工业铝合金型材的生产

祝伟忠

（山东丛林铝材有限责任公司 山东 龙口 265705)

摘要：近几年来，挤压铝合金型材在工业领域内的应用越来越广泛。目前，在中国的铝型材生产企业中，工业用铝型材的生产存在研发能力不足和设备配套不完善等方面的问题，这些因素严重制约了我国工业用铝合金挤压型材的生产。本文着重论述了工业铝合金型材的特点、应用、生产工艺及生产工业铝合金型材中应注意的一些问题。

关键词：工业铝合金挤压型材生产工艺模具设计及制措

铝及其合金具有一系列优异特性，在金属材料的应用中铝材仅次于钢铁而居第二位。特别是第2 次世界大战后，铝材的应用从军事工业转向民用工业，继而进人人民生活的各个方面，成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生活水平的重要基础材料。社会需求量迅速增长，应用领域不断拓宽。

根据有关统计资料，我国已成为铝型材的净出口国。虽然我国已成为铝型材的生产和消费大国，但同世界铝型材生产强国间的差距还很大。我国铝型材消费主要集中在建筑业，占总消费量的85 ％左右，而国际上建筑业的铝型材平均消费量仅为66％。这种差距一方面反映了我国建筑业蓬勃发展对铝型材的巨大需求，另一方面也反映了我国在工业铝型材的生产和应用方面还比较落后，同时也预示着我国工业用铝合金型材存在着巨大的市场和发展空间。

工业铝型材是相对于建筑行业用铝型材来说的，具体应用领域包括航空航天、轨道车辆、机械制造、电子电气等领域。从国外铝型材挤压行业发展过程来看，随着生产力水平的不断提高，工业类挤压材应最终占据市场的主要需求和供给，部分欧美发达国家的工业型材比例甚至达60 ％以上，相对于国外目前铝挤压材市场来说，国内工业材的发展还有一定的欠缺。

工业铝型材相比较于建筑铝型材，有几个比较显著的特点：力学性能要求高，尺寸形位公差严格，对表面质量要求不高。由于工业铝型材一般作为承力结构件，故对材料的力学性能要求比较高，且稳定性要好；工业型材对尺寸及形位公差要求也比较高，因其要保证配合严密；由于工业型材相对于建筑型材来说，其装饰作用不如建筑型材，故对表面质量要求不是很高。

1 工业铝型材的特点

一般来讲，工业用铝挤压型材是指除建筑门窗、幕墙及室内外装饰用铝型材以外的所有铝挤压型材。大多数工业用铝挤压型材对型材断面、合金材料和性能都有特殊要求，并广泛应用于机器制造业、电子电器业、交通运输业和轻工业。

工业用铝型材主要为2XXX 、5XXX 、6XXX和7XXX 系合金，热处理状态大多为T4 、T5和T6，绝大多数产品不需要表面处理，但对合金成分、尺寸精度、机械性能和表面质量等有严格要求，属铝挤压型材领域内的高技术含量产品，对生产工艺和设备有较高的要求。

发达国家工业用铝挤压材占整个铝挤压材产量的比例较高（表1 ) ，而工业用铝挤压材中铝型材占半数以上。

从表1 中可以看出，我国和发达国家在工业用铝挤压型材应用方面的差距主要集中在交通运输业和机械制造业上，而这两个行业不仅铝型材的使用量较大，而且对铝挤压型材性能的要求很高，许多材料是作为结构件来使用，要求具有高强、高韧、耐磨、耐蚀、耐疲劳、易切削、可焊接、可表面处理等性能。从这个方面也看到了一中国工业用铝挤压型材的生产同世界先进水平的差距所在。

2 工业铝型材的发展趋势

在结构、装饰和功能方面，铝合金型材是一种永不衰败的材料。随着科学技术的进步和国民经济的发展，各种大型扁宽、薄壁、高精、复杂的实心和空心型材应运而生，成为许多重要领域，如航天航空、交通运输、现代汽车、电子电器、舰船兵器、空调散热器、电力能源、石油化工、机械制造等部门的首选材料。铝合金大、中型工业用的结构型材是当今世界短缺紧俏商品之一。由于供不应求，设计者和使用者不得不采用几根小型材接合成大、中型材或者改用木材、塑料、钢铁、铜材来代替，造成能源浪费、环境污染、成本增高，影响了国民经济的发展。为了改变这种局面，各国纷纷斥巨资新建或扩建35MN 以上的大、中型挤压生产线，21 世纪是大挤压机和铝合金大、中型挤压材发展的大好时机。

