內(nèi)螺紋銅管表面白道和暗紋形成機理及防控研究

萬胤明，胡春暉，顧芝菡，倪志星，黃紅偉，劉俊偉

(1.江西銅業(yè) 加工事業(yè)部，江西 南昌 330096；2.南昌航空大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330096)

銅管材是我國銅加工材中重要的大類產(chǎn)品之一，年產(chǎn)量占銅加工材總量的10%～12%。我國銅管行業(yè)自20世紀90年代進入發(fā)展快車道，2021年，銅管產(chǎn)量突破210萬t，產(chǎn)能超過300萬t，而且產(chǎn)業(yè)布局已經(jīng)擴展到國外?？照{(diào)管制冷銅管是熱交換銅管中重要的大類產(chǎn)品，我國目前每年至少要消耗空調(diào)制冷銅管130萬t～145萬t，而且仍有上升空間。2020年在疫情的沖擊下，空調(diào)行業(yè)迎來了近5年來的首次回調(diào)，但是，近兩年來隨著新能效標準的推行實施，空調(diào)行業(yè)迎來了定、變頻更替的周期，加之國內(nèi)房地產(chǎn)市場的重振和國外市場的潛力釋放，空調(diào)市場將重回上升通道，帶動銅管消費。有關(guān)統(tǒng)計研究表明，銅管行業(yè)未來5年內(nèi)主要的消費增長還集中且依賴于制冷空調(diào)行業(yè)。

空調(diào)制冷用銅管材質(zhì)為磷脫氧銅，在生產(chǎn)工藝方面大同小異，多通過水平連鑄、行星軋制、連續(xù)拉拔和旋壓成形等工藝制備。內(nèi)螺紋銅管是其中一種高換熱效率銅管，廣泛應用于空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器與蒸發(fā)器，支持著空調(diào)節(jié)能、節(jié)材和降耗技術(shù)的發(fā)展[1，2]。隨著國家“雙碳”目標戰(zhàn)略的提出，空調(diào)行業(yè)對銅管尤其是換熱器中銅管的質(zhì)量要求進一步提高。由于內(nèi)螺紋銅管齒形成形復雜，對銅管坯、生產(chǎn)設(shè)備、加工工藝以及模具設(shè)計制造要求較高，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些表面缺陷，導致銅管在空調(diào)廠家進行彎管、脹管時，容易產(chǎn)生暗裂、表面粗糙、甚至宏觀裂紋等，進而對空調(diào)“兩器”的氣密性和使用壽命均有不利影響[3-6]。目前，外徑為9.52mm的內(nèi)螺紋銅管，其表面白道和暗紋缺陷較為突出，出現(xiàn)概率也較高，嚴重制約著內(nèi)螺紋銅管產(chǎn)品質(zhì)量和成材率。為此，本文針對Φ9.52mm的內(nèi)螺紋銅管表面典型的白道和暗紋缺陷展開研究，對其形成機理進行深入分析，并提出減少此類缺陷產(chǎn)生的切實有效的方法，以期提升內(nèi)螺紋銅管產(chǎn)品質(zhì)量和成材率。

1 缺陷觀察

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計分析，內(nèi)螺紋銅管外表面白環(huán)狀印跡或內(nèi)表面暗紋，一般在內(nèi)螺紋旋壓成型工序產(chǎn)生，大外徑內(nèi)螺紋尤其明顯，如Φ9.52mm系列內(nèi)螺紋。表面輕微的白道和暗紋，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)探傷時得不到識別，退火后做拉伸檢測表面無異常，但客戶在彎管過程中存在暗裂隱患，造成客戶投訴及批量的產(chǎn)品退貨。

利用體式顯微鏡觀察有白道和暗紋缺陷的銅管內(nèi)壁，選取一段銅管材，沿管材軸向剪開管材，平展管材，對有白道和暗紋的部位用記號筆標下，最后得到的線狀劃痕形貌如圖1所示，圖中，1代表暗線，2代表亮線，外側(cè)的暗線是凸起，中間的亮線下凹。

