铝合金材料的应用及其加工成形技术



铝合金的密度非常低,但是铝合金的强度却非常高,在相同类型的钢材中,比较而言铝合金的材料体积更小,但是质量更强,安全性能更高,并且具有良好的抗压性能,属于高科技现代化绿色产品,存在着非常良好的应用前景。

上海百工吉门窗幕墙有限公司于2021年11月6日(周六)举行了全生产线范围的技术培训。以下为车间同事撰写的学习总结:

1 铝合金材料特点

(1)铝合金密度小。铝合金的密度非常小,其对应的密度为 2.7 g/cm3,而在同样的生产过程中,拥有广泛应用的高密度为 7.8 g/cm3,所以锂合金的实际密度与钢比较只占 1/3 左右。

(2)良好的力学性能。铝合金具有非常良好的力学性能,铝合金中添加了一定的强化元素,对于纯铝而言它具有更低的密度,并且更好的塑造性对于铝合金来说能够形成高强度的材料在使用过程中,相较于其他合金材料具有更加广泛的应用市场。

(3)铝合金的耐腐蚀性能较强。铝合金的耐腐蚀性能可以通过一定的实验数据来表现在一定的实验当中,铝合金长时间暴露在大气中能够及时的在表面形成一种自我保护的氧化膜,该氧化膜则对铝合金的表面起到了非常良好的固定和保护作用,避免其在进一步氧化的同时,增强其耐腐蚀性能。

(4)铝合金的导热性能良好。铝合金良好的导热性对于纯铝来说是所不能企及的。在众多的金属元素之中,铝合金的导热性能非常强,并且可以广泛的应用于取暖器以及散热器的制造当中。

(5)除了以上一些明显的特征之外,铝合金的装饰性能也非常强,因为铝合金的可塑性较强,所以铝合金的应用规格以及应用形状都可以进行一定的加工,在其表面进行不同颜色的膜层处理可以将其良好的装饰性能展现出来。

2 铝合金加工成形及应用

2.1 铝合金加工成形技术

(1)铝合金铸造。铸造技术是将铝合金熔化成熔

体,在熔化过程中利用铝合金良好的填充性能及流动性能将铝合金浇铸到各式各样的模具当中,以制造出各种复杂的气密性载体或零件,如铸造出一些铝合金零件,支架箱体或轴轮的,可应用于交通等工业领域。

(2)轧压成形。铝合金的成形技术还包括扎压成形技术,轧制成形技术是依靠摩擦力而被拉进一个旋转的。空间中借助压力来使其横断面逐渐减小而形成形变厚度随着一定的压力增加或长度增加而产生的一种形变过程。根据产品的种类可以分为棒材货管材以及带材等,热轧则是在高温过程中利用杂质成形的一种状态,利用明显的降低耗能。同时提高生产效率来赢取良好的经济效益。在这样的过程中,可以使铝合金材料具有效率,高性能优良等特点,并且这样的方式可以用在易拉罐或汽车车身板的铸造当中,可以极大地提高产品的生产效率。

(3)挤压成形技术。铝合金的挤压成形技术是将定胚装入挤压筒中。通过轴承压力对金属施加的过程来确定形状和尺寸的模板,在产生塑性形变的过程当中,利用压力加工产生铝合金的不同形状。利用挤压成形技术不仅仅可以生产一些管状或棒状的铝合金产品,还可以利用断面等形状形成复杂的空心或实心材料,在不断的挤压过程中可以用于制备倒现货铝管材等物质,例如导电管以及暖水管等。

(4)3D 打印。3D 打印技术是近年来新兴的一种零件生产技术,利用金属零件的 3D 打印模式,建立三维图形数据模型,然后利用切片或软件等。对模型进行分层,从而得到各个轮廓和各个二维面的数据,随后利用高能激光束聚焦每一层的金属粉末扫描熔化这儿堆叠形成三维金属零件。在发展过程中与武器装备等模具制造行业中有非常广阔的应用前景。