3 工业铝型材的生产工艺与关键技术

3.1 先进的主机设备及后部配套设施

我国铝型材行业经过20 多年的快速发展，生产技术和装备水平有了很大的提高，目前世界上先进的铝型材生产工艺及设备在国内大都能找到，如气滑铸造、矮结晶器铸造、大吨位双动油压挤压机、大吨位反向油压挤压机等。但是，某些企业虽然拥有非常先进的挤压生产线，但熔铸设备、热处理设备、模具加工设备落后，或者生产装备不配套，不适合生产工业用铝型材。工业用铝型材的特点是合金牌号多、一次汀货量少，然而许多企业没有专门适合于这种特点的熔铸设备，仍然使用生产建筑铝型材的熔铸设备来组织生产，不仅有诸多不便，而且生产成本高。有的企业热处理设备不配套，很难保证产品质量和成品率。凡此等等，都在制约着我国工业用铝挤压型材的生产和技术水平的提高。生产工业铝型材除要求有先进的主机设备外，对后部设备的要求也较高，重点体现在热处理设备和精整矫直设备上。先进高效的热处理设备是型材力学性能满足要求，缩短挤压工时，提高生产效率的保证。热处理设备包括在线精密水、雾、气淬火装置、淬火炉、时效炉等。精整矫直设备是型材的尺寸及形位公差达标的重要保证，主要有拉伸矫直设备、辊式矫直设备等。随着工业用铝型材的开发和生产越来越多地受到重视，最近几年一些企业正在建设或计划建设设备配套齐全的以生产工业用铝型材为主的车间或生产线，这些项目的建成投产将会大大提高我国工业用铝型材的生产技术水平。

3.2 挤压工艺及热处理工艺

生产工业用铝合金型材所用的铸锭要求比较严格，需要经过均匀化处理，使铸锭中的不平衡共晶组织在基体中分布趋于均匀，过饱和固溶元素从固溶体中析出，以达到消除铸造应力，提高铸锭塑性，减小变形抗力，改善加工产品的组织和性能。

铝合金挤压型材的生产工艺合理与否是保证型材达到力学性能设计指标的关键因素，同时也是型材形位偏差的决定性因素。特别是在超长（近30m 长）、宽截面、严公差的车体型材中，挤压工艺的合理性显得更为重要。

挤压工艺参数包括铸锭的加热温度、挤压速度、工模具的加热温度等等，合理的工艺是获得优良组织和性能的重要保证。同时，热处理工艺参数对型材的性能也有着重要的影响，为了获得高的力学性能，必须采用冷却强度较大，或冷却强度可调节的在线精密水、雾、气淬火装置。当淬火温度较低或淬火冷却强度不够时，型材会淬不上火或者力学性能达不到要求；而当人水温度过高或淬火冷却强度过大时，整个型材就会产生严重的扭曲或者弯曲变形，以致在以后的拉矫或辊矫时很难矫正过来。因此，在线精密淬火装置的设计、制造和淬火工艺的控制是十分重要的。对于不同合金、不同形状、不同壁厚的型材必须严格控制铸锭加热温度、挤压速度、挤压出口温度、型材人水温度、水压、水量、淬火槽出口温度等十几个工艺参数才能达到目的。时效工艺的也在很大程度上影响着型材的各种性能，有时甚至起着关键的作用。 3.3 模具设计及制造技术

近10 年来，我国的铝型材挤压工模具设计和制造技术水平得到了长足的发展和提高，基本可以满足铝型材生产的需要，一些企业引进了具有国际先进水平

的数控加工中心、电火花机床、线切割机床和热处理设备等。但相对于建筑用铝型材挤压模具来讲，口业用铝型材挤压模具的设计和制造要复杂得多。扁宽、薄壁、断面复杂、高翅、异型、多孔等是工业型材的特点，对工模具的设计和制造要求很高。我国只有少数企业有能力设计和制造难度较高的工业用型材挤压模具，但同发达国家相比，其使用寿命、尺寸精度、表面质量还有一定差距，例如我国现在还没有真正掌握扁挤压筒的设计和制造技术。只有缩小这种差距才能在根本上解决工业用铝型材的生产成本，提高铝型材企业的竞争力。在工业用铝型材挤压模具中，尤以大型工业铝型材挤压模具的设计和制造为难点。

