金屬的可鍛性是指對(duì)其進(jìn)行塑性加工獲得合格工件難易程度的工藝性能。可鍛性好的金屬易于塑性加工成形，否則不適合于塑性加工成形。衡量金屬可鍛性高低可用其塑性和變形抗力綜合衡量。塑性高，變形抗力小，則認(rèn)為其有好的可鍛性，反之則差。金屬的可鍛性高低取決于金屬的屬性和加工條件。
變形鋁合金都有不錯(cuò)的可鍛性，可用各種鍛造工藝（自由鍛、模鍛、輥鍛、輾壓、旋壓、環(huán)軋等）生產(chǎn)各種形狀和類形的鍛件。7XXX系和5XXX系合金的可鍛性最差，而6XXX系合金的可鍛性最好，2XXX系、4XXX系、8XXX系合金的可鍛性居中。鋁合金的可鍛性除與本身化學(xué)成分有關(guān)外，還與變形溫度、變形速度和應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。
鋁合金的可鍛性均隨著溫度的升高而增大，但溫度的影響程度各有所不同。對(duì)于難鍛的7XXX系合金，流動(dòng)應(yīng)力隨溫度發(fā)生的變化要更大一些，這就是它們鍛造溫度范圍較窄的原因。鍛造工藝除溫度外，另外兩個(gè)關(guān)鍵因素是模具溫度和變形程度。這是鍛造是否順利的三要素。
變形速度是單位時(shí)間內(nèi)的變形程度，對(duì)可鍛性的影響有兩個(gè)方面：一方面由于材料變形速度的增大，恢復(fù)和再結(jié)晶來(lái)不及克服加工硬化，材料塑性下降、變形抗力上升，可鍛性變差；另一方面，材料在變形過(guò)程中，用于塑性變形的能量有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽a(chǎn)生熱效應(yīng)，使金屬溫度上升，變形速度越大，熱效應(yīng)越明顯，金屬塑性上升，變形抗力下降，可鍛性增強(qiáng)。鋁合金鍛件是由多種設(shè)備制備的，有的應(yīng)變速率很快，如鍛錘的≥1/10s；有的則相當(dāng)慢，如液壓機(jī)的卻≤0.1/s。
工藝參數(shù)是指鍛造溫度、變形速度和變形程度。它們對(duì)材料可鍛性和鍛件的組織及性能有很大影響。確定鍛造工藝的焦點(diǎn)就是確定工藝參數(shù)。選擇參數(shù)的主要依據(jù)是合金相圖、塑性圖、變形抗力圖和再結(jié)晶圖。
鍛造溫度范圍是指始鍛溫度和終鍛溫度之差。合金相圖是確定此溫度范圍的主要參考依據(jù)，可以粗略地確定此溫度范圍，然后通過(guò)合金的塑性、變形抗力圖和加工再結(jié)晶圖加以精確化。確定鍛造溫度范圍的基本原則為：合金在鍛造溫度范圍內(nèi)具有良好的塑性和較低的變形抗力；溫度范圍宜盡可能寬些，以減少加熱次數(shù)；能保證鍛件具有細(xì)晶粒組織和高的力學(xué)性能；易操作。常用鋁合金的鍛造溫度見(jiàn)表1。
變形速度是指單位時(shí)間內(nèi)變形程度變化量，不等于設(shè)備工作速度，它與坯料尺寸有關(guān)。變形速度與鍛造錘頭或壓力滑塊的運(yùn)動(dòng)速度和坯料尺寸的關(guān)系為：
式中 V為滑塊（橫梁、錘頭）或工具的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ho為毛坯原始高度，m。
由上式可知，當(dāng)安于錘頭或壓力機(jī)滑塊上的工具的運(yùn)動(dòng)速度相等時(shí)，壞料高度愈小，變形速度愈大；坯料尺寸相同，工具運(yùn)動(dòng)速度愈大，變形速度也愈大。
研究指出，變形速度對(duì)鋁合金塑性和變形抗力有一定影響，大多數(shù)合金化程度低的鋁合金隨變形速度的增加，在鍛造溫度范圍內(nèi)的工藝塑性沒(méi)有明顯下降。但是，對(duì)那些成分復(fù)雜合金化程度高的鋁合金，從靜載變形到動(dòng)載變形，工藝塑性下降，允許變形程度從80%降到40%。此外，從靜載荷變形轉(zhuǎn)為動(dòng)載變形，鋁合金的變形抗力將增大0.5～2倍。另外，為了提高所允許的變形程度和生產(chǎn)率，降低變形抗力，改善鍛件組織，最好在水壓機(jī)上鍛造和模鍛鋁合金。
鋁合金的鍛造變形程度可分為每次工作行程變形程度和總變形程度。每次工作行程的最大變形程度可根據(jù)該合金的塑性圖和鍛件形狀確定。鋁合金的允許變形程度取決于合金的成分和鍛壓機(jī)的變形速度，一般都隨合金的合金化程度的上升和變形速度的上升而下降。
