高強(qiáng)度、高耐蝕拉制C60800鋁青銅管材研制

狄大江，何曉明，黃路稠

(1.浙江海亮股份有限公司，浙江 諸暨 311835；2.廣東佛山市華鴻銅管有限公司，廣東 佛山 528234)

高強(qiáng)度、耐腐蝕拉制鋁青銅管材，具有高抗拉強(qiáng)度、高屈服強(qiáng)度、高彈性和良好的韌性，在大氣、淡水、海水及在多數(shù)有機(jī)酸溶液中具有很好的耐蝕性，廣泛用于海水淡化工程、石油化工、發(fā)電等行業(yè)，用于制造耐腐蝕的熱交換器、輸送強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的管道和彈性元件。

高強(qiáng)度、高耐蝕拉制C60800鋁青銅管材屬于高技術(shù)含量、高產(chǎn)品附加值的新產(chǎn)品，目前國內(nèi)外能研制生產(chǎn)該產(chǎn)品的公司或廠家很少，市場容量大，具有很大的發(fā)展空間和前景。國內(nèi)僅能研制生產(chǎn)鋁青銅的擠制棒材、擠制管材、拉制棒材，沒有鋁青銅拉制管材的國家標(biāo)準(zhǔn)，也未見有關(guān)拉制鋁青銅管材的報(bào)道及相關(guān)文獻(xiàn)，耐海水腐蝕拉制無縫鋁青銅管材的生產(chǎn)，在國內(nèi)尚屬空白。

1 研制目標(biāo)

C60800鋁青銅，狀態(tài)R350，成品規(guī)格Φ30×2mm。C60800鋁青銅管材化學(xué)成份：4.0％～6.5％Al，0.10％～0.40％ As, Fe、Ni≤0.20％, Pb≤0.02％, Cu+Ag余量。根據(jù)銅及銅合金化學(xué)成份分析方法(GB/T 5121-1996)進(jìn)行化學(xué)成份檢測。

管材外徑0～-0.30mm，壁厚±0.20mm，長度偏差0～+5.0mm，彎曲度≤4mm，端口切斜度≤0.50mm；產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度(Rm)≥350MPa，屈服強(qiáng)度(Rp0.2)≥110MPa，延伸率(A)≥50％，維氏硬度(HV5)75～110；壓扁試驗(yàn)和擴(kuò)口率30％(45°)均無裂紋，晶粒度0.010～0.045 mm，逐支進(jìn)行渦流探傷。管材內(nèi)外表面應(yīng)光滑、光亮、清潔，無有礙于使用的缺陷。

2 研制工藝及其主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1 研制工藝

C60800鋁青銅管材的加工工藝見表1。

表1 加工工藝

(續(xù)表1)

2.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 加熱與擠壓

由于C60800鋁青銅合金熔點(diǎn)高、高溫變形抗力大、鑄錠加熱溫度高，故擠壓力也大。根據(jù)л·в·普羅卓洛夫(俄)擠壓力計(jì)算公式P=π/4(D20-d20)×CLnλ(1+f×L/D0)×Zσs[1]，計(jì)算得出擠壓力14～17.1 MN；實(shí)際擠壓力14.4～16.40 MN。

鑄錠擠壓在20 MN油壓機(jī)上進(jìn)行，鑄錠Φ174mm×340 mm，鑄錠加熱溫度840～880 ℃；初始擠壓階段錠溫按上限控制，逐步降低錠溫以確保證擠壓順利進(jìn)行。鑄錠從Φ174mm×340 mm加熱、擠壓至Φ82mm×6 mm的研制結(jié)果見表2。

表2 C60800鋁青銅加熱及擠壓試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 中間完全再結(jié)晶光亮退火

為研究揭示C60800鋁青銅合金力學(xué)性能、晶粒度隨退火溫度變化的規(guī)律，繪制該合金力學(xué)性能與退火溫度的關(guān)系曲線(圖1)。由圖1可知，合金在約200 ℃以下保持室溫狀態(tài)的組織和性能；隨著退火溫度逐漸升高開始生成無畸變新晶粒，伴隨組織變化，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度急劇降低，伸長率急劇提高，約400 ℃時(shí)完成再結(jié)晶；繼續(xù)提高退火溫度，晶粒開始長大，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度降速趨緩。為了最大限度降低抗拉強(qiáng)度、提高伸長率以利于冷加工，根據(jù)圖1確定了中間道次完全再結(jié)晶光亮退火制度(見表1)。

圖1 C60800鋁青銅力學(xué)性能與退火溫度的關(guān)系

中間完全再結(jié)晶退火后為確保管坯表面光亮，使用直燃式、自保護(hù)光亮熱處理新技術(shù)(圖2)，即煤氣(天然氣)加熱——噴淋強(qiáng)制冷在線光亮退火新工藝、新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的原理是通過調(diào)節(jié)燃燒氣氛的空燃比以保證退火爐內(nèi)燃燒火焰為還原焰。氣體燃燒生成CO、H2、N2、CO2等惰性和還原性氣體，調(diào)節(jié)氣量使?fàn)t膛內(nèi)始終保持為正壓的還原性氣氛，確保銅管在爐內(nèi)不被氧化，并在銅管離開加熱室瞬間用水噴淋，使其快速冷卻至銅管氧化溫度以下，保證了銅管的力學(xué)性能和表面光亮。該技術(shù)的特點(diǎn)是燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量無需其它有形介質(zhì)，可直接加熱連續(xù)通過爐內(nèi)的管坯，提高了燃?xì)饧訜嵝屎蜔崂寐?，縮短了金屬管的加熱升溫時(shí)間，提高了連續(xù)通過熱處理速度和熱處理生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)約電能，降低能耗及碳排放量。由于無酸洗工序，達(dá)到了節(jié)能減排、低碳和廢酸液零排放的目的。

