熔铸工艺有:
(一)应用计算机:采用数学模型计算最佳燃料控制系统,据报道,采用了可变配氧气/空气/燃料喷嘴能够做到提高熔炼速度、降低燃料消耗,提高了耐火材料寿命。
(二)研究静置炉夹杂问题:熔池中温度不均匀造成铝水对流,大夹杂物不受铝水对流影响,小夹杂物是缓慢沉淀所致,在机理上不同,因此提供的数据可用来改进静置炉几何形状。
(三)研究铸造2000系列、6000系列、7000系列合金中的宏观偏析问题。
(四)对电子计算机控制的铸造车间采用了计算机辅助生产系统,并配有许多过程控制器和控制网络。
(五)开展对铝水除气剂的研究,目前较为理想的是SF6。
(六)开展对多孔耐火材料在线除气系统的研究,目前,熔炼工艺系统多采用SNIF和ALPUR。
(七)对连铸连轧机生产薄板及铝合金板的研究,英国戴维公司和牛津大学联合开发第二代双辊连铸机,具有高速和能生产较薄板的特点。
二、晶粒细化在铝工业中应大力推广
在铝及铝合金熔炼时,由于金相组织改变所产生的内应力往往使金属铸锭产生裂纹,从而使铝加工成材率大幅度降低,提高了铝加工材成本,为了解决这个问题,必须使金属最终凝固时金相组织晶粒细化,消除柱状晶组织,以减少铸锭裂纹提高铸锭的塑性,因而,研制和推广铝合金晶粒细化剂就成为铝工业发展和技术进步的需要,铝合金晶粒细化剂种类较多,如铝钛硼细化剂、钛硼细化剂、铝钛碳细化剂及铝钛中间合金等。关于铝合金晶粒细化剂的作用机理,目前尚无完整理论,各国均在开展这方面研究工作。
铝合金晶粒细化剂在我国应用较晚,近几年,由于国外引进生产线的工艺要求,才在部分铝材生产中开始应用,对它的作用也开始认识,1986年,东北工学院在国内研制成棒状Al-Ti-B细化剂,并于1987年批量生产供应国内铝材加工企业使用,以后,在涿县、沈阳、郑州等地也开始了晶粒细化剂的研制和生产,而且在应用方面也取得了一定的成绩。
三、用激光加工铝材技术
用CO2激光照射铝及铝合金材料,有95%的光被反射,但是,铝表面一旦熔化,形成熔池,吸收光能的能力急剧增加,利用这种现象可解决铝表面反光率高的问题,激光铝材切割机就是基于这一原理设计的。
目前,用功率为1kW的激光铝材切割机只能切3mm厚的5052铝合金析,而切割钢材却能切9mm厚的板材。
这种铝材激光切割机除采用凸透镜聚光外,为吹走残渣实现无屑切割,还采用双得气体喷嘴。用激光脉冲焊接薄板,可焊接的厚度达2~100μm。
用激光对铝表面进行蚀刻加工和通过激光表面熔融焊接法来改进铝材表面的质量。激光加工铝材正在开发中,为克服铝导热快的缺点,正在开发大功率激光铝材加工机和三维激光切割铝材设备。
四、铝合金表面改质技术
铝合金的比强度大,加工性、抗蚀性好,被广泛用于许多产品上,近年来对这些产品性能要求提高,所以也要求铝合金在耐磨耗性、耐热性抗腐蚀方面有更高功能,特别是对汽车轻量化要求的提高,更需要铝合金表面改质技术。
各种铝合金表面改质技术见表1。
表1 铝合金表面改质法及其特点
改质方法 | 使用热源 | 改善的性能 | 同母材密合性 | 改质速度/mm·s-1 |
熔融淬火法 | 电子束激光弧焊 | 耐磨耗性耐磨耗性耐冲击性 | 良 好 | 约1.5约10.15~0.5 |
熔融合金化法 | 电子束激光等离子TIG、MIC | 耐磨耗性表面硬化表面硬化表面硬化耐磨耗性 | 对溶化合金添加Ni、Cu、Si等金属粉末时良好,只用陶瓷粉末时差 | 约1.5约1约10.15~0.50.5~1 |
喷 镀 | 熔丝喷镀等离子可燃气 | 耐磨耗性表面硬化表面硬化 | 较 差 | -15~0.50.15~0.5 |
五、铝锂合金研究
由于锂的密度小,所以向铝中每添加1%锂可使其密度下降3%,而刚度可增加1%,相应结构质量减轻10%~65%,而焊接结构的质量则可下降20%~25%,铝锂合金材料的成本只有聚合物复合材料的1/10。以原苏联为例,其生产的铝-锂合金半成品见表2。
表2 原苏联批量生产的铝-锂合金1420、1450、1440半成品
产品种类 | 批量生产的材料尺寸 | 产品种类 | 批量生产的材料尺寸 |
挤压材料 | 薄壁型材壁厚≥1mm纵梁,长度≤30mm大型型材,横断面积≤200cm2,长度≤6m | 厚 板 | 厚20~60mm,宽1.2~2m,长≤6m |
薄 板 | 厚1.2~3.0mm,宽1.2~1.8m,长≤7m | ||
锻 件 | ≤200kg,厚≤120mm,投影面积≤6000cm2 |
六、一种新型铝合金轮毂
汽车轮毂用铝合金的工艺已成熟,同时其重量只有钢轮毂的50%左右,KS6161合金被认为是一种较为理想的汽车轮毂铝合金。KS6161合金及其他合金力学性能见表3。
表3 KS6161合金及其他合金的力学性能比较