鋁合金鍛件的力學(xué)性能隨變形程度的變化而有規(guī)律地變化。鍛造的變形程度不僅決定了鍛件的力學(xué)性能，而且決定了鍛件的各向異性。鍛造2A11合金的試驗(yàn)表明，在小變形和中等變形時(shí)，各向強(qiáng)度均隨變形程度增加而上升，各向強(qiáng)度相差不大，但伸長(zhǎng)率降低卻較大；變形程度為80%時(shí)，鍛件縱向性能趨于最大值；變形程度為60%～70%時(shí)橫向力學(xué)性能達(dá)到最大值；再加大變形程度，由于纖維組織的形成，鍛件強(qiáng)度劇烈下降。因此，在鍛造的所有階段單方向的壓縮變形都不得大于60%?？梢?jiàn)，為了2A11合金能獲得足夠大的力學(xué)性能和盡可能小的各向異性，鑄錠的變形程度不宜小于65%。
若鍛造用的原材料為鑄錠時(shí)，在滿足鍛件尺寸和形狀前提下，應(yīng)盡可能地采用小的鑄錠，因?yàn)殄V的原始組織對(duì)鍛件的組織和力學(xué)性能均有相當(dāng)大的影響。
鋁合金鍛造變形速度見(jiàn)表2，允許鍛造變形程度范圍見(jiàn)表3。
鍛造是以錘擊或壓制法對(duì)坯料施加壓力，使之發(fā)生塑性變形的加工方法。鍛造加工具有適應(yīng)性強(qiáng)，能生產(chǎn)各種金屬材料不同形狀和尺寸的工件（鍛件）；在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下可以減輕零件質(zhì)量、節(jié)約材料和機(jī)械加工時(shí)間；生產(chǎn)效率高、可進(jìn)行大批量生產(chǎn)；能較好地改善材料的組織性能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，鍛造加工也有設(shè)備龐大復(fù)雜、能耗大、效率低、成本高等不足。
鍛造加工歷史悠久，早在公元4000多年前的新石器時(shí)代末期，人類就錘擊天然紅銅制造裝飾品和用品，中國(guó)在公元前11世紀(jì)就出現(xiàn)了鍛造工藝。按使用設(shè)備和工具的不同，可將鍛造分為自由鍛和模鍛。模鍛又可分為開(kāi)式模鍛和閉式模鍛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，模鍛技術(shù)也在不斷地發(fā)展，出現(xiàn)了精密模鍛、等溫模鍛、多向模鍛、液態(tài)模鍛、高速模鍛、粉末模鍛、輥鍛等。
生產(chǎn)與成品零件尺寸很接近的少切削或無(wú)切削鍛件的模鍛。根據(jù)溫度的不同，在大于再結(jié)晶溫度時(shí)進(jìn)行的稱熱精密模鍛；在稍小于再結(jié)晶溫度進(jìn)行的稱中溫精密模鍛；在室溫進(jìn)行的稱冷精密模鍛。精密模鍛的特點(diǎn)：材料利用率大，尺寸精度和表面質(zhì)量高，金屬流線合理，能提高工件的承載能力。這對(duì)鍛造費(fèi)工時(shí)及性能要求較高的零件如齒輪、渦輪、葉片和航空航天器工件等都具有重要意義。精密模鍛有開(kāi)式和閉式兩種。
等溫模鍛是在將模具加熱到與所加工金屬的變形溫度同等溫度時(shí)以低應(yīng)變速率進(jìn)行的鍛造。其原理是，利用金屬材料在適當(dāng)?shù)母邷睾蛻?yīng)力下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的保溫發(fā)生蠕變，或利用具有應(yīng)變速率敏感材料和相變材料等所出現(xiàn)的超塑性條件，實(shí)現(xiàn)薄壁、高筋、形狀復(fù)雜或難變形金屬的成形。等溫模鍛的關(guān)鍵是帶有感應(yīng)加熱器或電阻加熱器加熱模具。該法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不但可以加工難變形的金屬與合金，而且能以小設(shè)備鍛制投影面積大而薄的鍛件。