2.2 铝合金应用

(1)航空航天。铝合金的应用范围非常广阔,其中铝合金用于飞机制造是航空发展行业中的主要原料。

飞机上的起落架和蒙皮都可以利用铝合金来制造,在波音科技中所采用的铝合金重量占道约 81%左右。另外在航天飞行船中应用的燃料箱或仪器舱等也都是利用铝合金所制造而成。
(2)交通行业。随着我国交通行业的不断迅猛发展,汽车轻量化是节能减排的重要关键,所以铝合金作为一种性能优良的轻质材料在我国的汽车发展制造业中成为了材料的首选,并且在铸造过程中铝合金多数用于制造发动机以及轮胎轴承等零件。变形的铝合金材料则主要应用于行李箱或车身面板以及车门保险杠等部分的构造,汽车内外板上都可以利用铝合金来代替钢板,可以大大的减轻汽车的重量,并且铝合金对减重效果非常明显,还能够促进汽车的节能减排发展。

(3)包装领域。锂合金的应用范围可谓非常广泛,我们日常生活中所使用的一些生活必需品例如桶或易拉罐等物质都需要进行轻质包装,这些包装都是利用铝合金材料构成的广泛的被应用于各大行业的生产包装当中,例如饮料,食品以及香烟药品或化妆品等工业生产过程中,极大地减轻了人们的生活负担,为各大行业的工业制造发展带来了新的发展机遇。

(4)建筑行业。建筑行业时,我国发展过程中的重要发展。支撑行业在此过程中,建筑行业多利用铝合金材料来进行门窗设计,在足够的耐腐蚀性和高强度抗压性的基础上,选取铝合金材料来进行装饰,可以使得房屋建筑过程中的门框和窗框以及吊顶等装饰部件形成高强度高抗压性的房屋组成部分。

(5)电子领域。电子领域发展过程中,随着现代科技技术的智能化有着充分发展的潜能,铝合金的广泛应用是借助于其导电性的特点。铝合金的坚固性以及方便着色性和耐热性及散热性非常良好使,得在手机以及一些移动电源中广泛被应用,电子元件中铝合金的应用既减轻了电子行业的金属使用负担,同时还促进了铝合金行业的进一步发展。

3 结语

总而言之,铝合金的应用及加工材料已经成为了现代工业发展的重要应用材料,在未来发展过程中不断优化和改善将使得整个生产制造工艺中的铝合金质量逐渐提高,并且进一步满足我国各大领域的发展需求具有十分广阔的科学推动作用。

参考文献

[1]张新明,邓运来,张勇.高强铝合金的发展及其材料的制备
加工技术[J].金属学报,2015,(12):257-271.
[2]刘静安.浅议铝合金材料及加工工业与技术的发展动向
[J].铝加工,2012,(32):4-13.

第二篇,作者:李杰

1 铝合金材料的特点

(1) 铝合金的密度相对较小。其密度为2.7 g/cm3,而同样在工业生产中有着广泛应用的钢密度为7.8 g/cm3,铝合金

的密度为钢的1/3左右。正是因为这一特性,使得铝合金能够满足航空航天、汽车制造、建筑等领域中相关装备的轻量化需求,进而有了较为广泛的应用,通过应用铝合金材料可以对运输费用与加工费用进行一定程度的降低,从而节约施工或者制造成本。

(2) 铝合金具有较好的力学性能。对于纯铝而言,它具有密度低、塑性好的优势,然而纯铝的强度相对较低,因此往纯铝中添加一定的强化元素,例如锌元素、镁元素以及铜元素等,使其成为强度较高的铝合金,其强度可以达到普通钢铁的强度,因此可以将之运用与航空航天、交通运输等领域有着一定程度的应用,并能满足其高强度需求。

(3) 耐腐蚀性好。当铝合金长时间暴露在大气中时,在铝合金的表面能够形成一层氧化膜,氧化膜对铝合金表面起到一定程度的保护作用,避免其进一步被氧化。

(4) 铝合金具有较好的导热性能。就纯铝而言,其导热性相对较高,在诸多金属元素之中,仅次于银、金、铜的导热性能,而铝合金很好地继承了纯铝的导热性能,使其在散热器、取暖器等热能转化设备的制造中有着广泛地应用。

(5) 除了上述的几个明显特性之外,铝合金还具有一定的装饰性,主要是因为铝合金可塑性强,可用其对各种规格、各种形状的产品进行有效的加工,且可以对其表面进行一定程度的处理使其生成不同颜色的膜层,进而起到优良的装饰作用。

2 铝合金的应用领域

(1) 航空航天领域 :铝合金结构在飞机的制造生产中有着十分广泛地应用,这主要得益于其优秀的结构特性。同时在飞机的配件中,铝合金材料也有着较为广泛地使用,例如蒙皮、起落架等。在航天领域,铝合金也被作为重要材料使用。例如美国的“阿波罗”号飞船的燃料箱、仪器仓等都是运用铝合金材料制造而成的。

