變形鋁合金按其使用性能及工藝性能分為防銹鋁合金（用LF表示 ）、硬鋁合金（用LY表示），超硬鋁合金（用LC表示）和鍛鋁合金（用LD表示）。它們的主要牌號和成分見表5-10。

表5-10 變形鋁合金主要牌號的化學成分及擠壓棒材的力學性能

類 別	牌號	化   學   成   分（質量分數）（%）						力學
		Cu	Mg	Mn	Fe	Si	其它	直徑尺寸/mm	材料狀態	σb /MPa	δ5 （%）≥
防 銹 鋁 合 金	LF2		2.0～2.8	或Cr0.15～0.40				所有尺寸	M或R	≤226	10
	LF5		4.0～5.0	0.3～0.6		V0.02～0.10		厚0.5～4.5	M	270	15
	LF11 LF12		4.8～5.5 8.3～9.6	0.30～0.60 0.40～0.80		Ti或 V0.02～0.15 Ti0.05～0.15	≤200 ＞200 Sb0.004～0.05	M ＞200 直徑≤150	270 M，R M或R	15 250 373	10 15
	LF21			1.0～1.6				所有尺寸	M或R	≤167	20
硬 鋁 合 金	LY1	2.2～3.0	0.20～0.50					線材	CZ M	300 160	24 24
	LY4	3.2～3.7	2.1～2.6	0.50～0.80		Ti0.05～0.40	Be0.001～0.01	－	－	－	－
	LY11	3.8～4.8	0.40～0.80	0.40～0.80				＜160 ＞160	CZ	373 353	12 10
	LY12	3.8～4.9	1.2～1.8	0.30～0.90				≤22 23～160 ＞160	CZ	392 422 412	12 10 8
	LY13	4.0～5.0	0.30～0.50					≤22 23～160	CZ	341 343	4 4
	LY16	6.0～7.0		0.40～0.80		Ti0.01～0.2		所有尺寸	CS	353	253
超 硬 鋁 合 金	LC4	1.4～2.0	1.8～2.8	0.20～0.60	Zn5.0～5.7			≤22 23～160 ＞160	CS	490 530 510	7 6 5
	LC5	0.30～1.0	1.2～2.0	0.3～0.8	0.6	0.4			－	－	－
	LC6	2.2～2.8	2.5～3.2	0.2～0.5	0.5	0.3			－	－	－
	LC9	1.2～2.0	2.0～3.0		Zn5.1～6.1			同LC4
鍛 鋁 合 金	LD2	0.20～0.60	0.45～0.90	或Cr0.15～0.35		0.50～1.2		所有尺寸	CS	294	12
	LD5	1.8～2.6	0.40～0.80	0.40～0.80		0.7～1.2		所有尺寸	CS	353	12
	LD7	1.9～2.5	1.4～1.8		0.90～1.5	Ti0.02～0.1	Ni0.9～1.5	所有尺寸	CS	353	8
	LD8	1.9～2.5	1.4～1.8		1.0～1.6	0.5～1.2	Ni0.9～1.5	所有尺寸	CS	353	8
	LD9	3.5～4.5	0.40～0.80		0.5～1.0	0.5～1.0	Ni1.8～2.3	所有尺寸	CS	353	10
	LD10	3.9～4.8	0.40～0.80	0.40～1.0		0.6～1.2		≤22 23～160 ＞160	CS	441 451 432	10 10 8

    注：狀態符號表示意義：M—退火，CZ—淬火（自然時效），CS—淬火（人工時效），R—熱擠。
Cu、Mg、Zn等是鋁合金中的主要強化元素。它們一方面溶解在鋁中使固溶體強化；另一方面，它們在鋁合金中形成大量的化合物，成為鋁合金中的強化相和過剩相（見表5-11）。

