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26
2024
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07
特种高端铝及铝合金型材和管材的发展现状与趋势
特种铝及铝合金型材和管材的发展现状与趋势
吕宝元1，刘煌萍2，黎柏松2，刘静安3，何梅琼3
(1.西安飞机工业铝业航材有限责任公司，西安71000；2.广铝集团有限公司，广州510450；3.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）
摘要：随着科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，对铝合金挤压产品质量和品种提出了越来越高的要求，特别是近年来产品个性化的出现，促进了具有个性化特点、性能与功能特殊、用途专一的特种型材与管材的发展。简略地介绍与分析了几种常见的特种铝及铝合金型材和管材的发展现状与趋势，供同行们参考。
关键词：特种铝合金型材与管材；现状；发展趋势
0 前言
铝材是仅次于钢材的第二大金属材料，近几十年发展十分迅猛，在国民经济和人民生活各领域获得了十分广泛的应用。2016年，全世界铝加工材产销量均超过50000kt／a，其中铝及铝合金挤压材的产销量超过20000kt／a，占铝材总产销量的40%以上。铝挤压材中型棒材占90%，其中通用型材和棒材以及中小型民用建筑型材占型棒材的80%以上，大中型型材和特种专用型材和棒材仅约占15%。管材约占铝合金挤压材的8%，而异形管材和特种专用管材仅约占管材的20%。由上可见，铝及铝合金挤压材中产销量最大、应用范围最广泛的是中小型民用建筑型材、通用型材和棒材、管材。而特种型材、棒材和管材仅占15%左右，这类产品的主要特点是：具有特种功能或性能；专门用于某种特定用途；具有较大或极小的规格尺寸；具有特高的尺寸精度或表面要求等。因此，其品种多而批量少，需要增加特殊工序或增添某些特殊设备和工具，生产难度大而技术含量高，生产成本增高而附加值也增高[1、3、5]。
随着科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，对铝及铝合金挤压产品的产量、质量和品种提出了越来越高的要求，特别是近年来产品个性化的出现，促进了具有个性化特点、用途专一的特种型材和管材的发展。
1 各种特种铝型材和管材的发展趋势
1.1 大中型工业用结构铝合金型材和管材
各种大型扁宽、薄壁、高精、复杂的实心和空心型材及大型管材是许多重要领域，诸如航空航天、现代交通运输（如高速列车、地铁车厢、集装箱、桥梁等）、海洋工程、现代汽车、电子电器、舰船兵器、空调散热器、电力能源、石油化工、机械制造等材料，大型特种工业用结构铝合金型材和管材是当今世界最短缺和紧俏商品之一。二十世纪九十年代以前，由于供不应求，设计者和使用者不得不采用几根小型材连接成大中型材或者改用木材、塑料、钢铁、铜材来代替，造成了能源的浪费、环境的污染、成本的提高，大大影响了国民经济的发展和国防现代化的进程。为了改变这种局面，各国纷纷投资新建或扩建50MN以上的大中型挤压生产线。有人预测，二十一世纪是大型挤压机和大型材、大管材的世纪[2、4]。
经过20余年的迅速发展，到2016年年底，世界已装备了100MN以上的卧式挤压机40台左右，产能达300kt/a以上；50MN以上的卧式挤压机超过300台，产能达到3000kt/a以上；360MN立式反向管材挤压机3台，可生产ϕ1000mm～ϕ1500mm的厚壁管材，基本上能满足目前全球对大型铝合金挤压材需求。但随着航空、航天、航海、交通运输、海洋工程及新能源和电子工程、智能制造业等的发展，大型挤压机和大型挤压材仍有一定的发展空间。
目前，中国已装备了100MN卧式挤压机18台左右，其中有世界最大的225MN卧式挤压机2台；360MN立式反向管材挤压机1台；50MN以上的卧式挤压机100台以上，产能超过1500kt/a，基本上能满足我国国防军工、经济建设发展的需要。但我国正处于国防现代化（装备更新）、工业化和城市化发展的高峰期，对大（中）型挤压机及大（中）型挤压产品，特别是大型的高端的特种产品仍存在很大的发展空间[5、6]。
1.2 超精密型材和超小型型材
超精密型材被广泛应用于电子仪器、通信邮电设备、精密机械、精密仪表、弱电设备、航空航天、核潜艇与船舶、汽车工业等领域的小型、薄壁、断面尺寸非常精密的零部件。