合金及状态 | 原材料 | 制 品 | |||||||
母 材 | 母 材 | 焊接接头 | |||||||
σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/% | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/% | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/% | |
KS6161-W6061-W5052-O6061-T6 | 192244190- | 8412582- | 312630- | 324 250298 | 304-157275 | 13-1714 | 147-80149 | 9-228 |
七、铝基复合材料发展
铝基复合材料方面有两个值得重视的发展方向是:铝基复合材料和铺层材料。铝基复合材料是由铝基合金和嵌入其中的高强度纤维组成。纤维包括长纤维、短纤维和晶须或微粒,扩大铝基纤维加强复合材料应用范围的决定因素是纤维价格和生产费用这两方面。目前发展的一种铺层复合材料是由铝带和纤维强化的塑料带粘接在一起制成的复层材料。
铝基复合材料的应用大致如下:
(一)在宇航工业应用:宇航是应用铝基复合材料最早的领域,主要用铝基复合材料造航天飞机中货舱桁架、卫星抛物面天线等。
(二)在航空工业应用:主要使用纤维增强树脂基复合材料用于战斗机,减轻飞机质量。
(三)在汽车工业上的应用:用于汽车发动机的关键部位。
八、超真空材料
日本可拆卸式环相交存储加速器中的所有正负电子对撞环均由铝合金制成,采用铝合金是由于铝合金衰减诱生放射的功能比不锈钢强得多,且散发出来的气体非常少。实践证明,这种铝合金型材是用于铝超高真空下的优良材料,气体散溢率达1×10-14托/(s·cm2)。
九、核聚变反应用铝
全世界都在开发用于核聚变装置的新材料,添加元素Li、Mg、Si 、V的高纯铝内以得到残留诱生放射性很低的材料,正在研究的材料包括Al-Mg-Si、Al-Mg、Al-Si、Al-V、Al-V-Si、Al-Mg-V、Al-Mg-Li和SAP等,但许多问题如耐热、耐腐蚀性,辐射危害等仍未解决,预计将来会有进一步的改进。
十、铝材工业的发展
铝是一种非常年轻的金属,从1944年到1988年的44年间,世界铝年产量增加了19倍,铝发展如此之快,说明铝本身有很多优点,因此铝不断在生产、生长的各个领域中代钢代铜代木也代陶土,铝就髟发展的一个重要形式就是“取而代之”。
在铝短暂的发展过程中,需求起了巨大的推动作用,如二战时期由于制造飞机,推动铝急剧发展,1940年到1943年铝的产量由23万t猛增到146万t,而1960~1970年间铝由446万t增加至1020万t,其原因是建筑业广泛以铝代钢引起的。
汽车工业在发达国家是重要的支柱工业,当前汽车工业激烈竞争中一个新的方向即汽车“车量化”-“以铝代钢”是必然趋势;
(一)节能、省能。100kg铝可代钢200kg,可省油8%;300kg可省油24%。
(二)环保作用,由于塑料代钢回收困难,汽车造成的垃圾已成灾难,铝再生利用好,金属循环使用极其重要,铝可以回收使用85%以上。
今后一段时期内,汽车用铝材将成为一个新的发展方向,应加快技术进步,用新的铝材满足汽车工业轻量化的需要。
1995年以前中国所需的罐料全部部口,是中国进口量最大的单一品种铝材,而能否批量生产具有市场竞争力的罐料是一个国家铝加工工业是否现代化与达到先进水平的主要标志。西南铝加工厂在国家有关部门的组织协作下,以1850mm冷轧机为主形成了年生产高性能特薄铝及铝合金板带材上万吨的能力,使我国制罐业走上原材料产品自产一体化的道路。
自1994年后,中国出现了易拉罐生产线建设的新高潮,同时对原有生产线技术进行改造,生产速度普遍大幅度提高,大都为1600个/min,总设计能力为6亿个/a。
我国铝箔工业已进入世界先列,基本实现了铝箔的现代化生产,质量相当于国际水平,同时中国已开始掌握大型高速铝箔轧机的生产技术,一些高技术电子铝箔厂与中型铝箔厂正在建设,大型铝箔厂与外商、港商合资经营改扩建,开创中国铝箔工业新的里程碑。
1989年中国第一个铝合金轮毂企业-达卡毂有限公司在秦皇岛建成投产,设计生产能力达40万个/a。至1995年底,建成的铝合金轮毂企业达10家,目前总生产能力达600万个/a。
中国现代化铝板带装备已达相当的水平,特别是4台大型高速轧机(含2台CVC轧机)具有世界一流的装机水平,现代化轧机生产能力占有绝对优势,整个板带材行业已开始步入市场经济轨道,正在朝着上规模、上效益、上水平、结构优化的方向迈进。