圖2 直燃式、自保護(hù)連續(xù)光亮熱處理爐

2.2.3 拉伸

研究C60800鋁青銅合金室溫下的力學(xué)性能，繪制該合金室溫力學(xué)性能與加工率的關(guān)系曲線(圖3)可知其變化規(guī)律。此次研制拉伸工藝兩次退火間冷加工率控制在46％以內(nèi)，完全再結(jié)晶退火溫度應(yīng)較高，最大限度降低抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，減小變形金屬對模具的正壓力，以確保拉伸過程穩(wěn)定。

圖3 C60800鋁青銅力學(xué)性能與加工率的關(guān)系

采用自主設(shè)計(jì)研制的新型強(qiáng)潤滑、軸向自動調(diào)節(jié)游動芯頭(圖4)拉伸C60800鋁青銅管材，其工作原理(圖 5):拉伸過程中，拉伸潤滑油通過空心芯桿5、空心連接螺桿4的內(nèi)孔進(jìn)入游動芯頭的潤滑油儲油倉8，在壓力作用下游動芯頭潤滑油儲油倉內(nèi)的潤滑油由新型游動芯頭大圓柱與潤滑錐交界處、360°圓周均勻分布的潤滑孔3，均勻噴入(變形區(qū)內(nèi)游動芯頭錐形表面與管坯內(nèi)壁之間形成狹窄的錐形縫隙)潤滑楔內(nèi)，隨著拉伸速度的提高，潤滑楔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的流體動壓力(潤滑楔效應(yīng))，潤滑油膜將管坯內(nèi)表面與游動芯頭的接觸表面完全隔開，并帶走因變形產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)最佳液體摩擦條件，從而降低了摩擦系數(shù)[2]、游動芯頭拉伸時(shí)的拉伸力和電能消耗，同時(shí)最大限度減輕了游動芯頭表面的金屬粘著和磨損，降低了模具成本?？招倪B接螺桿4的一端與空心芯桿5螺紋固定連接，其另一端與潤滑油儲油倉8自由配合連接，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了游動芯頭軸向自動(調(diào)節(jié))游動，提高了游動芯頭拉伸的穩(wěn)定性。

圖4 新型強(qiáng)潤滑、軸向自動調(diào)節(jié)游動芯頭

1-拉伸模；2-新型游動芯頭；3-新型游動芯頭潤滑孔；4-空心連接螺桿；5-空心拉伸芯桿；6-拉伸變形前銅合金管；7-拉伸變形后銅合金管；8-潤滑油儲油倉

試驗(yàn)表明(表3)，新型強(qiáng)潤滑、軸向自動調(diào)節(jié)游動芯頭拉伸C60800 鋁青銅管材具有最大限度地降低拉伸力、減輕游動芯頭表面金屬粘著和磨損、提高產(chǎn)品表面質(zhì)量、降低模具成本的特點(diǎn)。

表3[3] 普通游動芯頭與新型強(qiáng)潤滑游動芯頭拉伸C60800 鋁青銅的試驗(yàn)結(jié)果

注：PT游動芯頭為普通游動芯頭，XQ游動芯頭為新型強(qiáng)潤滑游動芯頭。

2.2.4 成品光亮退火

根據(jù)圖1力學(xué)性能與退火溫度的關(guān)系曲線，運(yùn)用網(wǎng)帶式連續(xù)光亮退火爐退火新技術(shù)，研制出網(wǎng)帶爐成品退火制度，1區(qū)640℃，2、3、4區(qū)660℃；網(wǎng)帶速度為22Hz；保護(hù)氣體成分N2+5～8％H2氣體保護(hù)新工藝 。成品管材經(jīng)退火后無需酸洗，表面清潔、光亮、無有害膜，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到高強(qiáng)度、高耐蝕拉制無縫鋁青銅管材標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

表4 C60800鋁青銅管材經(jīng)成品退火后力學(xué)性能及表面質(zhì)量

2.3 研制結(jié)果

經(jīng)對批量規(guī)?；a(chǎn)的高強(qiáng)度、高耐蝕拉制C60800鋁青銅管材進(jìn)行檢驗(yàn),產(chǎn)品化學(xué)成分達(dá)到美國ASTM B111標(biāo)準(zhǔn)，其它技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到歐盟ENI12451標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)產(chǎn)品研制、批量工業(yè)化生產(chǎn)，目前已累計(jì)生產(chǎn)了約300t高強(qiáng)度、高耐蝕拉制C60800鋁青銅管材，交付國外客戶使用。

3 結(jié)論

(1)該研制工藝技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定、可靠，生產(chǎn)的高強(qiáng)度、高耐蝕拉制C60800鋁青銅管材的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)；

(2)新型強(qiáng)潤滑、軸向自動調(diào)節(jié)游動芯頭拉伸技術(shù)，通過獨(dú)特的游動芯頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了直條管游動芯頭拉伸過程，內(nèi)腔強(qiáng)制潤滑功能和游動芯頭軸向自動調(diào)節(jié)功能，達(dá)到了提高拉伸過程穩(wěn)定性、降低拉伸力、節(jié)能降耗的目的；

(3)直燃、自保護(hù)連續(xù)在線無氧化熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直條管連續(xù)在線無氧化退火，無酸洗工序，節(jié)約能源、降低消耗，廢酸水零排放，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]馬懷獻(xiàn).金屬塑性加工學(xué)—擠壓·拉拔與管材冷軋[M].冶金工業(yè)出版社,1991.44.

[2]易因非.游動芯頭拉伸銅管[M].冶金工業(yè)社出版,1976.15.

[3]狄大江.新型強(qiáng)潤滑游動芯頭設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].銅加工，2010,2.