(2) 汽车领域 :现阶段汽车制造呈现出轻量化的发展趋势,而铝合金材料的密度较小,是一种性能十分优良的轻质材料,因此在汽车轻量化发展的进程中成为主要的材料,例如发动机气体缸、轮毂等零件大多用铝合金材料制作而成的。除此之外,变形铝合金在汽车制造领域也有着广泛地应用。将铝合金板代替原先的钢板应用在汽车内外板的制造方面,可以对车身重量进行一定程度的减轻,一般可以减轻40%~50%左右。

(3) 建筑领域 :铝合金材料具有耐腐性、高强性等优良特性,这些优良特性体现在建筑行业中表现为高焊接性能与工艺性能,在建筑物构架、门窗与吊顶中都有着十分广泛地运用。除此之外,铝合金材料具有一定的装饰性,通过对其表面进行一定程度的处理使其生成不同颜色的膜层,因此可以将铝合金材料加工成不同形状、不同颜色的装饰品,在建筑物设计与制造中起到有效的装饰作用。

(4) 电子领域 :铝合金具有良好的导热导电性能,因此可以将之运用到各种类型的电线与导线的制备中 ;同时,铝合金材料还有很强的耐用性、易着色性、散热性等优良特性,且投入成本较低,因此它在手机、平板电脑、电视的外壳与电子元件制造领域有着一定程度的应用。

(5) 包装领域 :铝合金材料具有一定的易塑性,在包装领域中可以被制备成易拉罐、瓶、桶等,在饮料包装。化妆品包装、药品包装、香烟包装与工业产品包装中应用广泛。

3 铝合金加工成形技术

3.1 铸造

铝合金的铸造过程即首先对铝合金进行一定程度的熔化处理,使其成为溶体,在此基础之上利用铝合金溶体良好的流动性与可填充性将之浇铸到不同形状的模具当中去,从而形成各种零件,在这一过程中需要注意对厚度、气密、荷载承受性能进行有效的控制,使其能满足铸造需求。通过铸造所形成的铝合金零件,例如缸体、支架、箱体、轮毂等,可用于各个领域的生产与安装当中。

3.2 轧制

轧制流程如下,首先锭坯受到摩擦力的作用进入到处于旋转状态的轧辊间,在轧辊间中锭坯会收到一定的压力,在压力的作用之下其横截面逐渐减小并同时在形状上在发生一定程度的变化,除此之外,压力会促使锭坯的厚度减小并使其长度增加。从本质上来看,轧制过程其实是一个塑性变形的过程。轧制又可以进一步细分为热轧与冷轧,热轧是在保持被轧制金属处于高温状态下的形式,高温环境保证了产品质量的稳定性,同时也可以对生产效率进行一定程度地提升,具有良好的经济效益。而对于冷轧而言,这种轧制方式一般用于铝合金薄板、铝箔毛料的生产中。

3.3 挤压

铝合金材料的挤压主要的是将锭坯装入到挤压筒之中,挤压筒会不断向金属施加一定的压力,便将其从给定形状与尺寸的模孔中挤出,进而产生塑性变形使其成为所需形状与尺寸的产品。通过对铝合金采取挤压成形工序,可以对铝合金的变形能力进行显著地提高,进而对铝合金的组织与性能做出有效改善。一般情况下,铝合金挤压成形不仅可以对管、棒、带等形状相对简单的产品进行生产,同时还能够生产断面形状非常复杂的实心和空心型材,以及阶段变断面和逐渐变断面型材。

3.4 3D打印技术

3D打印技术是一种新型的金属成形技术,其距离主要如下 :首先应用三维建模软件对数据进行建模,形成三维数据模型,以此为基础进行分层处理,通过分层处理可以获取各个截面的二维轮廓数据,然后再对高能激光束进行一定程度的利用,通过其对金属粉末进行扫描溶化处理,并将分层不断进行叠加,最终会形成三维金属零件3D打印技术具有一次成形、快速柔性以及高效的特点。当前状况下,3D打印技术已经在铝合金航天部件生产、武器装备以及模具制造等领域中有了一定程度地应用。

