铝合金锻造设计及制程技术应用

MIRDC鋁合金鍛造設計及製程技術應用張燦勳金屬工業研究發展中心金屬成形組專案經理2010/03/05課程目錄P.1一、鍛造鋁合金特性與應用二、鍛造鋁合金分類三、鋁合金之冶金觀點四、鋁合金用素材之種類及特性五、鋁合金之冷間鍛造六、鋁合金之熱間鍛造一、鍛造鋁合金特性與應用P.2鋁是一種年輕的金屬，從誕生到現在也不過200年歷史高耐蝕性鋁合金特性高比強度導電性佳無毒性可回收性熱傳導性佳為地殼存量第三多之元素(OSiAlFe)鋁合金耐蝕特性P.3鋁對水、強硝酸具耐腐蝕性能、受熱不易燃、無可燃性蒸氣產生、降低組配作業時間及結構成本低等優點，橋樑、鑽油平台等多使用鋁合金材，如5454、5086、5083等。鑽油平台若減少1噸重量，則海面下400呎(約122m)之支撐結構件可節省6噸重量。其他領域有直昇機升降平台、伸縮鋁橋、樓梯間塔層、電纜線架等。鋁門窗用料以A6063、A6061等為主；鋁板表面經特殊烤漆及表面處理，使耐磨度高並具美觀效果。體育館等建築結構材料為擠型管件6063、6061及鈑件5xxx系材料。全球最大鋁合金Dome(無中間支撐樑)結構，其直徑約達126公尺，最高高度約40公尺，可容納3500人。鋁合金高比強度特性(降伏強度/密度)P.4相同體積材料(Mg、Al、鋼)時，承受荷重之彎曲性能比較密度：Steel(7.9)＞Ti(4.5)＞Al(2.8)＞Mg(1.8)相對比強度：Ti＞Mg＞Al＞Steel材料密度降伏強度/密度鈦合金4.513~27鎂合金1.87.1~11鋁合金2.811特殊鋼7.86.4~15碳鋼7.83.5~7.6銅合金8.62.3以上鋁合金具有良好熱傳導性、導電率P.5導電度高，僅次於銀、銅居第三位，同一重量時純鋁之導電度為銅的2倍。鋁合金的熱導量率大約是銅的50-60%，是低碳鋼的四倍。AlMgTi熱傳導係數(W/mk)967216室溫；Mg(AZ91D)；Al(A380)；Ti(純Ti)鋁合金無毒特性P.6鋁品因具有高防腐性、質輕與薄等特點，常用於飲料、藥品、香煙等包裝材。全球80%飲料罐是鋁製品，北美洲每天消耗2.9億個，其中1.75億個被回收再利用。1998年歐洲飲料罐約需325億個，鋁罐市場佔有率約52%。鋁罐發展趨向薄肉化，肉厚由1976年的0.4mm降至1998年的0.26mm以下。在先進科技研發下，鋁罐重已減少30%。鋁合金加工特性P.7鑄造加工•鋁及鋁合金可以用已知的所有方法澆鑄成鑄件或加工成材。•特性：流動性良好、充填性佳、縮孔少、熱脆性小、對模子無黏著性、熔液氧化少、鑄造扭曲少。銲接加工•熔銲；電阻銲；硬銲；軟銲；黏結。•特性：氧化鋁的覆蓋；鋁導熱率高故熱量供給要快約為鋼的四倍。導熱率高有助於焊接熔池的固化；熱膨脹係數大，(同時導熱率高)易造成銲件扭曲；電阻低故電阻銲時需要的電流大鋁合金可回收特性P.8生產初生鋁錠消耗能源約13.0~15.18kwh/kg，再生鋁錠僅約其5%（0.759kwh/kg）生產初生鋁錠之冶煉技術已較1950年大為精進，目前所需電能減少約33％生產粗鋼消耗能源約5.23kwh/kg，廢鋼回收再生所需消耗能源一般約可低於粗鋼消耗能源之40%（2.09kwh/kg），但若以電爐法則僅約其13%（0.679kwh/kg）「不活性陽極與活性陰極精鍊鋁技術」研發成功，可減少鋁合金生產成本1/3二、鍛造鋁合金分類P.9Al純鋁CuMnSiMgMg+SiZn主要合金元素編號1XXX2XXX3XXX4XXX5XXX6XXX7XXX•與純度無關，僅區冸該系不同鋁合金•如7475表7115合金改良Fe+Si雜質在0.4%以下2XXX~7XXX0:表舊型合金1~9:經過改良1XXX鋁含量:如1095表純度經特冸控制之99.95%純鋁0:表雜質純度未經特冸控制1~9:表示1個或2個以上之雜質元素含量經特冸控制三、鋁合金之冶金觀點P.10鋁礬土(55~65％鋁