圖1 白道和暗紋缺陷的表面立體顯微形貌圖Fig.1 Surface stereoscopic micrograph of white and dark line defects

圖2為Φ9.52mm內(nèi)螺紋銅管表面白道和暗紋缺陷掃描電鏡放大照片，可以發(fā)現(xiàn)白道和暗紋缺陷由很多小的溝槽、折皺形成，如圖中白色箭頭所示。其中中間的亮線溝槽較多，兩側(cè)的暗線區(qū)域相對比較平整規(guī)則?！鞍椎馈迸c“暗紋”交替出現(xiàn)，并且兩側(cè)的暗線區(qū)域明顯要比中間亮線區(qū)域高。中間亮線區(qū)域溝槽較多，還有一些隆起、折疊，兩側(cè)暗線區(qū)域相對較平整規(guī)則。中間亮線區(qū)的小溝槽可能是錐形段或者定徑段的壓力所致，管材經(jīng)過錐形段后金屬發(fā)生堆積后，經(jīng)定徑段壓制后形成一條條折皺。根據(jù)以上分析，可以將白道和暗紋缺陷的形貌簡化為如圖3所示的直觀示意圖。

圖2 銅管外表面白道和暗紋的形貌圖Fig.2 Scanning electron microscope morphology of white and dark lines

圖3 銅管表面白道和暗紋缺陷示意圖Fig.3 Schematic diagram of defects of white and dark lines on copper tube surface

2 成因分析

據(jù)上述白道和暗紋缺陷放大觀察分析結(jié)果可知，這些白道和暗紋區(qū)域?qū)嶋H有許多細小溝槽、折皺、隆起和折疊聚集在一起，導致在銅管外、內(nèi)表面宏觀呈現(xiàn)為白道、暗紋。圖4是內(nèi)螺紋銅管內(nèi)螺紋加工成形原理示意圖。光管管坯經(jīng)過減徑模減徑后，在高速旋轉(zhuǎn)的鋼球滾壓下，銅管內(nèi)表面的金屬被壓進螺紋芯頭的齒槽，在銅管內(nèi)表面形成一定齒高的齒型。在拉拔力作用下，銅管不斷向前運動，從而在銅管內(nèi)壁形成連續(xù)的螺紋。最后通過定徑模定徑后，成為符合客戶要求的內(nèi)螺紋管。根據(jù)加工原理和生成實踐經(jīng)驗，減徑階段和定徑階段，都對銅管的表面質(zhì)量有較好的改善作用。而在內(nèi)螺紋旋壓成形階段，管坯受力較大而且復雜，金屬流動變形劇烈，可以初步推斷，內(nèi)螺紋銅管白道和暗紋應該是在該階段形成的。

圖4 內(nèi)螺紋銅管內(nèi)螺紋加工成形示意圖Fig.4 Schematic diagram of internal thread processing of inner-grooved copper tube

圖5為Φ9.52mm內(nèi)螺紋銅管螺紋芯頭使用前后的表面狀態(tài)圖。可以看出，使用后的螺紋芯頭模具表面受力最大的部位發(fā)生失效，會導致被加工材料塑性流動阻力增大。因附加的摩擦力，導致金屬流動失穩(wěn)，進而造成被加工件表面質(zhì)量下降，比如銅管內(nèi)表面形成大量的隆起、溝槽，并聚集在一起，宏觀上呈現(xiàn)為內(nèi)表面暗紋，如圖6所示。

(a)使用前；(b)使用后圖5 Φ9.52mm內(nèi)螺紋銅管螺紋芯頭表面狀態(tài)Fig.5 Surface condition of threaded core of Φ9.52mm inner-grooved copper tube