超精密型材包括两大类：一类是外形尺寸很小的型材，称之为超小型型材或微小型材，其外形尺寸只有数毫米，最小壁厚在0.3～0.4mm以下，单重为每米数十克，通常对其公差要求甚严。例如，断面外形尺寸公差小于±0.10mm，壁厚公差小于±0.05mm。此外，对挤压制品的平直度、扭拧度等形位公差也要求十分严格。另一类是断面外形尺寸并不太小，但对尺寸公差要求十分严格的型材，或者是断面外形尺寸较大，但断面形状复杂而且壁厚很薄的型材。如，日本某公司在16.3MN卧式油压挤压机上，用特种分流组合模挤压的汽车空调冷凝器异形管（工业纯铝），其壁厚为0.2～0.4mm，要求公差比JIS标准中特精级公差还严得多，达到（±0.04～±0.07）mm。小型超精密铝合金型材在挤压过程中对设备、工模具、工艺都要求相当严格，由于现代汽车工业、航天航空工业、军事工业、精密机械和仪表、电子电器、通讯邮电以及国防尖端和科学研究等事业的飞速发展和个性化程度的提高，对小型超精密型材的数量、品种和质量要求越来越高。虽然近年来，已研发生产出了不少高质量的小型超精密的铝合金型材，但仍然不能满足市场的需求，特别是国内在生产小型超精密铝合金型材的技术和装备上与国际先进水平尚存在较大的差距，不能满足国内外市场需求，必须迎头赶上。
1.3 办公机械用感光鼓基用铝合金管材
高纯、高精、高表面感光鼓用铝合金管材是打印机、复印机、扫描仪等办公机械的核心部件-感光鼓的基体材料，也可推广应用于电子、光学仪器等不同领域，应用领域和用量前景十分广阔。近年来，世界上打印机、复印机等办公机械产业向数码化、彩色化、清晰化、轻量化、小型化、高速化、智能化、低成本等方向发展，用铝量倍增，如黑白机转化为彩色机，由单一成像变为四色成像，OPC（有机光导体）精密铝管材需求量将增加4倍。高速化、清晰化对铝管的尺寸精度和表面质量提出了更高的要求。
随着信息产业和电子产业的高速发展，激光打印机、复印机、扫描仪、电子和光学仪表等耗材业的发展进入快车道，处于高速增长期。目前，全球OPC感光鼓等用精密铝管材的总需求量在500kt／a左右，国内需求量为100kt／a左右，且需求量的年均增长率都在5%以上。
OPC专用精密铝合金管材可用6063合金生产，也可用3003合金生产，但对材质的成分、纯度和杂质含量要求非常严格，对产品的内外组织和表面质量要求特别高，对尺寸公差也要求很严。因此，技术含量高，生产难度大，目前国外（如日本等）已有成熟的工艺，但仍不能大批量生产满足市场要求，国内的生产水平与国际先进水平相比仍有一定差距，急需加大力度研制开发，以满足我国国民经济的高速持续发展的要求。
1.4 铝合金经济断面管材和型材
随着国民经济的发展和科学技术的不断迸步，对管材断面提出了多种多样的要求。显然，通用的圆管不是最好的形式，不一定能满足这种或那种要求，因此，出现了经济断面管材的研制和开发。目前，在国外，铝合金经济断面管的品种数量、生产规模和质量水平都有了很大的进展。
铝合金经济断面管主要分为异形断面管、变直径和变壁厚管、特薄壁管三种，其主要特点是能最大限度地满足各种零件的强度和刚度要求，可按等强度来设计各种零部件，不仅有可靠的安全性，而且能大大减轻零件的重量，节省金属损耗，减少加工工时和减轻劳动量，降低成本，提高社会效益和经济效益。如电线杆、旗杆和灯杆等，最先用实心木材制造，后采用水泥杆或钢杆。木材的强度欠佳，而水泥和钢铁的密度又太大，都不是理想材料。近年来，美、日、德、俄罗斯等国用挤压-轧制-拉伸或挤压-变径旋压法制造的空心等壁厚或变壁厚的锥形电线杆、旗杆、灯杆，不仅符合等强度构件的要求，而且大大节约了金属材料，节省加工工作量，减少了运输、安装和维护费用，是一种典型的经济断面管。
近年来，对各种合金品种、不同性能和质量水平的铝合金经济断面管的需求不断增加，据不完全统计，全球需求量在1000kt/a以上，国内也需要150kt/a以上。工业发达国家虽然已研发出生产各种经济断面管材的生产方法和技术，但仍然不能大批量稳定地生产，而且有些品种仍在研制之中。我国在制造大型复杂的经济断面铝合金管材方面尚处于起步阶段，需加大开发力度。
铝合金经济断面型材主要包括特种异形材、阶段变断面和逐渐变断面型材等，其主要特点是可满足不同条件下零件的强度与刚度要求，提高飞机和其他各种机器零部件的安全可靠性，而且可减轻其重量。同时会大大减少加工工作量，节省金属损耗，提高工作效率和降低成本，是一种经济、安全、适用的轻量化结构材料，近年来获得了飞速的发展，全球年需求量在200k以上。由于需要大型的和特种的挤压设备和工模具，技术含量高，生产难度大。因此，目前尚不能大批量生产，需要投入人力、物力、财力，研究新型的工艺技术和设备，开发新型适用的品种，以满足市场，特别是军工市场的需求。