表5-11 鋁合金中的過剩相和強化相類型

合  金  類  別		過  剩  相  和  強  化  相
防銹鋁	Al-Mn系合金 Al-Mg系合金	（MnFe）Al8，Al10Mn3Si（T相），α相（AlFeSi），FeSiAl3，MnAl6，Mg5Al8 （β）相，（AlFeSiMn）相及Mg2Si
硬鋁	Al-Cu-Mg系合金	CuAl2（θ相），Al2CuMg（S相），（AlFeCuMn）
超硬鋁	Al-Cu-Mg-Zn系合金	MgZn2，Al2CuMg（S相），Al2Zn3Mg3（T相）
鍛鋁	Al–Mg-Si系合金 Al Mg Si Cu系合金 Al–Mg-Cu-Si Fe-Ni系合金	Mg2Si，少量CuAl2，少量MnAl6，Mg2Si，CuAl，少量Al2CuMg（S相）， CuAl2，Mg2Si，Al2CuMg（S相），FeNiAl6，AlNiCu，Al2Cu2Fe

    鋁合金中錳、鉻、鈦的作用主要是提高合金的再結晶溫度，減弱其晶粒長大的傾向性。
    鎳在鋁合金中可以改善合金的抗腐蝕性能和提高熱強性。
    Fe、Si、Na、K等都屬于鋁合金中的雜質元素，其中主要是Fe和St。Fe在鋁中的溶解度很小，在  655℃時為0.5％，在室溫時僅為0.002％。Fe主要形成金屬化合物FeAl_3，是硬脆的針狀化合物。Si在鋁中的溶解度略大一些，在577℃時可溶入1.65％，在室溫時為0.05％。Si除溶入鋁中外，多余的則單獨存在于鋁中，通常稱為“游離硅”。
    鋁合金中由于存在大量的強化相和過剩相，因此，其鑄態組織中呈現多相混雜的狀態。另外，在某些鋁合金（例如LY12）鑄態組織中還常常存在共晶混合物。這些物質通常又硬又脆，且呈網狀分布于晶界。而且，由于鑄造時的冷卻條件，使這些化合物相在鑄錠中形成了區域偏析，枝晶偏析和晶間偏析，此外，還有氣孔、縮孔等缺陷，嚴重降低了鋁合金鑄錠的塑性。通過熱塑性變形可以使鋁合金鑄態組織得到較大改善，性能得到較大提高。以LY11為例，經擠壓變形后，形成纖維狀組織，在擠壓變形程度小于70％之前，隨著變形程度的增加，材料縱向及橫向的強度指標都不斷提高。當變形程度繼續增加時，縱向性能繼續提高，而橫向性能急劇下降，即引起了性能的異向性。
    流線的分布情況對鋁合金的性能有很大影響，流線不順、渦流和穿流都使鋁合金的塑性指標、疲勞強度和抗腐蝕性能有明顯降低。因此，編制成形工藝時，應當使流線方向與零件最大受力方向一致。
    某些熱處理可以強化的變形鋁合金，按照一定的規范熱變形之后，可以使變形強化的效果保存下來，使合金的強度提高，即所謂熱形變強化效應，這是因為，按照一定的規范熱變形之后，某些合金的再結晶溫度高于淬火加熱溫度，所以熱處理后的制品具有未再結晶組織。這種組織的晶粒細小，并且晶粒中形成許多亞晶塊，故強度性能遠遠高于再結晶組織的制品。
    影響鋁合金再結晶溫度的主要因素有：合金成分、壓力加工前的均勻化規范、壓力加工方式（應力狀態）、變形溫度、變形速度、變形程度和最終熱處理制度等。圖5-12是LD10合金的組織狀態與變形溫度和變形速度的關系。

    鋁合金的晶粒尺寸對力學性能有較大影響，鋁合金鍛件中的粗晶顯著降低強度極限和屈服極限，降低零件的使用性能和壽命。因此，鍛造鋁合金時需注意控制晶粒度。鋁合金鍛件的晶粒大小與變形溫度、變形程度、受剪切變形的情況以及固溶處理前的組織狀態等有關。詳見幾種主要缺陷形成的機理和對策中的備料不當產生的缺陷及其對鍛件的影響。
    供鍛造和模鍛的鋁合金原坯料，一般采用鑄錠和擠莊坯料，個別情況下亦采用軋制坯料。
    鑄錠坯料往往具有疏松、氣孔、縮孔、裂紋、成層、夾渣、氧化膜和樹枝狀偏析等缺陷。
    擠壓坯料一般具有粗晶環、成層、縮尾、夾渣、氧化膜和表皮氣泡等缺陷。
    鋁合金坯料的上述缺陷，不僅鍛造時容易開裂，而且直接影響到鍛件質量，所以鍛前需要按標準對坯料進行檢查，合格后方能投產。
    鋁合金的鍛造特點如下：
    1.塑性較低
    鋁合金的塑性受合金成分和鍛造溫度的影響較大。大多數鋁合金對變形速度不十分敏感，但是隨著合金中合金元素含量的增加，合金的塑性不斷下降，對變形速度的敏感性逐漸增加（圖5－13），由圖還可以看出，當變形溫度較低時，鋁合金的塑性急劇下降，特別是高強度鋁合金（LC4等）表現最為突出。