)：鋁鐵之水合物，含氧化鋁、氧化鐵、氧化鈦、氧化矽、氧化鈣、氧化鎂、水等軋碎清洗拜爾法精鍊成純氧化鋁：99.4％Al3O2以冰晶石(Na3AlF6)為熔劑加熱熔融電解而得鋁(純度99.5％)Hoopes三層式電解槽行電解精鍊，得99.99％純鋁鋁合金結晶構造P.11鋁為FCC結晶構造有四個不相平行的滑動面及三個最密堆積方向，共有12個滑動系統塑性變形的微觀機構P.12•理論的破壞強度為：σb＝E/10•實際材料的破壞強度為：σb＝E/20~E/100•差異原因：空孔、差排及微裂縫的存在線缺陷：差排點缺陷：空孔面缺陷：晶界加工硬化原理P.13晶界差排堆積晶格扭曲鋁合金鍛造之冶金觀點P.14回復再結晶精粒成長•回復：減少晶格變形(殘留應力消除)及晶格缺陷(空孔、差排、次晶界)，晶粒形狀不發生變化•再結晶：產生新的晶粒•晶粒成長：以介面向外移動的方式，吞併周圍的基體，使晶逐漸長大•回復及再結晶的驅動力是變形儲能•冷作量大時再結晶溫度降低•冷作量有一下限，低於此則不發生在結晶晶粒成長P.15晶粒組織之不良的影響P.16•晶粒大小會影響材料流動性•晶粒大小會影響表面粗糙度•晶粒粗大會降低鍛件方向性強度•晶粒粗大易產生疲勞破壞及粒晶腐蝕•混經使材料韌性下降•晶粒粗大使材料塑性降低•混晶(duplexgrainstructure)：同一鍛件內晶粒大小相差懸殊材料韌性下降電鍍後色澤不同•鍛件表面晶粒大小懸殊鋁合金7075素材的表面粗晶造成的鍛造後的”橘皮orangepeel”現象P.17在扭曲的表面上明顯的有大量的微裂縫存在粗晶造成鋁合金強度的下降P.18-14.8％-15.1％-5.4％-10％7075常溫下的臨界變形P.19GRAINSIZE(μm)•終鍛變形量需低於或高於15％~22％7075溫度與晶粒尺寸之關係P.20•7075熔點：475~635℃；再結晶溫度約204℃•終鍛溫度低於360℃(μm)7075溫度與晶粒尺寸之關係P.21•7075熔點：475~635℃；再結晶溫度約204℃•終鍛溫度低於360℃(μm)三、鋁合金用素材之種類及特性P.22鑄錠輥軋材表面不可有刮痕：刮痕深度超過0.2~0.5mm會影響鍛件品質表面不可有粗晶表面不可有介金屬顆粒(如-AlFeSi針狀行晶出物)剝落後產生的坑洞鍛造素材一般的要求：擠製材抽製材粉末金屬合金鑄錠材P.23粒界有溶質偏析，鍛造時容易脆裂100X200X鑄錠在鍛造之前，需先經過均質化處理200X100X擠型材P.24組織不均勻表面結晶粗大頭尾料易夾入氧化物等雜質擠型材缺點-組織不均勻P.25鋁鑄錠擠製前也需先經過均質處理，消除鑄造產生之偏析組織鑄錠原料均質處理擠型材缺點-表面組織粗大P.26擠形材表面因與模具表面摩擦生熱，造成晶粒成長，使表面結晶粗大擠形材與鍛材之金相比較P.27DirectForgeExtruded表面粗晶，鍛造時容易造成鍛件表面微裂或產生橘皮缺陷。擠形材與鍛材之金相比較P.28組織均勻晶粒較細但價格較為昂貴冷輥生產線連續鑄造生產線(捲繞部份)連續鑄造生產線直徑70㎜棒材輥製生產線粉末金屬合金(Powdermetalalloy)P.29切成塊狀熱擠壓製成粉末壓成塊狀鑄錠粉末金屬合金與一般鋁合金的抗拉強度比較P.30汽缸用鍛造合金粉末金屬合金成形溫度與成形性的關係P.31成形性成形性溫度汽缸粉末冶金材一般鋁合金金材三、鋁合金之冷間鍛造P.32切斷端壓退火潤滑鍛造熱處理切削表面處理檢驗及出貨切斷面品質重量誤差1％消除加工硬化現象冷間鍛造的優點P.33低材料損失提升強度節省資源高晶密度冷間鍛造的基本成型方式P.34基本冷鍛成形法則P.35鋁端壓細長比超過：1.8(兩端移動自由)；3.2(兩端固定)則必須做錐形預成形，否則會挫屈Al7075-T42端壓試驗P.36端壓後高度：11.5mm壓扁率：61.7%端壓後高度：11.25mm壓扁率：62.5%端壓前胚料尺寸：Φ30mm*30mm