連續(xù)擠壓內(nèi)圓外方銅管的研究

徐高磊，毛毅中，姚幼甫，駱越峰

(紹興市力博電氣有限公司，浙江 紹興 312050)

內(nèi)圓外方銅管具有導(dǎo)電截面大、單位時間通過冷卻介質(zhì)流量多、散熱性能好等特點，是原子能工業(yè)和電機工業(yè)用于制造各種電機和加速器的關(guān)鍵材料[1]。

內(nèi)圓外方銅管一般采用五種工藝方法：

A：鑄錠—擠壓—軋制—中間退火—拉伸—退火

B：鑄錠—擠壓—拉伸—退火

C：鑄錠—穿孔—軋制(拉伸)—退火

D：鑄管—軋制—中間退火—拉伸—退火

E：鑄管—拉伸—退火

傳統(tǒng)的內(nèi)圓外方銅管生產(chǎn)工藝存在投資規(guī)模大、成材率低、產(chǎn)品長度有限、生產(chǎn)效率低、能耗高等缺點。連續(xù)擠壓是20世紀70年代初國際上出現(xiàn)的塑性加工技術(shù)，廣泛應(yīng)用于有色金屬加工領(lǐng)域，如鋁管、鋁導(dǎo)體、鋁扁線、鋁包覆同軸電纜、接觸線、銅扁線、銅排、銅帶等，是生產(chǎn)有色金屬產(chǎn)品的有效方法之一，其新穎之處是將壓力加工中的無用功摩擦力轉(zhuǎn)化為變形的驅(qū)動力和加熱源，從而成為一種高效節(jié)能的有色金屬加工新技術(shù)。采用連續(xù)擠壓技術(shù)生產(chǎn)內(nèi)圓外方銅管具有能耗低、成材率高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品大長度等優(yōu)點。

圖1 連續(xù)擠壓原理圖

1 試驗設(shè)備和模具設(shè)計

試驗設(shè)備選用TLJ400連續(xù)擠壓機，以Φ20mm無氧銅桿(Cu+Ag≥99.99%，氧含量≤5ppm)為坯料。

圖2 連續(xù)擠壓用腔體

采用分流組合模進行內(nèi)圓外方銅管連續(xù)擠壓，分流組合模由陽模(上模)、陰模(下模)、定位銷、連接螺釘?shù)人牟糠纸M成。在陽模上有分流孔、分流橋、模芯。分流孔是金屬通往型孔的通道。分流孔腔是入口小、出口大的喇叭形，以減少金屬流動阻力。分流橋用來支撐模芯，模芯用來形成型材內(nèi)腔。在陰模上有焊合室和型孔。焊合室是把被分流孔分開的金屬重新焊合起來，以形成圍繞模芯的整體。型孔確定型材的外部尺寸。定位銷是陽模和陰模裝配定位，連接螺釘把上下模牢固的連接在一起，形成一個整體[2]。

表1 分流組合模設(shè)計參數(shù)

圖3 分流組合模

2 試驗分析

2.1 擠壓系數(shù)(擠壓比)的選擇

常規(guī)的擠壓方式擠壓比為錠坯填充后的斷面積與制品斷面積之比。但在連續(xù)擠壓中不存在固定的擠壓筒，而金屬進入模具前的變形腔起著擠壓筒的作用。在連續(xù)擠壓過程中，擠壓比定義為基本擠壓變形腔的斷面積與制品斷面積之比，它是描述連續(xù)擠壓過程中重要的工藝參數(shù)，擠壓比越大表明金屬連續(xù)擠壓的變形程度也越大，即實現(xiàn)該制品擠壓所需的擠壓力越大。

內(nèi)圓外方銅管連續(xù)擠壓試驗過程中選用了兩種不同的擠壓變形腔：“八字形”斷面和圓形斷面(如圖2)。在試驗中發(fā)現(xiàn)，采用“八字形”斷面擠壓變形腔時，模具和腔體的使用壽命低；采用圓形斷面擠壓變形腔時，斷面直徑≤75 mm時比較合適。

2.2 擠壓輪轉(zhuǎn)速的選擇

連續(xù)擠壓過程中的熱源來源于金屬與擠壓輪槽之間的摩擦熱和金屬的塑性變形熱。在擠壓比一定時，擠壓輪轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)金屬的變形增加，產(chǎn)生的熱量就越多，擠壓溫度升高，有利于金屬的流動，促進金屬成形。合理控制好擠壓輪轉(zhuǎn)速是保證試驗正常進行、提高產(chǎn)品組織性能、表面質(zhì)量和工裝模具使用壽命關(guān)鍵因素之一。

a. 擠壓輪轉(zhuǎn)速3 rpm b. 擠壓輪轉(zhuǎn)速6 rpm

通過對比分析擠壓輪不同轉(zhuǎn)速的顯微組織(圖4)可知，擠壓輪轉(zhuǎn)速為3 rpm時，焊合室溫度較低，銅發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶不充分(圖4.a)；當(dāng)提高擠壓輪轉(zhuǎn)速，焊合室溫度較高，銅的動態(tài)再結(jié)晶比較充分，晶粒為比較細小的等軸晶(圖4. b)。

2.3 內(nèi)圓外方銅管的性能

采用布氏硬度儀對內(nèi)圓外方銅管進行了檢測(表2)。從檢測結(jié)果可知：檢測點的硬度值存在差異， 1、2、3、4檢測點的硬度普遍比5、6、7、8檢測點的硬度高。從連續(xù)擠壓內(nèi)圓外方銅管采用分流組合模的試驗分析，5、6、7、8檢測點處在焊縫位置，如果焊合室溫度不足，分流后銅沒有完全焊合，則會存在焊縫，導(dǎo)致內(nèi)圓外方銅管性能較低。

表2 內(nèi)圓外方銅管硬度

圖5 內(nèi)圓外方銅管硬度檢測點

圖6 內(nèi)圓外方銅管檢測點5處的顯微組織(×100)

2.4 需要解決的問題及方法

從以上試驗可知，采用分流組合模，利用連續(xù)擠壓技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)圓外方銅管的成型，但是銅管焊縫處的焊合質(zhì)量不高，其原因是銅在焊合室內(nèi)的溫度不夠高。銅在750℃～900℃時的塑性最好，最容易成型?？梢圆捎靡韵路椒ń鉀Q問題：

(1)采用銅桿感應(yīng)加熱，通過外部熱源，提高銅的溫度；

(2)采用高溫合金模具，提高模具的耐高溫性能，達到生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

采用連續(xù)擠壓技術(shù)進行了內(nèi)圓外方銅管的生產(chǎn)試驗。探討了擠壓系數(shù)和擠壓輪轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)試驗的影響，分析了內(nèi)圓外方銅管的性能。試驗結(jié)果表明：通過合理的模具設(shè)計，采用連續(xù)擠壓技術(shù)可以實現(xiàn)內(nèi)圓外方銅管的成型，但由于焊合室內(nèi)溫度不足，使銅管內(nèi)部存在焊縫，所以還需對銅桿進行感應(yīng)加熱和采用高溫合金模具材料等方面作進一步研究，以解決連續(xù)擠壓技術(shù)生產(chǎn)內(nèi)圓外方銅管的技術(shù)難題。

[1] 趙學(xué)龍，魏連運.紫銅外方內(nèi)圓導(dǎo)線管的工藝研究[J].銅加工，2005，3:7.

[2]溫景林，丁樺，曹富榮.有色金屬擠壓與拉拔技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：190～191