    2.流動性差
    鋁合金質地很軟，外摩擦系數較大（表5-12），所以流動性較差，模鍛時難于成形。

表 5-12 鐵碳合金與鋁合金變形時的外摩擦系數

合   金		鐵 碳 合 金（%）		鋁 合 金(%)
變形速度/（m/s）		＜1	＞1①	＜1	＞1
變形溫度/℃	（0.8～0.95）T熔②	0.40	0.35	0.50	0.48
	（0.5～0.8）T熔	0.45	0.40	0.48	0.45

    注：若采用潤滑劑摩擦系數可降低15%～25%。
     ①錘擊作用也適用。
     ②T_熔是指絕對熔化溫度。
    3.鍛造溫度范圍窄
    鋁合金的鍛造溫度范圍一般都在150℃以內，少數高強度鋁合金的鍛造溫度范圍甚至不到100℃，由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，所以一般都采用能精確控制加熱溫度的帶強制循環空氣的箱式電阻爐或普通箱式電阻爐進行加熱，溫差控制在上±10℃以內。同時，為了保證適當的終鍛溫度，提高合金的塑性和流動性，改善合金的成形條件，用于鍛造和模鍛的工具或模具需要預熱。
    4.導熱性良好
    鋁合金由于導熱性好，加熱時內應力小，且易于均勻熱透，所以坯料可以直接裝人接近始鍛溫度的高溫爐膛內進行快速加熱。擠壓坯料在不產生鍛造裂紋的條件下，不必進行保溫，但鑄造坯料加熱時需要保溫。
    5.始鍛溫度和終鍛溫度要嚴加控制
    始鍛溫度一般取上限，這樣有利于提高合金的塑性和流動性，使金屬易于成形。但有些合金始鍛溫度太高，將引起強度下降。例如，LD10合金始鍛溫度高于470℃時，強度約下降24MPa；LF6合金始鍛溫度從360℃提高到420℃，強度約下降15MPa。終鍛溫度高有利于保持擠壓坯料的擠壓效應，能得到具有未再結晶組織和力學性能高的鍛件。終鍛溫度過低，容易產生大晶粒，使鍛件的力學性能大大降低。同時，終鍛溫度過低，使合金的塑性和流動性急劇下降，容易產生表面和內部裂紋。
    （二）鍛造過程中常見的缺陷與對策
    1.過燒
    由于鋁合金的溫度范圍窄，其鍛造加熱溫度，尤其是淬火加熱溫度很接近合金的共晶熔化溫度，容易發生過燒。所以在鍛件和模具加熱以及鍛件淬火加熱時，必須十分注意溫度上限，嚴格遵守工藝操作規程，否則會引起鍛件過燒。鍛件過燒后，表面發暗、起泡，一鍛就裂。在熱處理時產生的過燒，也可能形成裂紋。過燒鍛件的高倍組織特點是：晶界發毛、加粗，出現低熔點化合物的共晶復熔球，形成三角晶界。輕微過燒的鍛件，強度稍有提高，但疲勞性能較差。嚴重過燒后各項性能急劇下降，使鍛件成為廢品。
    2.裂紋
    由于鋁合金的塑性和流動性較差，很容易產生表面和內部裂紋。產生表面裂紋的原因與坯料種類有關。用鑄錠做坯料，往往由于鑄錠含氫量高、有嚴重的疏松、氧化夾渣、粗大的柱狀晶、存在有嚴重的內部偏析、高溫均勻化處理不充分以及鑄錠表面缺陷（凹坑、劃痕、棱角等）都會在鍛造時產生表面裂紋。另外，坯料加熱不充分，保溫時間不