產生裂紋前向擠出設計準則P.37後向擠出設計準則P.38後向擠出沖頭壓力P.39冷鍛複合成形方式P.40兩端同時前後向擠出設計重點P.41兩端同時前後向擠出設計重點(續)P.42同一端同時前後向擠出設計重點P.43不好的設計例子P.44未抱持有抱持，但衝頭強度不足一般冷鍛件的尺寸公差(單位：英吋)P.45各種鋁合金在衝擊擠出中可擠出的最小壁厚(單位：英吋)P.46成形過程設計P.47RA=53％RA=24％RA=53％•密閉式前向擠出最大RA=70~75％後向擠出最大RA=70~75％；最小20~25％鋁扣件成形過程實體P.48Al1100-OAl6061-T4冷間鍛造模具P.49軸型前向擠伸標準模組P.50管型前向擠伸標準模組P.51後向擠伸標準模組P.52⑪⑫⑬⑭⑮⑯⑰⑱⑲⑳①③②④⑤⑥⑦⑧⑨⑩模組設計主要考慮重點：1、主要成形元件形狀設計2、成形元件之固緊方式3、成形壓力之分散4、母模承受高壓負荷之補強5、頂出空間之考量6、工件脫料之設計7、上下成形元件之定位與調整方式8、模具元件幾何精度之要求9、成形過程之定位抱持設計10、整體模座之定位與防止偏心設計11、模座與機台空間之搭配12、安裝與維修方便性之考量後向擠伸沖頭安裝方式P.53不理想理想方式可行方式確實壓緊間隙0.1～0.2mm後向擠伸沖頭P.54D0：沖投保持件內徑D：沖模內徑d：成形擠製直徑CL2lpdfdR以沖頭成形型直徑為基準•平面直徑•成形面斜角•成形部長度•沖頭R角•釋放斜角]d)3.0~2.0(R2[ddPPfoo170~1602Pd7.0~3.0lPd1.0~05.0Roo5~4Pd後向擠伸母模P.55ABCNDSR：沖頭導引部：頂出部：補強環D：成形直徑D〞：頂出件直徑：沖頭導引部：頂出部：補強環D′：成形直徑SRSR防止應力及中破壞之分割模設計防止沖頭偏心之導引部設計複合擠伸沖頭P.56鍛粗模組結構P.57模具補強之效果P.58實用之補強環尺寸與干涉量P.59模殼模仁之結合方式P.60內模仁之外形錐度選擇P.61分割模仁的設計準則P.62冷鍛素材退火P.63軟化材料使其易於成形消除加工時所產成的內應力調整結晶組織均勻材質成分延長模具壽命材料退火溫度，℃硬度(HB)105034023110034023201434047201734045300341328505634065606134030606334030一般冷鍛用鋁合金退火溫度與硬度鋁合金冷鍛之潤滑皮膜處理工程P.64各種磷酸鹽皮膜之摩擦係數P.65壓力(lb/in2)摩差係數μ無皮膜磷酸鋅皮膜磷酸錳皮膜磷酸鎘皮膜10，0000.1080.0130.0850.04350，0000.0680.0320.0700.069100，0000.0570.0420.0590.055200，0000.0700.0430.0660.055鋁合金冷鍛使用的潤滑劑P.66•黏度越高越好三、鋁合金之熱間鍛造P.67下料加熱預成形加熱粗形鍛造剪緣完成鍛造加熱剪緣熱間鍛造分類P.68•粗形鍛造：鍛流線被切斷，所需壓力為10~15ton/in2投影面積，拔模角設計為5~7度•傳統鍛造：鍛流線被切斷，所需壓力為15~25ton/in2投影面積，拔模角設計為3~5度•精密鍛造：鍛流線未切斷，所需壓力為25~50ton/in2投影面積，拔模角設計為0~0.5度•粗形鍛造(Block–TypeForging)•傳統鍛造(ConventionalForging)•精密鍛造(PrecisionForging)•無毛邊鍛造(SeamlessForging)毛邊切斷截面處易引起破裂P.69•毛邊處流線最為密集•毛邊剪緣後會造成晶粒外露現象鍛造加熱P.70精密的溫度控制(±3~6℃)有大型風扇使爐溫均勻具有3個加熱帶：預熱帶、高溫帶、卸料帶加熱不適當所造成的鍛造缺陷：過熱(OVERHEAT)：加熱溫度過高或高溫下保持時間過長所引起晶粒粗大現象過燒(B