1.5 铝合金钻探管材
铝合金钻探杆具有质轻、强度高、节能、可钻深井和异形井、可耐低温、容易制造和维护、便于运输、利于回收等一系列优点，特别在钻深井、斜井和海洋钻探方面，在国外己广泛推广应用，具有显著的经济效益和社会效益。生产实践表明，使用与目前所采用的钢钻探管强度相当的7075T6、2024T4等铝合金钻探管，可使重量减轻1/2～1/3，生产效率提高15%～20%，并能大大节约设备的制作和运输费用。因此，铝合金钻探管是一种较为理想的深井钻探材料，大有替代传统钢钻探杆的趋势。
铝合金钻探管早已普遍采用，铝钻探管的生产工艺基本成熟，设备先进配套，技术水平相当高，生产效率和经济效益都很好。但由于需要大型挤压机和特殊的生产工具和工艺，所以仅分布在俄罗斯、美、德、日等少数几个国家，我国几乎是空白。
目前，世界铝钻探管年产量为400kt/a左右，随着深井钻探、大沙漠油田和海底油田的开发和地质矿床的深层钻探以及发展中国家钻具以铝代钢的发展，铝钻探杆需求量会日趋增多，估计年增长率在3%～5%。
我国目前年需要钢钻杆180kt/a左右，而且大部分需进口。石油部门和地质部门多次强调国产化并主张以铝代钢。如果实现全铝化，年共需铝钻探管100kt/a以上，市场前景是十分可观的[6]。
1.6 大型厚壁管和大径薄壁管材
铝合金大型厚壁管是指直径大于250mm以上，壁厚5～100mm以上的管材，主要用于高压容器、高压液体与气体输送、液压与气压传动装置、输电管母线以及能源与动力、机械制造等领域以及制作炮筒外套等军事器械，也可用作进一步加工的管坯或旋压大径薄壁管的坯料，用途十分广泛。
目前，世界已能制造ϕ1500mm×250mm的大径厚壁管，这种管材是用360MN立式模压-挤压机反向挤压而成，有些国家还想用更大的挤压机生产ϕ2500mm×300mm以上的铝合金大径厚壁管。我国可在225MN卧式双动挤压机上生产 ϕ800mm×150mm的大径厚壁铝合金管材，也可在360MN立式反向挤压机上生产ϕ1500mm的厚壁铝合金管。目前全世界铝及铝合金大径厚壁管材的产量仅为300kt/a左右，不能满足市场需求。而我国的大径厚壁管年产量为20kt/a左右，需要从国外引进，特别是大型管母线和液化天然气罐体等铝合金管坯。
铝合金大径薄壁管主要是指直径大于250mm，而壁厚小于2mm的管材，主要用于航空航天、导弹火箭、机筒外壳以及气体和液体运送、各种保护外套等领域。全球年需量为100kt／a左右，我国年需量在20kt／a以上。目前，世界上已生产出的最大的薄壁铝合金管可达ϕ3000mm×1mm，我国已可用铸造-挤压-旋压法生产ϕ1000mm×1mm以上的大径薄壁铝合金管。由于大径薄壁铝及铝合金管材的生产工艺复杂、质量要求高而且需要大型的特殊的工艺装备，所以生产量不大，远远不能满足市场的需求。
1.7 气体和液体输送管道系统
铝及铝合金气体和液体输送管道系统较镀锌铁管、塑料管、不锈钢管和铜管等有许多优越的特点，诸如可防锈、耐腐蚀、美观耐用、质轻而有一定的强度、价格便宜等。因此，在近十几年来获得了越来越广泛的应用。
铝及铝合金气体和液气输送管道系统主要包括铸造管、热挤压管、冷挤压管、挤压-拉拨管以及铝塑复合管等，主要用作建材管道、冷热自来水、酸碱盐各种液体、燃气、氧气、压缩空气等各种气体和石油、天然气等输送管道，在汽车、飞机、轮船等交通运输工具上也有广泛的应用，市场潜力非常巨大。
目前，全世界铝及铝合金气体和液体输送管道系统用管材的产销量大约在30亿米左右，我国的产销量已达到5亿米以上。随着国民经济的高速持续发展和人民生活水平的大幅度提高，各种功能、性能和用途的铝及铝合金气体和液体输送管的需求量将会大幅度增加，其发展前景是十分可观的。
2 小结
特种铝及铝合金挤压型材与管材是具有超大或超小断面、形状奇特的精密挤压材，具有特异的性能或功能及特殊用途的挤压产品。随着科学技术的不断进步和人民生活水平的日益提高，对铝及铝合金挤压产品的产量、质量和品种提出了越来越高的要求，特别是产品个性化大提高的今天，特种铝及铝合金挤压型材和管材获得了巨大的发展，应用领域不断扩大市场前景十分广阔。但其生产难度较大，需要特殊的设备与工模具，我国尚处于发展初期，与国外先进技术水平尚有一定差距，急需迎头赶上。
文章来源：铝高端制造
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