夠、鍛造溫度過高或過低，變形程度太大，變形速度太高、鍛造過程中產生的彎曲、折疊沒有及時消除，再次進行鍛造，都可能產生表面裂紋。
    擠壓坯料表面的粗晶環、表皮氣泡等，也容易在鍛造時產生開裂。
    鋁合金鍛件的內部裂紋，主要是由于坯料內部存在有粗大的氧化物夾渣和低熔點脆性化合物，變形時在拉應力或切應力的作用下產生開裂，并不斷擴大。此外，鍛造時多次滾圓，當每次變形量較小（小于15％～20％）時，也會產生內部中心裂紋。
    由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，如果鍛造工具和模具沒有預熱，或預熱溫度不夠也會引起鍛件產生裂紋。
    因此，要防止產生表面和內部裂紋，必須采取如下對策：
    1）選擇高質量的原坯料，坯料表面的各種缺陷要徹底清除干凈。例如，擠壓坯料常常需要車皮。在錘上鍛造不便于車皮的小棒料時，開始要輕擊，打碎粗晶環，然后逐漸加重打擊；
    2）鑄錠坯料要進行充分的高溫均勻化處理，消除殘余內應力和品內偏析，以提高金屬塑性。鍛造加熱時，要保證在規定的加熱溫度進行加熱并充分保溫；
    3）根據不同合金，選擇最佳鍛造溫度范圍。例如，LC4合金鑄錠的最佳鍛造溫度范圍為：在440℃左右加熱保溫，然后緩冷至410～390℃左右鍛造，塑性最好；
    4）鋁合金由于流動性差，不宜采用變形激烈的鍛造工序（如滾壓），并且變形程度要適當，變形速度要越低越好；
    5）鍛造操作時要注意防止彎曲、壓折，并要及時矯正或消除所產生的缺陷。滾圓時，壓下量不能小于20％，并且滾圓的次數不能太多。
    6）用于鍛造和模般的工具，要充分預熱，加熱溫度最好接近鍛造溫度，一般為200～420℃，以便提高金屬的塑性和流動性。
    3.大晶粒
    鍛鋁（LD2、LD5、LD7、LD10、2024、2068）和硬鋁（LYll、LY12等）很容易產生大晶粒，它們主要分布在鍛件變形程度小而尺寸較厚的部位，變形程度大和變形激烈的區域以及飛邊區附近。另外，在鍛件的表面也常常有一層粗晶。產生大晶粒的原因除了由于變形程度過小（落入臨界變形區）或變形程度過大和變形激烈不均勻所引起之外，加熱和模鍛次數過多，加熱溫度過高（例如LD2合金淬火溫度過高，保溫時間過長，常常出現大晶粒），終鍛溫度太低也會產生大晶粒。鍛件表面層的粗晶，其產生原因有兩種情況：其一，是擠壓坯料表層粗晶環被帶人鍛件；其二，是模鍛時模膛表面太粗糙，模具溫度較低，潤滑不良，使表面接觸層激烈剪切變形，因而產生粗晶。
    所以，為避免鋁合金鍛件產生大晶粒：
    1）必須改進模具設計，合理選擇坯料，保證鍛件均勻變形；
    2）避免在高溫下長時間加熱，對LD2等容易晶粒長大的合金，淬火加熱溫度取下限；