(a)使用前；(b)使用后圖6 螺紋芯頭磨損后對內(nèi)螺紋表面質(zhì)量產(chǎn)生影響Fig.6 Effect of thread core wear on internal thread surface quality

而且螺紋芯頭表面失效，也會導致內(nèi)螺紋成形阻力增加，對塑性側(cè)流現(xiàn)象影響顯著(圖7)，并加劇表面切向流動，進一步造成管壁外表面白道等缺陷的形成。另外，由于Φ9.52mm內(nèi)螺紋銅管的外徑較大，其對應的旋壓模具，如鋼球、旋壓環(huán)等質(zhì)量大，在高轉(zhuǎn)速旋壓過程中，受力、磨損等均較其他小外徑內(nèi)螺紋銅管旋壓模具大。所以，在生產(chǎn)實踐過程中相對而言，Φ9.52mm內(nèi)螺紋銅管的白道和暗紋缺陷較為突出，出現(xiàn)概率也較高。

根據(jù)上述分析，可以推斷造成內(nèi)螺紋銅管表面白道、暗紋形成的原因，初步歸結(jié)為以下兩點：一是芯頭微細溝槽表面粗糙度不均，表面硬度不夠使材料成型過程的流動阻力增加；二是磨損、潤滑不良等原因造成模具芯頭或旋壓鋼球?qū)︺~管內(nèi)外表面造成劃傷和拉傷。因此，我們可以采取以下辦法來防控內(nèi)螺紋銅管白道和暗紋缺陷。

圖7 塑性側(cè)流示意圖Fig.7 Schematic diagram of plastic side flow

(1)提高模具表面硬度和耐磨性。材料硬度提高、垂直于工件表面的分力提高，都會使得塑性側(cè)流凸峰高度有降低的趨勢。因此對模具材料上進行強化處理有望減少加工過程中的塑性側(cè)流并提升被加工表面的平整度。耐磨性在一定程度上與材料的硬度相關(guān)，所以增加模具表面硬度能降低模具的磨耗率。當產(chǎn)生摩擦滑動時，也能保持一種低摩擦滑移狀態(tài)。因此，可以對螺紋芯頭、旋壓鋼球、旋壓環(huán)等模具的表面鍍覆表面強化涂層，進而提高模具表面硬度和耐磨性。

(2)提升潤滑效能。除提高模具表面硬度、保持模具表面完好以提升銅管外表面質(zhì)量外，減摩性能的提升和維持良好的潤滑效能也是提高銅管表面質(zhì)量必要舉措。摩擦系數(shù)的任何一點點微小的降低對于內(nèi)螺紋銅管成型工藝而言都是極其重要的，它不僅決定著工藝能否順利進行，而且也決定著銅管的成形質(zhì)量以及工藝穩(wěn)定性；此外，摩擦系數(shù)的降低也可有效降低模具的損耗。為有效控制內(nèi)螺紋銅管在加工成型過程中的摩擦磨損，提高潤滑油效能和使用周期，解決潤滑油中含銅物質(zhì)殘留問題，以及被加工銅管表面含銅物質(zhì)附著問題，可從選擇合適的潤滑介質(zhì)和改善潤滑油清潔度入手，從分子、原子層面設(shè)計并優(yōu)選潤滑添加劑，通過引入一種(或以上)改性分子抓取體系中的含銅物質(zhì)，達到便于分離的目的，以維持良好的潤滑效能。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)螺紋銅管的白道和暗紋缺陷實際是由許多細小溝槽、折皺、隆起和折疊聚集在一起，導致在銅管外、內(nèi)表面宏觀呈現(xiàn)為白道、暗紋。

(2)螺紋芯頭微細溝槽表面粗糙度不均、表面硬度不夠，模具磨損、潤滑不良等是內(nèi)螺紋銅管的白道和暗紋缺陷形成的主要原因。提高模具表面硬度和耐磨性，提升潤滑效能可以有效防控內(nèi)螺紋銅管白道和暗紋缺陷。