等溫模鍛有兩個(gè)關(guān)鍵因素：坯料保持恒溫和低的變形速率。恒溫可以保證坯塊的最佳變形塑性和小的變形抗力以及為動(dòng)態(tài)恢復(fù)再結(jié)晶提供足夠的能量；低的變形速率為動(dòng)態(tài)恢復(fù)再結(jié)晶提供了充足的時(shí)間，使坯塊一直處于再結(jié)晶狀態(tài)，同時(shí)保證了坯塊在鍛造過(guò)程中各部分變形溫度及溫升大體一致，獲得組織均勻的鍛件，整體性能良好。所以溫度和變形速率的精準(zhǔn)控制能保證等溫鍛造順利地進(jìn)行。由于采取了這些控制措施，在鍛造過(guò)程中坯塊變形抗力與常規(guī)鍛造相比，大幅度降低，使用小的設(shè)備可以生產(chǎn)大投影面積的模鍛件，設(shè)備投資大大下降。
等溫模鍛一要鍛壓機(jī)，二要模具。鍛造設(shè)備通常采用能調(diào)速能保壓的液壓機(jī)，因?yàn)榈葴劐懺煲箦懺爝^(guò)程中坯塊變形速率慢，依據(jù)等溫鍛造的變形抗力確定設(shè)備鍛造力。通常等溫模鍛的單位壓力為常規(guī)模鍛的1/5～1/10。此外，液壓機(jī)要有頂出裝置，應(yīng)有足夠的空間安裝模具及加熱的輔助工裝設(shè)備。壓機(jī)上、下模具裝于基板上，應(yīng)有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，確保鍛壓機(jī)組件在工作時(shí)不受模具加熱裝置的熱影響。
等溫鍛造主要問(wèn)題之一就是模具材料的選擇及其加工制造，要求材料在鍛造溫度下具有一定的強(qiáng)度安全系數(shù)，在高溫下能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，且不被氧化，目前用的為鎳基高溫鑄造鋼。
中國(guó)等溫模鍛技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學(xué)、南昌航空航天大學(xué)、上鋼五廠、航空148廠、航空3007廠等相繼研發(fā)和生產(chǎn)鋁、鈦和粉末冶金等的航空航天等溫鍛件。
多向模鍛是在多柱塞機(jī)上利用幾個(gè)沖頭從不同方向同時(shí)或依次對(duì)模具內(nèi)的坯料加壓，制取復(fù)雜形狀的精密鍛件的工藝。多向模鍛按分模面布置分為水平分模面、垂直分模面和同時(shí)兩種分模面模鍛3種。多向模鍛一般在液壓機(jī)上進(jìn)行，用機(jī)械壓力機(jī)的不多。多向模鍛特點(diǎn)：既可以制備中小尺寸鍛件，也可以制造尺寸較大的鍛件；由于變形時(shí)呈強(qiáng)大的三向應(yīng)力狀態(tài)，金屬塑性顯著提高，可以鍛造溫度范圍窄、塑性差的難變形合金；能鍛出組織性能好、尺寸精準(zhǔn)、無(wú)飛邊無(wú)模鍛斜度的實(shí)心及空心鍛件；節(jié)約金屬，鍛件取出方便，沒(méi)有成形好的鍛件可進(jìn)行第二次、第三次鍛造，直至合格為止；對(duì)多工步模鍛，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。
液態(tài)模鍛是對(duì)注入模槽內(nèi)的合金熔體施加壓力，使其在冷凝和結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形而成為工件的一種鍛造工藝，實(shí)質(zhì)上就是壓鑄和鍛造合二為一。液態(tài)模鍛按施壓方式分為3種：平頭加壓法、異形沖頭加壓法、間接法。該法應(yīng)用于鍛造困難、鍛件質(zhì)量不易合乎要求，而模鍛成本又過(guò)高的鍛造上，是在壓力鑄造的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的，但又與壓力鑄造不同，不僅是把熔體壓入模內(nèi)冷凝成形，而是在熔體注入凹模后先行壓鑄，隨后繼續(xù)加壓使之成形。其實(shí)質(zhì)是對(duì)熔體或半固態(tài)熔體加壓力使其結(jié)晶，并在壓力下變形，改變了金屬在正常狀態(tài)下的結(jié)晶組織。這就形成了晶粒在結(jié)晶過(guò)程中不斷地被壓碎而細(xì)化，鑄態(tài)樹(shù)枝晶粒變成細(xì)小等軸晶粒，在隨后的冷卻收縮中仍被壓縮，只要壓力足夠，就能將縮孔、氣孔、疏松等缺陷壓合，使力學(xué)性能比壓鑄件的高。與常規(guī)熱模鍛相比，液態(tài)模鍛能耗低、設(shè)備鍛壓力小、金屬消耗也低。但用此工藝生產(chǎn)時(shí)，由于易產(chǎn)生裂紋、脫模也不易，制品質(zhì)量不如常規(guī)鍛造的，故應(yīng)用受到一定限制。