    3）減少模鍛次數，力求一火鍛成；
    4）保證終鍛溫度；
    5）提高模膛表面粗糙度達R_α0.4μm以上，采用良好的工藝潤滑劑。
    解決鋁合金大晶粒的有效措施是采用等溫模鍛工藝，即將模具加熱至（并保持）接近合金的實際變形溫度，在液壓機慢速的條件下成形。在合適的變形溫度和變形程度條件下，可保證模鍛后獲得完全再結晶的組織，經固溶處理后可得到細小晶粒。例如某廠的飛機起落架等鍛件，原先是在無砧座錘上模鍛成形，經常出現大晶粒，造成鍛件報廢，后改用等溫模鍛工藝，較好地解決了這一問題。
    4.折疊和流線不順（包括渦流、穿流）
    （1）折疊是造成鋁合金模鍛件廢品的一個主要缺陷。
    鍛件的折疊廢品約占整個廢品率的  70％～80％以上。它是由于模鍛時金屬對流，形成某些金屬的重疊，最后壓合成為折疊。這類廢品，以工字形斷面的鍛件最為嚴重，并且不易消除。產生折疊的主要原因，可歸納如下：
    1）鍛件設計時，腹板與筋交角處的連接半徑太小，筋太窄太高，腹板太薄，筋間距太大。另外，鍛件各斷面形狀和大小變化太劇烈，難于選擇坯料，使金屬流動復雜；
    2）坯料太大或大小，且形狀不合理，使金屬分配不當；
    3）形狀復雜的鍛件，沒有制坯和預鍛模，或者制坯和預鍛模膛設計不合理，與終鍛模膛配合不當，局部金屬過多或過少；
    4）工藝操作不注意，放料不正，潤滑劑太多或潤滑不均，加壓速度太快，一次壓下量太大；
    5）供模鍛用的自由鍛坯棱角太尖，或每次修傷不徹底，模鍛后就會發展成折疊。
    （2）流線不順、渦流和穿流
    其形成原因與折疊基本相同，也是由于金屬對流或流向紊亂而造成，只不過有的部位盡管存在有流線不順和渦流現象，但未能發展成折疊那樣嚴重的程度。穿流和渦流能明顯降低塑性指標、疲勞性能和抗腐蝕性能。
    為了防止鋁合金鍛件產生折疊、流線不順、渦流、穿流和晶粒大小不均勻等缺陷，必須采用如下對策：
    1）設計鍛件圖時，筋不能太高太窄，筋間距不能太大，腹板不能太薄，筋與腹板連接的圓角半徑不能太小，鍛件各斷面的變化要盡量平緩。
    2）對于形狀復雜和具有工字形斷面的鍛件，應采用多套模具，多次模鍛，使坯料由簡單的形狀逐步過渡到復雜的鍛件，以保證金屬流動均勻，充填容易，纖維連續。
    但是，在設計預鍛模膛和制坯模膛時，必須減小筋的高度，增加腹板厚度，增加筋與腹板的連接半徑，并使制坯模膛的各斷面積等于或稍小于鍛件各相應的斷面積。根據終鍛時模鍛的情況，來調整在制坯模中模鍛時的欠壓量，或重新修整制坯模。
    圖片5-24是工字形斷面三角架鍛件的終鍛件，預鍛件和制坯件的橫斷面的低倍圖片。該鍛件是采用三套模具（制坯模、預鍛模、終鍛模）逐步模鍛成的。制坯模、預鍛模、終鍛模的各斷面積分別相差15％左右，初鍛、預鍛時的欠壓量均嚴格控制在  lmm左右。從圖片5-24可以看到，鍛件流線分布合理，晶粒大小均勻，沒有折疊缺陷；

