連續(xù)擠壓銅桿常見的問題及預(yù)防措施

王國迎

(中鐵建電氣化局集團(tuán)康遠(yuǎn)新材料有限公司，江蘇 靖江 214521 )

銅合金接觸線常見的生產(chǎn)方法有三種[1-4]，上引連鑄法(上引連鑄→冷軋→拉拔成形)、連鑄連軋法(連鑄連軋→預(yù)拉拔→拉拔成形)和連續(xù)擠壓法(上引連鑄→連續(xù)擠壓→拉拔成形)。上述工藝中，通過連續(xù)擠壓法生產(chǎn)的接觸線性能優(yōu)越，因此該工藝在接觸線的生產(chǎn)中被廣泛采用[5-6]。本文針對連續(xù)擠壓過程中擠壓銅桿常見的質(zhì)量問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 生產(chǎn)工藝

上世紀(jì)70年代，英國原子能管理局最早提出了連續(xù)擠壓技術(shù)[7]，它是一種新型、高效的技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能、材料利用率高，以及產(chǎn)品制造長度不受限等特點(diǎn)，因而在有色金屬制品領(lǐng)域中得到普遍應(yīng)用，尤其是銅合金和鋁合金加工行業(yè)[8-9]。連續(xù)擠壓工作原理如圖1所示。上引銅桿在壓實(shí)輪和擠壓輪的作用下，經(jīng)過擠壓輪槽被持續(xù)送入靴座，受到堵頭的阻擋作用后，上引銅桿的流動方向發(fā)生90°轉(zhuǎn)彎，被迫進(jìn)入擠壓模腔，在模腔內(nèi)發(fā)生劇烈的塑性變形并產(chǎn)生大量變形熱，上引銅桿在高溫下軟化，最終從擠壓模具擠出，形成擠壓銅桿。連續(xù)擠壓過程中上引銅桿內(nèi)部的鑄造組織被打碎、同時發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒被細(xì)化，其性能得到進(jìn)一步提升[10]。

目前我國常見接觸線種類有純銅、銅鎂、銅銀、銅錫合金等[11]。本文生產(chǎn)工藝如下：將陰極銅和合金元素按照相應(yīng)比例加入工頻熔煉爐，熔融保溫一段時間后，經(jīng)上引連鑄機(jī)引出桿坯(直徑為18mm～25mm)；上引銅桿再經(jīng)過連續(xù)擠壓機(jī)擠出相應(yīng)規(guī)格的擠壓桿(直徑為18mm～30mm)；最后經(jīng)巨型拉拔機(jī)拉制成相應(yīng)型號的接觸線。

2 常見缺陷及預(yù)防措施

2.1 氣泡

(1)現(xiàn)象。氣泡是指在擠壓銅桿表面分布著凸起的小鼓包(圖2)，它的存在嚴(yán)重影響接觸線的外觀質(zhì)量。拉拔過程中如氣泡破裂，則形成粗糙的表面；而未破裂的氣泡仍以小鼓包的方式存在。

(2)產(chǎn)生原因。上引銅桿表面有油性物質(zhì)或水分。當(dāng)銅桿進(jìn)入擠壓模腔后，油性物質(zhì)或水分受到高溫作用(模腔溫度在550℃左右)形成揮發(fā)性氣體，在封閉的模腔內(nèi)無法逸出而停留在金屬淺表層，最終在擠壓銅桿表面形成氣泡。一般而言，上引銅桿表面的油性物質(zhì)越多或潮濕程度越大，氣泡數(shù)量越多。

(3)預(yù)防措施。①保持銅桿清潔，在吊裝、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中避免有油污的工具(如吊繩、手套等)碰觸到上引銅桿，以防二次污染；②在連續(xù)擠壓前加強(qiáng)對上引銅桿的檢查，如存在油污或水，應(yīng)及時清理干凈并保持銅桿表面清潔。

2.2 堵料

(1)現(xiàn)象。堵料是指連續(xù)擠壓過程中在壓實(shí)輪與靴座之間出現(xiàn)上引銅桿堆積的現(xiàn)象(圖3)。堵料情況一旦發(fā)生，會導(dǎo)致上引銅桿被折斷，連續(xù)擠壓過程被迫終止。

(2)產(chǎn)生原因。①上引銅桿表面有油，其潤滑作用減小了上引銅桿在擠壓輪輪槽內(nèi)的摩擦力，當(dāng)摩擦力減小到不足以將上引銅桿持續(xù)送入擠壓模腔時，銅桿打滑并從槽內(nèi)翹出，堆積在壓實(shí)輪與靴座之間，從而出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。②擠壓輪輪槽內(nèi)的底銅脫落，進(jìn)一步增大了壓實(shí)輪與擠壓輪輪槽之間的距離，壓實(shí)輪對上引銅桿的壓實(shí)效果減弱，銅桿與擠壓輪輪槽之間接觸不充分，減小了兩者之間的摩擦力，易出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。

