含鎳30%鐵錳白銅大口徑拉制管材的研制

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)

含鎳30%的鐵錳白銅較BFe10-1-1具有更優(yōu)越的耐海水沖刷腐蝕性能、力學(xué)性能和高溫下優(yōu)良的機(jī)械性能，廣泛用于造船、電力、海水淡化、海洋工程和石油化工等行業(yè)。主要用來制造冷凝器、蒸發(fā)器、熱交換器、海水淡化裝置、海水管道裝置和高強(qiáng)度耐蝕件。

近年來，艦船和發(fā)電用BFe30-1-1銅鎳合金冷凝管生產(chǎn)工藝的研究［1-3］，取得了顯著效果，并獲得廣泛應(yīng)用。采用擠壓→軋管→圓盤拉伸→圓盤刃模扒皮→倒立式盤拉→聯(lián)合拉拔機(jī)(圓盤變直條拉伸)→退火，生產(chǎn)BFe10-1-1白銅冷凝管材的研制工藝［4］，獲得突破性進(jìn)展，大幅度提高了生產(chǎn)效率和成品率，降低了生產(chǎn)成本。艦船海水管道裝置用BFe10-1-1大口金薄壁管材的研制［5-6］，早已研制成功并實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

然而，由于含鎳30%的銅鎳合金其高溫和室溫變形抗力較BFe10-1-1高得多，擠壓、拉伸難度大。尤其是艦船海水管道裝置和海洋工程用BFe30-1-1大口徑白銅管材的研制起步晚，國內(nèi)尚未見到有關(guān)含鎳30%的銅鎳合金外徑大于Φ168mm的擠壓管和外徑大于Φ133mm的拉制管材的報(bào)道。

鑒于我國目前海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的需要，研制艦船海水管道裝置和海洋工程用BFe30-1-1大口徑白銅管材，迫在眉睫。

1 研制目標(biāo)

1.1 研制產(chǎn)品(表1)

表1 研制產(chǎn)品表Tab.1 Product development specification

1.2 主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)

產(chǎn)品的外形尺寸及尺寸允許偏差符合GB/T 1527的要求，其它各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)符合GB/T 8890的要求。BFe30-1-1大口徑白銅管材主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)見表2。

表2 研制產(chǎn)品主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators for product development

2 研制工藝及研制結(jié)果

2.1 研制工藝

BFe30-1-1大口徑管材的研制工藝及主要技術(shù)要求見表3、表4、表5。

表3 研制產(chǎn)品生產(chǎn)工藝(Φ133mm×3mm)Tab.3 Product development process(for Φ133mm ×3mm tube)

表4 研制產(chǎn)品生產(chǎn)工藝(Φ108mm×3mm)Tab.4 Product development process(for Φ108mm ×3mm tube)

/mm制頭、芯頭控制空拉 Φ122×3 拉模Φ122mm，襯芯Φ工序名稱 工序規(guī)格/mm 工藝參數(shù) 延伸系數(shù) 鋸切長(zhǎng)度116mm 1.092 －襯拉 Φ108×3 拉模Φ108mm，襯芯Φ102mm 1.133 －矯直、定尺、整理 Φ108×3 清除管端毛刺及銅沫，內(nèi)外表面除油 － 6000成品光亮退火 輥底式網(wǎng)帶爐 溫度:1區(qū)750℃，2、3、4區(qū)770℃;速度:20Hz － －包裝入庫 Φ108×3－

表5 研制產(chǎn)品生產(chǎn)工藝(Φ89mm×3mm)Tab.5 Product development process(for Φ89mm ×3mm tube)

2.2 研制結(jié)果

采用［俄л·в·普羅卓洛夫］擠壓力計(jì)算公式P=π/4(D02-d02)CLnλ(1+f× L/D0)Zσb［7］;式中，D0、d0、L0分別為擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)徑、穿孔針外徑和填充后鑄錠長(zhǎng)度;計(jì)算 BFe30-1-1空心鑄錠 Φ250.5/Φ153.6mm×420(500)mm擠壓Φ168mm×8mm的擠壓力，計(jì)算結(jié)果見表6。

BFe30-1-1擠壓Φ168mm×8mm大口徑白銅管坯研制結(jié)果見表7。

表6 擠壓力計(jì)算結(jié)果Tab.6 Results of extrusion force calculation

表7 銅管坯研制結(jié)果Tab.7 Results of the development of copper-nickel billet

Φ133mm×3mm BFe30-1-1大口徑白銅管拉伸工藝及拉伸力計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 拉伸工藝及拉伸力計(jì)算Tab.8 Drawing technology and drawing force calculation