大型模具的第一个特点是外形尺寸大，模具组的重量大，这大大增加了模具设计与制造难度，往往增大模具的破损率，这不仅会降低产品成品率，提高生产成本，而民会影响交货期，甚至无法生产，所以要特别引起重视。

大型模具的第二个特点是结构特殊，模腔形状和相关尺寸繁杂，设计要素多，影响因素复杂，挤压时的温度场、速度场和应力一应变场就难于控制。因此，用手工设计很难满足要求，在工业发达国家已普遍采用电子计算机辅助设计（CAD）技术。如德国VAW 公司的模具设计全由5 台CAD系统进行，取消了人工设计图纸，工效提高几十倍，且不易出差错，设计质量大大提高，模具一次合格率达70 ％以上。

大型模具的第三个特点是尺寸精度、硬度和表面光洁度很难得到保证，特别是宽而窄的模孔部分用传统的制模方法很难达到设计要求。因此，采用CNC 电火花加工、CNC 电火花线切割加工、CNC 加工中心系统、CNC 真空热处理系统、CNC 表面处理系统等技术来制造精度高、硬度适中、表面光洁的大型挤压模是十分必要的，而且实践证明是可行的。应大力推广应用，以提高大型材挤压技术水平。

大型模具的第四个特点是，通常是在挤压时要进行模具修理。这种工作，即使在小型挤压机上也需要多年的经验，可以说是挤压技术最难的问题之一。一般来说，新模具进行必要的修整，然后再过渡到正式生产。但有些形状特别，技术难度特别大的型材模具，往往要经过几次，乃至十几次的修整才能挤出合格的型材来。大型挤压模具的工作带很长，修模工作量大，所以修模时需要采用手挫、电挫或手工、电加工和超声波三合一的修模方法才能完成。修模人员的技术要求高度熟练，往往由于修模时用力过大或过小、修量过多或过少而造成型材质量不良，软合金或半硬合金挤压模具通过修理，可以较为容易地调节金属流动，但对硬合金型材，特别是有些形状十分复杂的型材，进行流速调节是十分困难的。 3.4 精整矫直工艺

工业铝合金型材的形位公差及尺寸公差要比建筑铝型材严格，单纯依靠通过挤压工艺及模具设计来调整很难达到要求，再加上挤压过程中的不可预料因素的作用，通常在生产中都要进行矫直。

由于绝大多数铝合金型材的断面形状都是非常复杂的，挤压过程中金属的流动不均匀性也较大，故其弯曲变形的形态、程度比较严重。铝合金型材的精整矫

直一般都采用拉伸矫直法。对于某些存在有角度、平面间隙、开口尺寸不合格的型材，还需要在多辊矫直机上，通过合理配辊，采用递减反弯矫直法进行矫正。

4 结论

铝及铝合金加工材作为质轻、耐腐蚀、比强度高、可回收利用的环保材料，正逐渐替代传统的钢铁材料而成为交通运输、机械制造、轻工业等的基础材料。我国工业用铝型材的发展虽然落后于建筑铝型材，但随着工业化程度的提高及全球制造业向我国的转移，工业铝型材的消费量将会以较快的速度增长。预计到2010年我国铝挤压型材年消费量将达到2600--2800 kt，其中工业用铝型材的需求增长速度将远远高于建筑铝型材的增长速度。为进一步推动我国工业铝型材的发展，铝挤压型材生产企业和行业管理部门必须认真分析世界铝合金材料、生产工艺技术和装备的发展方向，结合企业的实际技术和管理水平，在铝型材企业新一轮的技术改扩建过程中正确把握方向和机遇，在引进和消化先进生产设备的基础上保证各工序生产设备的配套完善，并要积极地引进先进的生产技术和专门人才，建立完善的研发体系和质量检测、保证体系，力争在较短的时期内取得工业铝型材生产和研发上的突破，只有这样我国才能成为真正意义上的铝型材生产大国、强国。 参考文献：略