高速模鍛的特點(diǎn)：錘頭質(zhì)量輕，速度極快。其主要有兩大類：高速高能型和內(nèi)燃機(jī)型。前者的工作原理是先貯存足夠的能量，然后突然釋放，獲得非常高的速度（12m/s～24m/s），采用單次對(duì)擊式鍛錘，在小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鍛模內(nèi)金屬坯料的成型。后者的工作原理同內(nèi)燃機(jī)一樣，錘頭在燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)下實(shí)現(xiàn)錘鍛，而后由空氣壓力復(fù)位。
高速模鍛最重要的特點(diǎn)是金屬在高速條件變形時(shí)，其流動(dòng)性得到改善，塑性提高，因而適于鍛造難變形的合金，以及形狀復(fù)雜、偏差要求高、斷面薄的翼形鍛件，在某些情況下，還能細(xì)化鍛件晶粒、提高強(qiáng)度。目前，此工藝主要用于鍛造葉片、齒輪、翼形件等。另外，高速模鍛時(shí)，成形速度極高，對(duì)模具沖擊很劇烈，模具易損壞。
粉末模鍛以金屬粉末為原料，經(jīng)過(guò)壓制、燒結(jié)、模鍛等工序制成所需形狀和性能鍛件的工藝，保持了粉末冶金壓實(shí)制坯的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揮了鍛造變形的特點(diǎn)。其材料利用率高，可達(dá)90%以上；力學(xué)性能高，材質(zhì)均勻無(wú)異向性，鍛件耐磨性大大提高；精度高，表面光潔，利于復(fù)雜形狀鍛件的成形；簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；模具使用壽命長(zhǎng)。
輥鍛是上世紀(jì)末與21世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的新型近凈成形技術(shù)。坯料在一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形所需產(chǎn)品的成形工藝。目前，輥鍛成形技術(shù)主要用于制備長(zhǎng)軸類鍛件，生產(chǎn)線投資不大，可大批量生產(chǎn)復(fù)雜鍛件；用于制備精密成形的板片類零件，如葉片成形，以及帶筋條的鈑金件。中國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛船外貯箱的Al-Li合金“Y”形框和對(duì)接環(huán)就是輥鍛的。
輥鍛機(jī)由電動(dòng)機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)一對(duì)軋輥?zhàn)飨鄬?duì)旋轉(zhuǎn)，輥上裝有扇形模，坯料放于輥間，由摩擦力咬入模具間，在輥的壓力下發(fā)生塑性變形，壓力可達(dá)1MN。
輥鍛可以制備鍛坯，也可以鍛制鍛件。輥鍛時(shí)，冷的或熱的坯料在裝有圓弧形模塊的一對(duì)旋轉(zhuǎn)著的鍛輥中通過(guò)，模槽使其發(fā)生變形，從面制成鍛件或鍛坯，如扳手、剪刀、肋板、麻手鉆、柴油機(jī)連桿、履帶、拖拉機(jī)鏈軌節(jié)、渦輪機(jī)葉片等。輥鍛變形是一個(gè)連續(xù)的靜壓過(guò)程，沒(méi)有沖擊和振動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)如下：
（1） 設(shè)備壓力小，因?yàn)殄憠哼^(guò)程是逐步地連續(xù)地進(jìn)行，變形時(shí)模具僅與坯料部分接觸，所以不需要大的鍛壓機(jī)；（2） 勞動(dòng)條件好，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)；（3） 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不太笨重，對(duì)廠房和基礎(chǔ)要求較低；（4） 工件不重，生產(chǎn)效率高；（5） 模具不用高檔工具鋼制造，可用球墨鑄鐵或冷硬鑄鐵制造，機(jī)械加工量不大，生產(chǎn)成本較低。