4 结语

本文主要针对铝合金材料的应用及其加工成形技术进行研究与分析。首先对铝合金材料的特性特点与主要的应用领域进行了一定程度上的阐述,然后在此基础之上从铸造成形、轧制成形、挤压成形以及3D打印成形四个方面分析了铝合金加工成形技术。综上所述,铝合金材料凭借着自身的优良特性,使其在航空航天、汽车制造、建筑、生产包装等领域中有着广泛的应用。未来需要进一步改善与优化铝合金的生产工艺,进一步提升铝合金质量,满足各个领域的需求,具有十分广阔的发展前景。

参考文献

[1] 曾苏民.我国铝加工业发展趋势[J].中国有色金属学报,2004 (S1):179-181.
[2] 张新明,邓运来,张勇.高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术[J].金属学报,2015 (3):257-271.
[3] 刘静安.浅议铝合金材料及加工工业与技术的发展动向 (下) [J].铝加工,2012 (2):4-13.
[4] 刘静安,刘志铭.铝合金挤压工业及技术和装备发展现状与趋势[J].铝加工,2008 (2):4-8.

第三篇,作者:周天波

铝合金是现在国内工业生产中大范围生产并大范围的投入到使用中去的一种材料,其拥有许多材料所不能拥有的良好性质,例如,铝合金的密度低但是强度却很高,相比于同类型的钢材而言,铝合金材料将以同体积更小的质量以及更大的安全性能、抗压性能为各种工程施工、高科技产品提供良好的物理支持。部分铝合金还可以在热处理的作用下实现更大硬度的体现。由于是铝合金,必然会加入一些其他元素来弥补铝材料的不组之处,通常我们加入的元素有铜、镁、锌、硅等元素,这类元素较为普遍,易于得到,且在铝合金中占有的百分比也十分的小,相比于其它合金而言,具有更强的经济效益。

无论是从宏观来看还是微观来看,铝合金材料都在不同方面出现了不良的性质,这将导致利用铝合金材料生产出来的东西始终不能够站上国际前沿,也始终不能完美契合环保的标准,在使用和销售的过程中也往往会受到这些不利于应用的性质影响。例如易变性这一性质 :铝合金确实是有着超高的硬度以及超高的抗压能力,但是由于铝合金在生产出来后,合金内部的各类原子依旧不断地在进行着碰撞,发生着剧烈的反应,当反应达到了一定的限度,一旦合金外表受到外界的一些创伤,就会导致合金整体受到破坏,也就是变形。

这不仅会影响设备的使用,也不利于再次回收利用。在几十年的发展历程中,铝合金的类型也多种多样,不同牌号的以及不同类型的铝合金材料分别根据其特有的性质被使用在了不同的方面,例如 1050 通常被使用在食品、化学以及在酿造工业中需要使用到的挤压盘管、各类软管方面 ;再例如 3004通常被用在易拉罐罐身的制作上,相比于用来制作厨具、运输工具或是加工管道的 3003 而言,3004 具有更高的强度,能够被用来做一些需要高抗压能力的零部件或是特殊化学产品的运输以及储存,在各大建筑行业也有广泛的使用。

1 铝合金在各行各业中的应用

(1)铝合金在航天领域中的应用。铝合金在航天领域的应用十分的广泛。例如 :2014 号由于其高强度的抗压和抗高温,所以在航天航空材料的制作上一般被使用于制作火箭的第一级燃料槽以及部分火箭的零部件 ;2048 和 2124 都被用来制作航天器的结构部件 ;2218 则用来使用在飞机的发动机以及柴油发动机活塞这部分 ;2219 由于其能够承受的外部温度跨度性很广,在零下 270° ~300°这个范围,拥有十分良好的焊接性,在 T8 状态还呈现出了十分优良的抗应力腐蚀开裂能力,所以在航天航空中通常被利用作为火箭中放置氧化剂的槽口中,在超音速飞机的结构制作中承担了蒙皮材料和部分零部件的使用 ;5052 号铝合金材料不仅具有良好的可塑性,同时还具备一定的加工性能,能够方便后期的处理、加工,改变其原有的性能,并且还具有良好的抗腐蚀性以及一定的静态强度,在航天航空中通常被用来制造飞机的油箱,运输燃油的管道等 ;7072 具有较强的可塑性,能够被压缩成为极薄的铝箔,通常与其他牌号的铝合金共同使用,包裹在其外面有助于加强其他铝合金材料的各项性能。

