原坯料端面平整无飞边，长度方向精度合格。当锯削表面成为锻件的非加工表面时，为保证锻件质量，锯削后的毛坯端面应在车床上再修平，端面锐棱应倒角或倒圆。

铝合金下料时，锯床、车床或铣床是最常用的设备。对于直径小、端面质量无要求的棒材坯料或厚度不大的方坯料可在冲床上用剪切模下料。下料时首先计算出坯料尺寸，然后由密度算出质量。

当用圆棒料作坯料时，毛坯体积V可按下式计算：

V=V₁+V₂

V₂=（S₁+KS₂）L

式中V₁——锻件体积（m³），按锻件图上名义尺寸计算并加上1/2的正公差；

V₂——飞边体积（m³）；

S₁——飞边桥部截面积（mm²）；

S₂——飞边仓部面积（mm²）；

K——飞边仓部充满系数，取决于锻件形状复杂程度，对于简单件K=0.25，对于中等复杂件K=0.5，对于复杂件K=0.75；

L——飞边截面重心轨迹长度（mm），实际计算时可取等于锻件分型线的周长。

（2）坯料加热规范 常采用电阻炉加热铝合金的毛坯，炉内最好带有强制空气循环装置，以加速热量传递使炉膛内温度分布均匀。在没有电阻炉时，可以使用煤气或油炉，但不允许火焰直接接触坯料以防止过烧，应严格控制燃料中的硫含量，以免高温下硫渗入晶界。

铝合金锻造温度范围窄，要求毛坯加热尽可能达到上限温度。为了防止电炉温度超差，电炉应配有自动控温仪表和报警装置，以便严格控制加热温度，使炉内温度不均匀性保持在±10℃以内。毛坯温度可采用光电测量仪、数字显示测温仪等进行测量。

铝合金的导热性良好，因此，任何尺寸的毛坯都可以直接放入炉膛内加热，不需要预热。铝合金的加热时间由强化相的溶解和获得均匀组织来确定，因为在这种状态下塑性最好。铝合金的加热保温时间，可按毛坯实际厚度计算确定。锻压过程中，毛坯趁热回炉加热，保温时间可比冷毛坯减少40%～50%，如果毛坯是淬火状态，其保温时间可按正常值增加25%。

锻造过程中因设备故障或其他原因而中途停工时，毛坯在炉温降至终锻温度下的炉腔中停留不可超过7h，继续锻压时，可将其升温到规定的温度后便可出炉。停工超过7h应切断电源，取出毛坯，待以后再锻造时重新装炉加热。

表8-1列出的常用铝合金的锻造温度范围和加热保温时间参数，可供参考。

（3）锻模预热 铝合金锻造用模具都要预热，其预热温度视所用锻造设备而定。使用锻锤或更高速的压力机时，模具通常预热至200℃左右，最好能预热到250℃或更高温度；使用速度较低的水压机、螺旋压力机时，对于模锻公差小或形状复杂的锻件，模具应预热到400～450℃。

锻模的预热还应根据锻模材料及其热处理淬火后回火温度来确定，应保证锻模在预热温度范围内硬度不变，力学性能良好。

模具在工作中需停工时应及时对其加热保温。

模具预热常用的方法有：专用电阻炉预热、红外加热、工频加热器加热以及可以移动的电加热器加热等。

（4）锻模润滑 因为在高温和外力作用下，铝合金在模锻时对钢有明显的粘附倾向，所以模锻铝合金时必须润滑型槽。

常用的润滑剂有：人造蜡、渗石墨的油、动物脂及气缸油等。

几种应用最广泛的润滑剂如下：

①油基石墨润滑剂（10%～20%石墨粉+80%～90%锭子油）；

②水基石墨润滑剂（1份石墨+15～30份水）；

③MoS₂油料混合润滑剂（5%MoS₂+20%石墨粉+10～40号机油）；

④玻璃防护润滑剂（低熔点玻璃粉30%+硅脂70%）。

（5）锻件的冷却与切边 铝合金锻件的冷却方法主要有水冷和散放空冷两种。水冷指把锻件放在冷水中冷却，散放空冷指把锻件按一定间隔放在工作地面上，在室温空气中冷却，但需注意不能放在潮湿的地方，也不能放在有过堂风的地方，以防锻件局部冷却过快引起变形等缺陷。

除尺寸较大或有特殊要求的铝锻件如航空材料中的7A04、7A09等只能散放空冷外，其余尺寸较小的铝锻件均可水冷或散放空冷。

模锻件切边可以在锻件冷却后进行，也可利用锻造余热进行切边以降低切边所需的切边力。值得一提的是铝合金锻件锻造后应及时切除飞边，否则会出现时效强化，在切边处产生撕裂。

（6）锻件清理 由于各种原因，铝合金锻件在生产过程中，在锻件、原始毛坯、中间毛坯上存在一些局部表面缺陷，如裂纹、折叠、拉伤、起皮、残余飞边等，必须及时加以清除，否则，在后续工序中会使这些缺陷继续扩展，从而导致整个锻件报废。

铝合金锻件表面的清理，可用风动、电动小铣刀或布砂轮打磨，个别情况也可用风铲或刮刀清理，但不允许用砂轮和钢锉刀清理，因为铝合金材质较软，其切屑容易堵塞砂轮和锉刀，另一方面，细的粉末状切屑容易将缺陷掩盖而形成隐患。

打磨清理以后的锻件应再次进行低倍腐蚀检查，以便检查是否打磨彻底，如不彻底还需进行第二次清理，直到表面缺陷完全清除为止。

另外，对于铝合金预锻件的棱角部位也应进行打磨。

腐蚀是使用最多的一种清理方法，用以清除锻件表面残余的润滑剂、氧化薄膜和暴露在表面上的缺陷。

铝合金锻件的腐蚀工艺可查相关手册。

4.锻件的质量控制

铝合金锻件除形状与尺寸不对等缺陷外，其他最常见的缺陷及清除方法见表8-4。

表8-4 铝合金模锻件最常见的缺陷及清除方法

（续）

5.铝合金模锻件应用举例

图8-5所示为汽车支架类受力件，采用2A14铝合金锻造成形，已应用于汽车生产中。图8-6所示为飞机上的液压阀体零件，致密性要求高，采用2A50铝合金模锻成形，已应用于飞机制造中。图8-7所示为轿车安全气囊气体发生器压盖，采用7A04高强度铝合金，在双动或单动液压机上通过闭式精密挤压模锻成

图8-5 汽车支架类锻件

形，成功地应用于汽车生产中[3]。

图8-6 飞机液压阀体零件

图8-7 轿车安全气囊气体发生器压盖 （7A04合金）^[3]