铝加工技术的研究及发展趋势

牛荟晓 丁紫阳 袁文晓 李艳鹏 胡冠奇

(1.登电集团铝加工有限公司，河南 登封 452477;2.郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450002)

0 引言

近年来，随着社会的发展和科学技术的进步，对材料的要求也日益提高，节约资源、节省能源、改善环境越来越成为人类社会持续发展的必要条件。铝作为一种可回收再利用材料，铝及铝合金加工材料产业和技术获得了飞速的发展，成为许多国家的支柱产业之一。据报道，铝及铝合金加工产业是仅次于钢铁产业的第二大金属材料产业，不仅年产量大，而且品种规格已达数十万种之多，广泛用于国民经济和国防军工各部门、人民生活的各方面，已成为人类社会的重要基础材料之一。我国的原铝产量、铝加工材年产量、铝合金出口量大幅增加，已成为世界铝业大国、铝加工业大国。但是，我国铝产品加工在品种、质量、加工技术以及综合经济技术指标等方面还相对落后，与国际先进水平仍有一定差距。

1 铝加工主要技术

为了满足社会可持续发展的需求，世界原铝(包括再生铝)产量的85%以上被加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、粉、自由锻件、模锻件、铸件、压铸件、冲压件及其深加工件等铝及铝合金产品。目前，铝加工的主要技术有铸造法、塑性成型法和深加工法。

1.1 铸造法

铸造法就是将符合铸造要求的液态金属通过一系列转注工具浇入到一定形状的铸模中，冷却后得到一定形状和尺寸铸锭的方法。目前比较常见的铝合金铸造加工方法有金属模铸造法、砂模铸造法、熔模铸造法、压力铸造法、低压铸造法、加氧压铸法等。

1.1.1 金属模铸造法

金属模铸造俗称硬模铸造，是用金属材料制造铸件，并在重力下将熔融金属浇入铸型获得铸件的工艺方法。由于金属模铸造法可以使用型芯，利用金属模的急剧冷却能够得到致密良好的铸件，故金属模铸造法广泛用于铝合金铸造。金属型铸造既适用于大批量生产形状复杂的铝合金、镁合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。

1.1.2 砂模铸造法

砂模铸造即采用砂粒、粘土及其他辅助材料制成铸型的铸造方法。铝铸件成型过程是金属与铸型相互作用的过程。铝合金液注入铸型后将热量传递给铸型，砂模铸型受到液体金属的热作用、机械作用、化学作用。因此要获得优质的铸件除严格掌握熔炼工艺外，还必须正确设计型(芯)砂的配比、造型及浇注等工艺。

1.1.3 熔模铸造法

熔模铸造法又称“失蜡铸造”。它是一种无分型面的特种铸造方法，是利用易熔材料制成模样，然后涂挂耐火材料，硬化后再将模样熔化排出型外，从而获得无分型面铸型的铸造方法。由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度，故又称“熔模精密铸造”。熔模铸造的工艺流程为：压型制造→蜡模压制→蜡模组装→浸涂料→撒砂→硬化及干燥→脱蜡→造型→焙烧→浇注→落砂及清理。

1.1.4 压力铸造法

压力铸造法就是将液态或半液态金属在高压的作用下，以极高的速度充填压铸型的型腔，并在压力作用下快速凝固而获得铸件的一种铸造方法。压力铸造法加工铝合金，不仅仅生产效率高，而且加工出来的铝合金制品质量好，尺寸精度高，力学性能好。但是压力铸造法也有缺点，如压铸的铝合金件易产生气孔、压铸设备投资高等。

1.1.5 低压铸造法

低压铸造法是是液态金属在反重力作用下，平稳地充填型腔并在较高压力下凝固结晶的一种铸造方法，充型压力一般为20～60KPa，故为低压铸造。低压铸造吸收了重力铸造中底注平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优点。不仅易于实现机械化生产，而且浇注系统简单。采用此种工艺方法生产的铸件力学性能优良、组织致密、缩松、缩孔以及气孔等缺陷少，明显优于传统重力铸件，常应用于较精密复杂的铝合金铸件。

1.1.6 加氧压铸法

加氧压铸法是将干燥的氧气充入压室和型腔取代其中的空气与其他气体后进行压铸的一种工艺方法。此方法常应用于铝合金加工中，其工艺原理是在铝合金制品压铸时，铝和氧气发生反应生成氧化铝，这样就可以减少铸造过程中产生的气孔，从而提高制品的致密度，提高其力学性能。