(3)預(yù)防措施。①保持上引銅桿表面清潔，必要時通過機(jī)械刷洗，增加銅桿表面的粗糙度。②發(fā)現(xiàn)底銅脫落時，及時修補(bǔ)底銅，并調(diào)整壓實(shí)輪與擠壓輪輪槽之間的距離，保證對銅桿的壓實(shí)效果。

2.3 波浪紋

(1)現(xiàn)象。波浪紋是指在擠壓銅桿上出現(xiàn)形似“水波紋”一樣的紋路(圖4)。

(2)產(chǎn)生原因。波浪紋在一定程度上反應(yīng)了連續(xù)擠壓過程中擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，當(dāng)擠壓轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時，從模具口出來的擠壓銅桿速度、金屬的緊實(shí)程度也不同，最終在擠壓銅桿表面出現(xiàn)波浪紋。實(shí)際生產(chǎn)中擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速波動幅度越大，擠壓銅桿表面水波紋現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(3)預(yù)防措施。保持?jǐn)D壓機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)節(jié)擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速時盡量采用“分步慢調(diào)”，避免擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大的起伏。

2.4 夾雜

(1)現(xiàn)象。夾雜是指擠壓銅桿中混入異類雜質(zhì)的現(xiàn)象，雜質(zhì)的存在破壞了擠壓銅桿基體的連續(xù)性、性能的均勻性，增加了接觸線出現(xiàn)分層，甚至斷裂的幾率。

(2)產(chǎn)生原因。按雜質(zhì)來源可分為以下幾種情形：①擠壓廢料。連續(xù)擠壓過程中為防止廢料進(jìn)入擠壓模腔，常安裝刮刀去除廢料。生產(chǎn)過程中由于刮刀磨損或刮刀與擠壓輪之間的間隙過大，導(dǎo)致刮除廢料不徹底，部分廢料進(jìn)入擠壓模腔，最終隱藏在擠壓銅桿中形成夾雜(圖5(a))。②上引銅桿中的夾雜。熔煉過程中為防止?fàn)t內(nèi)進(jìn)氧，常在熔體表面覆蓋木炭和石墨鱗片，在加料過程中部分木炭和石墨鱗片混入到熔體中；另外爐內(nèi)銅或其他合金元素與耐火材料發(fā)生反應(yīng)形成爐渣。因此，熔體中常含有爐渣、木炭、石墨鱗片等雜質(zhì)，在上引過程易將這些雜質(zhì)帶入上引銅桿，進(jìn)而遺傳到擠壓銅桿和接觸線中(圖5(b))。③工裝掉鐵。連續(xù)擠壓對工裝的配合精度要求十分嚴(yán)格，擠壓過程中工裝長期受到高溫、高壓的作用而發(fā)生形變，工裝間的配合精度也產(chǎn)生了偏差，導(dǎo)致部分工裝直接接觸發(fā)生磨損，如堵頭與擠壓輪之間、擠壓輪與壓實(shí)輪之間、刮刀與擠壓輪之間的磨損。磨損產(chǎn)生掉鐵現(xiàn)象，脫落的鐵屑或顆粒進(jìn)入到擠壓桿中形成夾雜(圖5(c)(d))。

(3)預(yù)防措施。①調(diào)整刮刀與擠壓輪的距離；另外及時更換磨損嚴(yán)重的刮刀，確保廢料刮除干凈。②熔煉過程中向爐內(nèi)加入除渣劑，減少爐渣的產(chǎn)生；選用優(yōu)質(zhì)木炭和石墨鱗片，使用前用篩網(wǎng)去除木炭碎屑，使用中減少對木炭和石墨鱗片的翻動次數(shù)；在結(jié)晶模具上增加過濾裝置，過濾熔體中的熔渣、木炭和石墨鱗片。③擠壓工裝安裝前，用磁鐵對關(guān)鍵位置進(jìn)行吸鐵檢查，及時修復(fù)磨損的部位。

2.5 冷隔

(1)現(xiàn)象。冷隔是指在擠壓銅桿外觀良好的情況下，內(nèi)部金屬不連續(xù)的現(xiàn)象。冷隔給接觸線造成的影響是致命的，它的存在易導(dǎo)致接觸線在生產(chǎn)中被拉斷。如冷隔隱藏在接觸線內(nèi)部而被應(yīng)用到電氣化鐵路上，將造成巨大的安全隱患。