不過(guò)，輥鍛主要用于鍛制長(zhǎng)軸工件，如用于鍛制復(fù)雜的工件，還需要在壓力機(jī)上進(jìn)行整形。
旋轉(zhuǎn)鍛為在多頭對(duì)擊的旋轉(zhuǎn)鍛機(jī)上生產(chǎn)精密軸類件的一種回轉(zhuǎn)成形工藝，又稱徑向鍛造。旋轉(zhuǎn)鍛造時(shí)，坯料受到幾個(gè)錘頭沿徑向?qū)ΨQ高速錘打，直徑減小，軸向延伸。鍛造時(shí)坯料與錘頭之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)。按鍛造溫度可將旋轉(zhuǎn)鍛造分為冷鍛、溫鍛和熱鍛，空心件的鍛造可分為無(wú)芯棒鍛造和有芯棒鍛造。旋轉(zhuǎn)鍛造已普遍用于機(jī)床、汽車、航空航天器、槍炮和其它機(jī)械的實(shí)心臺(tái)階軸、錐形軸、空心軸、膛線槍管和炮管等零件的生產(chǎn)。
半固態(tài)模鍛是美國(guó)麻省理工學(xué)院弗萊明斯教授于1972年發(fā)明的，自上世紀(jì)90年代以來(lái)已成為一種先進(jìn)成熟的工藝，特別是在鋁合金領(lǐng)域。該工藝是將預(yù)先鑄造的有細(xì)小均勻球狀等軸晶粒組織的錠坯加熱到有5（體積）%～50（體積）%液體的固—液狀態(tài)下一次模鍛成近成品尺寸零件的半固態(tài)成形工藝，又稱流變模鍛或觸變模鍛。半固態(tài)材料在相當(dāng)小力的作用就能發(fā)生流變或變形。半固態(tài)模鍛工藝具有一系列優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)工藝生產(chǎn)的車輪、電器零件性能的比較見(jiàn)表4及表5。
表4 半固態(tài)模鍛和金屬模鑄造鋁合金汽車車輪
的性能比較
表5 半固態(tài)模鍛和機(jī)械加工電器零件
的性能比較
模鍛潤(rùn)滑是利用潤(rùn)滑劑減少鍛模模槽與被鍛金屬間摩擦的一種工藝技術(shù)。采用良好的潤(rùn)滑劑可以降低鍛模磨損，延長(zhǎng)使用期限；降低變形抗力、變形不均勻性和變形能消耗；促進(jìn)金屬流動(dòng)，使其良好地充滿型腔，保證鍛件形狀規(guī)整、尺寸精準(zhǔn)；使鍛件易脫模，減少粘模。鍛造潤(rùn)滑劑一般應(yīng)同時(shí)具備潤(rùn)滑、隔離、脫模及冷卻功能，在使用過(guò)程中，殘留在模膛中的灰渣應(yīng)少，對(duì)鍛模和工具無(wú)腐蝕作用，無(wú)毒，煙氣少，可噴涂，價(jià)格合理等。潤(rùn)滑劑的涂敷狀況對(duì)鍛造質(zhì)量和成品率也有較大影響，潤(rùn)滑劑涂得多或不均勻,非但不能改善流動(dòng)，反而會(huì)阻礙金屬流動(dòng)或使金屬紊亂而導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)折疊、渦流、穿流或晶粒不均勻等缺陷。
鋁材在航空航天器上的應(yīng)用首推軋制材（板、帶、箔），其次是擠壓材（管、棒、型、線、緊固件），鍛件的用量不多，卻很重要，因?yàn)殄懠际鞘芰Φ慕Y(jié)構(gòu)件。在飛行器用的鋁材中，據(jù)筆者估計(jì)，鍛件的用量恐怕還不到鋁材總用量的15%，個(gè)別情況例外。
目前，在航空航天器中得到應(yīng)用的Al-Li合金有：美國(guó)的Weldalite 049、2090、2091、2094、2095、X2096、2197；歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)（EAA）中英國(guó)的8091，法國(guó)的8093，俄羅斯的BAД 23。
鋁材在飛行器上的應(yīng)用情況見(jiàn)表6～表12。其中，Weldalite 049合金鍛件的力學(xué)性能見(jiàn)表10。8090-T852 Al-Li合金鍛件的力學(xué)性能見(jiàn)表11。鍛件的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能比較見(jiàn)表12。