1.2 塑性成型法

铝及铝合金的塑性成型法就是利用铝及铝合金的良好塑性，在一定的温度、速度条件下，施加各种形式的外力，克服金属对于变形的抵抗，使其产生塑性变形，从而得到各种形状、规格尺寸和组织性能的铝及铝合金板、带、条、箔、管、棒、型、线和锻件等的加工方法。

1.2.1 平辊轧制法

平辊轧制，也称无槽轧制、圆边或弧边矩形轧制。该方法是用无槽轧辊生产铝合金棒材的一种方法，具有提高轧辊使用寿命、操作简单、变形均匀、成品表面缺陷少等优点。主要产品有热轧厚板;热轧带卷;连铸连轧板卷;冷轧带卷;彩色铝卷或铝板;铝箔卷等。

1.2.2 型辊轧制法

型辊轧制法即在刻有轧槽的轧辊中轧制各种型材。型辊轧制时，轧件沿其宽度上的压下量是不同的，因此变形更为复杂，与平辊轧制板材相比，不均匀变形是其显著特点之一。主要产品有热轧棒和铝杆;冷轧棒;异型材和异形棒材;冷轧管材和异形管;压型板和花纹板等。

1.2.3 挤压法

挤压法是将锭坯装入挤压筒中，通过挤压轴对金属施加压力，使其从给定形状和尺寸的模孔中挤出，产生塑性变形而获得所要求的挤压产品的一种加工方法。挤压法是最重要的压力加工方法之一，在产量和用途上铝挤压材(管、棒、型、线材)一直是仅次于铝轧制材(板、带、条、箔材)的铝合金材料。主要产品有铝合金棒材、管材、型材、线材及各种复合挤压材等。

1.2.4 拉拔法

拉拔法是对金属坯料施加拉力，使之通过模孔以获得与模孔截面尺寸、形状相同的制品[。拉拔法所得铝合金制品具有尺寸精确、表面光洁、设备简单等优点。主要产品有棒材和异形棒材;管材和异形管材;型材;线材等。

1.2.5 锻造法

锻造法是锻锤或压力机(机械的或液压的)通过锤头或压头对铝及铝合金铸锭或锻坯施加压力，是金属产生塑性变形的加工方法。铝合金锻造有自由锻和模锻两种基本方法。自由锻工艺灵活，工具简单，成本低，金属坯料可朝各个方向自由流动，不受限制，其形状和尺寸主要由操作者的技术来控制;模锻可以锻制较为复杂的制品，将金属坯料放在给定尺寸和形状的模具内。

1.2.6 冷冲法

冷冲法是利用安装在压力机上的模具，在室温下对板料施加压力使其变形和分离，从而获得具有一定形状、尺寸的零件的压力加工方法。因为它主要用于加工板料零件，所以也称板料冲压。冷冲压是少、无切屑加工方法之一，能冲压出其他加工工艺难以加工或无法加工的形状复杂的制件，例如，从仪表仪器小型零件到汽车覆盖件、纵梁等大型零件。冲压质量稳定，尺寸精度高，生产效率高。另外，冷冲压加工不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费用较低，但由于变形抗力大，故模锻一般用于中小型铝合金锻件的生产。

1.2.7 其它塑性成型方法

铝加工塑性成型法加工技术除了上述最基本的几种外，目前在铝加工中，半固态成形法，如半固态轧制、半固态挤压、半固态拉拔等;连续成形法，如连铸连挤、高速连铸轧、Conform连续挤压等;复合成形法，如层压轧制法、多坯料挤压法等。

正因为铝加工技术的多种多样，才使其能满足人民日常生活的多种产品要求。

1.3 深加工法

铝加工技术的深加工法就是将铸造法或塑性成型法所获得的半成品进一步通过表面处理或表面改性处理、机械加工或电加工、焊接或其他结合方法、剪断、冲切、拉弯、弯曲或其他冷加工方法、复合或腐蚀等方法加工成成品零件或部件的方法。铝材的深度加工对于提高产品的性能和质量，扩大产品的用途和拓宽市场，提高产品的附加值和利润、变废为宝和综合利用等都有十分重大的意义。

铝及铝合金加工技术的深度加工方法主要为表面处理法。由于铝的化学性质活泼，耐磨性差，腐蚀电位较负，腐蚀比较严重.采用表面处理可以提高防护性、装饰性和功能性，克服铝合金表面性能方面的缺点，扩大应用范围，延长使用寿命。铝加工常用的表面处理方法包括氧化上色、喷涂、化学氧化法、阳极氧化法、微弧氧化法、有机硅烷化处理、磷化底漆处理、电泳涂漆处理、金属涂层处理、电镀、离子注入及激光技术等。