BFe30-1-1拉伸 Φ133mm ×3mm、Φ108mm ×3mm、Φ89mm×3mm大口徑白銅成品管，經(jīng)精整、成品退火并按GB/T 1527-2006標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，管材的各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 討論與分析

分析各牌號(hào)銅合金的合金特性，含鎳30%的鐵錳白銅的固相點(diǎn)為1172.6℃，不但是高溫變形抗力和室溫變形抗力最高的合金之一，與模具的親和力(粘結(jié)模具的能力)也是最大的。

鑒于該合金的特性，研制大口徑白銅管，熱擠壓時(shí)需要較高的錠溫和大噸位擠壓機(jī);冷加工拉伸也需大噸位的拉伸機(jī)以及高硬度、高耐磨的拉伸模具才能實(shí)現(xiàn)金屬的加工變形。這就是研制BFe30-1-1大口徑白銅管的瓶頸和關(guān)鍵所在。

(1)由表 6 可知，BFe30-1-1 Φ168mm ×8mm 大口徑白銅管坯最大擠壓力約為34 MN。而根據(jù)表6、表7，該油壓機(jī)主柱塞直徑118cm、系統(tǒng)壓力28 MPa，其主柱塞產(chǎn)生的額定擠壓力為30.62 MN，該油壓機(jī)的能力顯然不足。

由表7可知，錠長(zhǎng)500 mm、錠溫1040℃時(shí)，擠壓力超過35MN，擠不動(dòng);而錠溫超過1090℃時(shí)，則因鑄錠溫度偏高，擠出管坯頭部出現(xiàn)裂紋。這是因?yàn)锽Fe30-1-1的固相點(diǎn)為1172.6℃，鑄錠測(cè)溫點(diǎn)的溫度達(dá)到1100℃，局部錠溫已超過其固相點(diǎn)溫度。由于該油壓機(jī)的能力不充分，致使在擠壓過程中錠溫低于1040℃時(shí)壓機(jī)擠不動(dòng)，錠溫高于1090℃時(shí)擠出管坯產(chǎn)生裂紋，把可擠壓的鑄錠溫度限制在1050～1090℃這一較窄的范圍內(nèi)，增加了工藝操作的難度;

(2)該研制工藝采用斜底天然氣加熱(預(yù)熱)+感應(yīng)加熱爐組合加熱方式加熱鑄錠，先將鑄錠在斜底天然氣加熱爐加熱至約600℃(預(yù)熱)，再轉(zhuǎn)入感應(yīng)加熱爐快速加熱至工藝規(guī)定的溫度并保溫。這樣既保證了錠溫的均勻性又減緩了鑄錠的表面氧化，縮短了鑄錠穿孔時(shí)間，減緩了因鑄錠冷卻引起的高溫變形抗力升高，確保擠壓過程穩(wěn)定。

研制過程中出現(xiàn)過鑄錠在感應(yīng)加熱爐中，因瞬時(shí)局部錠溫度過高(超過合金的固相點(diǎn)溫度)，兩個(gè)鑄錠斷面粘連的問題。為提高鑄錠加熱錠溫的均勻性，防止兩鑄錠斷面粘連，鑄錠在感應(yīng)爐加熱過程中，當(dāng)錠溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，采取斷電降低表面溫度 →升溫至設(shè)定溫度→斷電降低表面溫度→升溫至設(shè)定溫度的操作方法，提高加熱錠溫的均勻性;

(3)產(chǎn)品研制初期，為降低生產(chǎn)成本，擬采用拉伸過程連續(xù)拉伸不退火的拉伸工藝。研制過程中由于出現(xiàn)擠壓模?？啄p，擠壓管坯壁厚增厚;拉伸道次加工率偏大;硬質(zhì)合金模質(zhì)量欠佳;拉伸過程潤滑不良等問題，致使在拉伸第三道次時(shí)，出現(xiàn)拉伸?？子操|(zhì)合金被拉碎。

表8數(shù)據(jù)表明，拉制工藝的頭四道次拉伸力均已接近拉伸機(jī)的額定拉力500kN，所以道次加工率不宜過大。另外兩次軟化退火間的總加工率不宜超過50%。否則，將使拉伸難以進(jìn)行。