    3）編制工藝時，要注意坯料計算，不能過大或過小。對斷面變化較大的鍛件，如果沒有制坯模，則需用自由鍛制坯，使坯料各斷面的金屬量分配合理，以防止金屬變形不均，流動紊亂。
    4）工藝操作時，放料要正、加壓要慢，涂抹潤滑劑要均勻，并且要按工藝嚴格控制欠壓量。對于制坯和預鍛，要盡量壓靠，使欠壓為零。
    5）對于具有通孔和廢料倉的鍛件，每次模鍛后應進行沖孔，以利于容納多余的金屬。
    6）改變鍛件的分模面，采用反擠成形，金屬流動條件好，鍛件組織結構均勻，成品率高。例如，對于圖5-14a、b形狀的斷面，最好改變成圖5－14c、d的形式。

    7）要注意鍛件修傷，每次模鍛后，必須仔細檢查，把各種缺陷清除干凈，以防止進一步模鍛時缺陷擴展，使鍛件報廢。
    5.氣泡
    在鋁合金鍛件表面，有時出現氣泡（圖片5-25），其產生原因為：

     1）由擠壓坯料表面氣泡帶來的。
    2）在高溫下加熱（熱處理或鍛造加熱跑溫）時，鋁合金特別是含鎂量高的鋁合金與爐內水蒸氣發生作用，容易在鍛件表面產生氣泡。
    火焰爐的爐氣中存在的硫、或在電爐中加熱時鍛件表面帶有含硫的殘留潤滑劑，都能促使氣泡形成，但是電爐要比火焰爐好得多。
    在熱處理前，將鍛件先陽極氧化或在鍛件表面上涂上牛油，均有助于減緩鍛件表面上水蒸氣的作用，從而使氣泡的形成減少到最低限度。
    6.粘模、起皮和表面粗糙
    鋁合金因質地很軟，外摩擦系數大，最容易粘模，這不僅會引起鍛件起皮，使鍛件表面粗糙，有時甚至因不能脫模而中斷生產。
    起皮，即在鍛件表面呈薄片狀起層或脫落。其主要原因是由于模膛表面粗糙、變形過于激烈、變形速度太快、變形溫度太高、變形量太大，模鍛時沒有潤滑或潤滑不良等造成的。此外，鑄錠表面不干凈（有水、油污、毛刺），擠壓坯料表面有氣泡，也能促成在模鍛或鍛造時產生起皮。
    鍛件表面粗糙，即鍛件表面凹凸不平，呈麻面狀。其產生主要原因是由于模膛表面不光滑，潤滑劑不干凈或燃點太高，涂抹過多、模鍛時未完全揮發，殘存在鍛件表面上，蝕洗后在鍛件表面上顯現出不同的蝕洗深度。
    為了消除粘模、起皮和表面粗糙，必須采取如下對策：
    1）提高模具硬度，并保證模膛表面粗糙度要低于R_α0.2μm。
    2）采用優質的潤滑劑。
    3）對于容易起皮的鍛件，坯料表面要干凈，變形溫度要低，變形程度要小，變形速度要慢，避免激烈變形，并且要適當地均勻潤滑。
    7.氧化膜
    氧化膜是一種冶金缺陷，它是鋁合金中主要的非金屬夾雜物。氧化膜是合金熔鑄時形成的。在鑄錠中它呈顆粒狀，在變形過程中被拉長成條狀或片狀，多位于模鍛件的腹板上和分模面附近（見圖片5-26）。其顯微組織呈渦紋狀（見圖片5-27）。其斷口組織特征可分兩類：其一，在斷口表面呈平整的片狀（見圖片5-28），顏色從銀灰色、淺黃色直至褐色、暗褐色，稱為片狀氧化膜；其二，在斷口表面呈細小密集而帶閃光的點狀物，叫小亮點氧化膜。

     鍛件和模鍛件中的氧化膜，對縱向性能元明顯影響，但對高度方向的性能影響較大，它降低了高度方向的強度性能，特別是高度方向的伸長率、沖擊性能和抗腐蝕性能（見表5-13）。

表5-13 有氧化膜的LD5鋁合金鍛件性能試驗結果

    防止氧化膜的對策是從熔煉和澆鑄方面采取措施，主要如下：
    1）熔鑄時采用最有效的過濾系統；
    2）提高精煉溫度，徹底精煉熔體；
    3）保證熔體的靜置時間；
    4）提高澆鑄溫度；
    5）建立良好的轉注條件，避免液流的翻滾波動，使液流在表層氧化膜的覆蓋下平穩地流動；
    6）充分地烘烤鑄造工具，并要防止操作不慎，通過鑄造工具把氧化膜帶人金屬液內；
    7）盡可能縮短轉注距離（流槽長度），減少液體裸露在大氣中的時間。
    8.殘留鑄造組織
    鍛造大型鍛件時，如果所用的鑄錠在自由鍛制坯時變形不充分，或者使用擠壓變形程度不夠的棒材作毛坯，則模鍛后，鍛件內很可能有鑄造組織殘留。殘留鑄造組織的鍛件，延伸率往往不合格，斷口呈粗大晶粒，高倍觀察時，呈骨骼狀或技晶網狀組織。
    為避免鑄造組織殘留，模鍛前的毛坯需經過充分變形；在模鍛件上取樣時，應當在難變形區或不充分變形區取樣，也可考慮在零件的重要受力區取樣。