(2)產(chǎn)生原因。①上引銅桿中存在大氣泡。大氣泡(圖6(a))的存在使上引銅桿內(nèi)形成了新的內(nèi)表面，在連續(xù)擠壓過程中擠壓模腔內(nèi)部始終處于密閉狀態(tài)，大氣泡難以逸出，只得隨金屬的變形而被壓縮，整個過程中上引銅桿內(nèi)部的金屬始終被大氣泡所隔斷而不能有效焊合，因此在擠壓銅桿內(nèi)部形成冷隔(圖6(b))。②模腔、導(dǎo)料板與擠壓輪間距過大，擠壓過程中上引銅桿尚有部分活動空間，從而出現(xiàn)銅桿彎曲折疊(圖6(c))現(xiàn)象[12]。折疊過程中上引銅桿表面的油污、氧化物等被帶入折疊間隙中，阻礙金屬在模腔內(nèi)的焊合，最終在擠壓銅桿中形成冷隔(圖6(d))。

(3)預(yù)防措施。①熔煉過程中注意觀察熔體液面高度，并適時調(diào)整結(jié)晶器的高度，避免熔體液面起伏時，結(jié)晶器不能將熔體有效地上引而在上引銅桿內(nèi)部形成大氣泡。在上引過程中安裝渦流探測儀，加強(qiáng)對上引銅桿內(nèi)部質(zhì)量的檢測，禁止有缺陷的銅桿流入連續(xù)擠壓工序。②通過增減靴座底部的墊片來調(diào)整模腔與擠壓輪之間的間隙；另外及時更換磨損的導(dǎo)料板以確保擠壓間隙在受控狀態(tài)(1mm～1.2mm)，確保銅桿在進(jìn)入模腔前不發(fā)生彎曲折疊現(xiàn)象。

2.6 充不滿

(1)現(xiàn)象。充不滿是指擠壓銅桿表面出現(xiàn)缺口、毛刺、鋸齒紋等特征(圖7(a))，其出現(xiàn)的位置和時間無明顯的規(guī)律性。另外，充不滿具有一定的遺傳性，拉拔工序并不會消除充不滿的影響，因而，在接觸線表面仍會出現(xiàn)裂紋、毛刺等特征(圖7(b))。

(2)產(chǎn)生原因。①上引銅桿表面存在油污。連續(xù)擠壓過程中，表面存在油污的上引銅桿易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，造成擠壓模腔內(nèi)金屬的填充不足、流動性不均勻，此時擠壓銅桿易出現(xiàn)充不滿缺陷。②擠壓工裝局部失效。工裝出現(xiàn)局部失效，如擠壓模腔裂紋、模具裂口等，導(dǎo)致擠壓模腔內(nèi)的壓力不斷變化，不能建立起穩(wěn)定、連續(xù)的擠壓過程，擠壓銅桿表面易出現(xiàn)充不滿缺陷。③擠壓工裝設(shè)計不合理。擠壓模腔、堵頭、擠壓模具、阻流環(huán)、墊圈等設(shè)計、配合不合理，導(dǎo)致金屬在連續(xù)擠壓過程中流動不順暢，擠壓模腔內(nèi)金屬不能穩(wěn)定、連續(xù)的補(bǔ)充到擠壓銅桿上，易出現(xiàn)充不滿缺陷。

(3)預(yù)防措施。①保持上引銅桿表面清潔，必要時通過機(jī)械刷洗，增加上引銅桿的粗糙度，防止上引銅桿打滑。②加強(qiáng)對擠壓工裝的檢查，并對失效或鄰近使用壽命的工裝作報廢處理。③根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，借助模擬或?qū)嶒?yàn)的手段不斷優(yōu)化擠壓工裝的設(shè)計，改善金屬在模腔內(nèi)的流動性，確定適合生產(chǎn)的擠壓工裝和工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

擠壓銅桿生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)氣泡、冷隔、充不滿等質(zhì)量問題是多個因素綜合的結(jié)果。實(shí)際生產(chǎn)中通過系統(tǒng)采取上述預(yù)防措施，使擠壓銅桿的成品率達(dá)到98.9%，提高了11.2%，節(jié)約了能源，提高了生產(chǎn)效率。為了防止上述質(zhì)量問題的出現(xiàn)，需要做到以下幾點(diǎn)：

(1)質(zhì)量優(yōu)良的上引銅桿是基礎(chǔ)。保持銅桿表面清潔，確保內(nèi)部無夾雜、空心、氣泡等缺陷。

(2)合理的擠壓工裝設(shè)計、配合是關(guān)鍵。選擇合理的擠壓工藝，定期對擠壓工裝進(jìn)行檢查，確保工裝處于良好穩(wěn)定的工作狀態(tài)，減少因工裝因素而產(chǎn)生的質(zhì)量問題。