2 铝加工技术研究进展

2.1 铝加工技术的现状

进入新世纪以来，世界铝及铝合金材料及其加工产业和技术获得了飞速的发展，成为许多国家和地区的支柱产业之一。总得来说，国内铝加工技术的现状是：

(1)铝加工企业虽然数量较多，但是自主创新能力较差，生产技术相对落后。在激烈的市场竞争和国家发展战略的宏观调控下，企业近年来逐渐从产量增长型向质量效益型，进而向技术创新型转变，为我国成为世界铝加工强国提供了发展机遇。近年来我国铝工业和有色金属工业整体实力不断提高，在国际市场的影响力和竞争力日益显现。

(2)国内铝加工行业资源消耗严重，污染较大。一些铝加工企业不规范的生产方式，会对环境造成一定程度的污染。中国铝加工业能耗指标与国外先进水平还存在较大差距，对业界既是挑战，又是发展的机遇。

(3)国内铝加工行业存在着产量增而不减、产能转而未移、产业调而难控的“三怪”现象。

(4)企业产品产业链短，市场竞争力不强，产品同质化严重。铝加工在建项目过多，产能过剩，行业竞争加剧，利润下降。技术水平低，研发实力弱，高端产品所占的比重少。

(5)随着社会的发展和科技的进步，人们对铝加工制品的要求不断提高。为了与工业发达国家接轨，国家发布了新的铝及铝合金加工制品相关的国家标准，对企业生产、保证产品的质量提出了更高的要求和新的要求，这将进一步规范铝加工行业的健康发展。

虽然近年来我国在提高铝材质量，铝加工技术方面做了大量工作，并有了很大的进步，但在总体来看，与世界先进水平仍有一定的差距。

在过去的2012年里，国内铝价低迷、铝产能过剩、下游消费疲软、成本上升等因素使充满艰难挑战的中国铝行业备受掣肘;同时，汽车轻量化、轨道交通、高端铝合金新材料、中外铝企合作等趋势使持续低谷的中国铝行业看到新的曙光，可谓跌宕起伏、精彩纷呈。

2.2 铝加工技术的发展趋势

近年来，铝及铝合金加工制品的应用日益扩大，向合金多样化、工艺多样化、产品多样化发展。国家工信部发布了《新材料产业“十二五”发展规划》。提出，要大力发展高强轻型合金材料专项工程，到2015年，关键新合金品种开发取得重大突破，形成高端铝合金材30万吨，基本满足大飞机、轨道交通、节能与新能源汽车等需求。总的来说，国内铝加工技术的发展趋势主要在于以下几个方面：

(1)产业重组升级、淘汰落后产能成为大趋势。通过合并，扩大规模，淘汰规模小、设备落后、开工不足和产品质量低劣的企业，企业将向着集团化、大型化、专业化、品牌化方向发展，以建成几个具有国际一流水平的大型综合性铝加工企业。

(2)产品结构发生大的调整，中高端和高科技产品将成为主流。进一步加快产业结构调整及实行精细化生产并提高高附加值产品的自给率。工业铝加工制品的消费量将逐年增长。中国作为正处于工业化中期的发展中国家，未来二三十年，正是步入中等发达国家，实现第三步战略目标的关键时期，而铝型材在产品轻量化、环保节能、性价比等方面有着无可比拟的优点，工业领域的应用空间将更大。

(3)技术创新将成为铝加工行业的重大推动力，并作为企业竞争力的核心。进一步完善提高各种铝加工工艺控制技术水平，重视新一代高性能铝合金材料的开发创新。随着国家产业政策、产业结构调整以及消费者对产品品质要求的提高，铝加工行业粗放型、附加值低的现状逐步改变，跨越以数量增长为特征的初级发展阶段，开始进入了技术创新，研发新产品、新工艺以提高产品内在质量、丰富产品种类、依靠综合实力参与市场竞争的新阶段。

3 结语

随着全球范围内的能源、资源紧缺以及各国对环境保护的日益重视，对轻量化的需求的与日剧增，铝合金作为一种可回收再生利用资源，必然会受到越来越广泛的关注、研究和使用。通过对铝加工技术的不断改革和创新，将会研发出更多高性能的铝合金，方便人们的生活。目前，我国处于铝加工技术发展的机遇期，发展前景好，把握好发展机遇，我国不仅是铝业大国，而且能成为铝加工强国。

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