(2)铝合金在汽车产业中的应用。将铝合金应用在汽车产业中最主要的是降低了汽车的质量并在其他方面提供了有效的改善、支持和增强。在汽车的制造上使用了新的材料、新的技术,从源头上进行了环保处理[1]。有相关研究表明,当汽车本身的质量降低一百千克,就能够使汽车每行驶一千米的燃油量下降零点七升,但从数据来看似乎没有大的改变,但是从宏观来看,在一年内能够相较于以前产生较好的减污效果。所以如何减少汽车本身的质量也成为了现在汽车材料研究的热点内容。

减少汽车自身重量的方式有三种,第一种是将汽车的形状变小,发行小排量的汽车,这对于部分人群而言有一定的使用价值,但对于有特殊汽车外形要求,特殊汽车性能要求的人群而言,这样的汽车远远达不到标准,也就不能做到大范围的普及 ;第二种是从汽车的结构上进行优化,通过重新设计个方面的结构造型以及更换部分零部件来达到减少汽车自身重量的效果 ;第三种是采用更轻的金属材料,也就是铝合金来进行汽车的生产。

相比于以往的汽车制造材料,铝合金材料同样呈现出了质量小、强度大、抗压能力强、抗冲击能力强、回收率高等优秀的性质,甚至有专家声称,未来的铝合金材料有可能拥有比塑料还要小的质量。虽然以目前国内的技术来看,我们并不能将所有的钢材、铁材更换成为铝合金,但是由于铝合金的质量只占钢铁的三分之一,当我们极大限度的使用铝合金后,汽车的总质量也会下降一半。而且铝合金由于有铝元素的优质性能,同样能够在金属外表皮形成一层极不活泼的致密氧化层,所以铝合金是永远不会生锈的,这不仅提高了汽车的使用年限和安全性能同时也提升了汽车的美观程度,具有较好的可行性。具体优势还体现在 :将铝合金应用在汽车的变速器外壳以及汽油泵、化油器等汽车结构中,能够实现减重、高强度并且耐腐蚀的性质 ;使用在发动机活塞以及气缸赛中能够在原有的基础上增添较好的散热性能,减少了因为散热原因而导致的汽车温度过高而产生故障的情况 ;利用在车圈上同样是具有减重、优良散热性质以及良好外观的优点。以现在国内的技术,铝合金应用于汽车制造上出现的不良因素也很多 :铝合金虽然具有良好的抗压能力,但由于金属内部反应剧烈,容易在表面出现细小的裂纹,且不易被肉眼察觉,一旦这些裂纹数达到了一定的标准,则会发生变形;在锻造的过程中若是技术没有达到,极容易出现沙眼 ;材料本身的价格以及加工费用都较高,制造出来的汽车呈现较高的价格,对于中国而言大部分人还是消费不起这样的汽车,且若是由铝合金为主要制造材料的汽车得不到普及,其修理点也会十分的稀少,进一步加大了购买汽车的成本。

2 如何进一步控制铝合金的加工变形

控制铝合金的加工变形的方法、技术有许多种,现目前国内常用的主要有三种,它们分别是 :高速切削技术、电流变技术、激光加工技术。

①高速切削技术。一般而言,在常规的切削速度范围内,温度会随着切削速度的增加而升高,当达到了一个阈值后则会在这个极限值后温度随着切削速度的增加而逐渐减小,具体的阈值以及温度变化将根据物质的性质而定。利用高速切削技术试将切削的速度从常规速度变为了常规速度的五至十倍,以每分钟一千五百米到五千米的速度进行切割能够有效地改善在铝合金零件在进行加工过程中呈现切削热和夹紧力的问题。②电流变技术。电流变技术也被称为ER 技术,实现目前国内较为流行的一种新兴技术。理论上来讲,电流变技术是利用了一些特殊的、具有特殊性质的液体通过电铲的作用实现电流变效应的,工作人员有效的利用这种效应并配合电场的作用和液体的粘度,即可使液体在某一特定的范围中拥有固体的部分属性,也就具备了一定的抗剪切性能。这个过程十分的容易控制,能够准确地对铝材料零部件实现定位以及安装,呈现了较高的精准度,同时减少了铝材料在进行切割过程中变形的可能性。

3 结语

铝合金具有着许多其它合金材料所不能达到的优质性能,在人们的日常生活中、科学技术发展中都做出了很大的贡献,但是目前由于国内合金材料研究、生产技术还有所欠缺,还需要我们不断地深入研究,为国内铝合金材料的发展做出贡献。

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