針對(duì)以上問題及BFe30-1-1白銅合金室溫變形抗力高和與模具親和力(粘結(jié)模具的能力)大的特點(diǎn)，為保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的拉伸過程，該研制工藝采用，適當(dāng)降低道次加工率，減小道次拉伸力;用石墨乳作為拉伸的潤滑劑，強(qiáng)化拉伸過程中的潤滑，達(dá)到潤滑劑與模具的潤滑和冷卻降溫作用;控制兩次退火間的加工率;用小道次加工率、石墨乳強(qiáng)化潤滑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多道次連續(xù)拉伸，最大限度減少了中間再結(jié)晶軟化退火次數(shù);

(4)BFe30-1-1室溫變形抗力大且與模具親和力(粘結(jié)模具的能力)強(qiáng)，拉伸模和拉伸芯頭材質(zhì)須采用硬質(zhì)合金，否則拉伸將難以進(jìn)行。用鋼質(zhì)模具拉伸BFe10-1-1大口徑白銅管時(shí)，拉出距前端4m時(shí)拉伸力僅200kN，但繼續(xù)拉伸拉伸力劇增至320kN，銅管被拉斷。檢查拉伸模和拉伸芯頭，發(fā)現(xiàn)拉伸芯頭工作部分脫鉻粘銅且芯頭的機(jī)體因高溫摩擦損壞。

采用硬質(zhì)合金拉伸模和拉伸芯頭價(jià)格高昂，為減少拉伸模具的數(shù)量，研制采用樹枝狀拉伸工藝。該拉伸工藝可減少拉伸模和拉伸芯頭及不必要的模具和庫存量;

(5)研制初期，拉制管材外徑尺寸超差嚴(yán)重(圓度超差)。針對(duì)這一問題，對(duì)BFe30-1-1Φ133mm×3 mm成品拉伸后各工序進(jìn)行剖析(表9)，拉伸后銅管測(cè)量的最大外徑與最小外徑差為0.67 mm;銅管從撥料桿落入落差為1m多的落料框，測(cè)其最大外徑與最小外徑差為1.6 mm。分析原因主要是近100 kg的銅管從落差為1m多的高度落下，管材受到重力撞擊變形所致。將同一支銅管吊至帶鋸上鋸切，其圓度值增至3.1mm，其原因主要是帶鋸鋸床的加緊裝置夾扁所致。針對(duì)上述問題，將落料框改為可升降的落料框，減小了落差和銅管的圓度值;帶鋸鋸床夾緊裝置的加緊板由平面改為曲面，增大了加緊板與銅管的接觸面積，從而減小了銅管鋸切時(shí)的鋸切變形。

表9 冷加工工序管材外徑尺寸的影響Tab.9 Comparison of tube outer diameters in various cold working processes

4 結(jié)論

(1)該研制工藝穩(wěn)定、可靠，研制的BFe30-1-1大口徑拉制管材的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到了客戶及標(biāo)準(zhǔn)的要求，實(shí)現(xiàn)了BFe30-1-1白銅大口徑管材的批量生產(chǎn);

(2)斜底天然氣加熱(預(yù)熱)+感應(yīng)加熱爐組合加熱方式加熱白銅空心鑄錠，可提高鑄錠表面與鑄錠中心層的均勻性，縮短鑄錠穿孔的時(shí)間，減少因鑄錠溫降引起變形抗力升高，導(dǎo)致難擠壓情況的發(fā)生;

(3)BFe30-1-1大口徑管材的研制，應(yīng)用小道次加工率和石墨乳強(qiáng)化潤滑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多道次連續(xù)拉伸，最大限度減少中間再結(jié)晶軟化退火次數(shù);

(4)產(chǎn)品研制表明，采用可升降的落料框和鋸切裝置的曲面夾緊板，對(duì)提高大口徑銅管的外徑精度是行之有效的。

［1］［1］陳凱.優(yōu)質(zhì)BFe30－1－1白銅管材生產(chǎn)工藝的研究［J］.銅加工，1988，(1):73.

［2］周用達(dá).60萬千瓦火力發(fā)電機(jī)組用冷凝管生產(chǎn)概述［J］.銅加工，1992，(1):120.

［3］王曾權(quán).論BFe30－1－1冷凝管生產(chǎn)工藝及其改進(jìn)的途徑［J］.銅加工，1996，(1):64.

［4］劉關(guān)強(qiáng).超長(zhǎng)白銅冷凝管生產(chǎn)工藝研究［J］.銅加工，2007，(2):21.

［5］狄大江.艦用BFe10－1－1大口金薄壁管材的研制［J］.銅加工，1999，(4):15.

［6］狄大江.用微變形拉制法生產(chǎn)軟態(tài)BFe10－1－1管材［J］.銅加工，2002，(1):15.