荊云海，張明祥，王偉，邱立朋，張立波，張峻(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032)

40 MN鋯擠壓機(jī)擠壓工藝研究

荊云海，張明祥，王偉，邱立朋，張立波，張峻
(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032)

鋯合金因其變形抗力大、流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)等特性，鋯合金擠壓過程中對(duì)擠壓比、工模具形狀、擠壓速度、加熱溫度、潤(rùn)滑工藝等都有嚴(yán)格的要求。某40 MN雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組生產(chǎn)某牌號(hào)核級(jí)鋯材，采用專用潤(rùn)滑劑涂層潤(rùn)滑，坯錠的加熱溫度偏差控制在30℃左右，保溫時(shí)間控制在10 min左右，采用擴(kuò)孔擠壓，擴(kuò)孔速度控制在5～10 mm/s，擠壓速度3～5 mm/s。達(dá)到鋯合金擠壓的最佳效果。

鋯合金;難變形金屬;擠壓工藝

0　前言

鋯是一種銀灰色有光澤的金屬。鋯合金是以金屬鋯為基體加入一種或多種合金元素組成的合金［1］。鋯和鋯合金可制成管材、板材和棒材，其中以管材為主要產(chǎn)品。管材主要由熱擠壓后軋制獲得。鋯和鋯合金的擠壓工藝特性兼有有色金屬和黑色金屬的擠壓工藝特性。鋯合金擠壓工藝對(duì)于擠壓比、工模具、擠壓速度、加熱溫度、潤(rùn)滑工藝等都有嚴(yán)格的要求。特別是核級(jí)鋯材的擠壓工藝，對(duì)于加熱工藝、潤(rùn)滑工藝和工模具要求更是苛刻。本文介紹了中國重型機(jī)械研究院股份公司設(shè)計(jì)成套的我國首條核級(jí)鋯材生產(chǎn)線40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組的工藝特點(diǎn)［2］。

1　鋯合金主要性能和用途

鋯合金具有良好的核性能和耐蝕性能，被用做水冷反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)材料或化工耐蝕材料。在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中，鋯合金有良好的耐蝕性能，對(duì)核燃料有良好的相容性，因此鋯合金主要用作水冷核反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)材料，如燃料包殼、壓力管、支架和孔道管等［3-6］。同時(shí)鋯合金對(duì)酸、堿和鹽有優(yōu)良的抗蝕性，因此也廣泛用于制造化工和制藥器皿。

2　鋯合金擠壓的工藝特點(diǎn)

2.1鋯材合金的擠壓溫度

鋯和鋯合金的金相組織都有同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，高溫時(shí)是體心立方結(jié)構(gòu)的β-Zr，低溫時(shí)是密排六方結(jié)構(gòu)的α-Zr。純鋯的相變溫度為862℃。鋯合金的轉(zhuǎn)變溫度受合金元素和雜質(zhì)元素的影響降低或升高［7-10］。

鋯合金擠壓一般在α相或α+β相進(jìn)行［11］。如Zr-2.5 Nb在α+β相擠壓，擠壓溫度一般在750℃～800℃;Zr-2和Zr-4在α相擠壓，擠壓溫度一般在680℃～730℃。β相的存在有利于擠壓成型，而溫度越高合金中的β相比例越高，因此所需擠壓力越小。但大量的β相會(huì)降低擠壓制品性能。擠壓溫度降低合金中的β相比例變小，所需擠壓力增大，但制品的性能會(huì)提高?？梢?，在設(shè)備擠壓能力足夠的情況下，鋯合金應(yīng)盡量選擇較低的擠壓溫度。例如:40 MN雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組擠壓某核級(jí)鋯，715℃擠壓，擠壓力為29.8 MN，突破力為38.9 MN;650℃擠壓，擠壓力為31.4 MN，突破力為40 MN;最終優(yōu)化選擇680℃擠壓，擠壓力為30.6 MN，突破力為38.5 MN。

2.2擠壓毛坯制備

鋯合金一般在β相區(qū)進(jìn)行鑄錠開坯，二次鍛造溫度要比開坯溫度稍低。純鋯和Zr-2合金的鍛造在α相區(qū)的高溫區(qū)進(jìn)行，Zr-2.5 Nb鍛造在(α+β)相區(qū)。

鋯合金金相組織中第二相粒子的大小和分布對(duì)其抗腐蝕性能影響很大，因此對(duì)于鍛造后的坯料還要淬火處理，淬火在β相進(jìn)行。

機(jī)械加工，將坯料加工到擠壓所需的尺寸，對(duì)于管材坯料還需預(yù)鉆孔。為了利于后續(xù)涂層潤(rùn)滑，坯料的加工粗糙度加工到6.3或3.2。

2.3擠壓潤(rùn)滑工藝

鋯合金具有變形抗力大、流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)等特性。在擠壓加工中，如果潤(rùn)滑不充分或缺少潤(rùn)滑，會(huì)出現(xiàn)粘膜、粘針、粘筒現(xiàn)象，既使擠壓制品表面質(zhì)量下降、破壞擠壓工具，又使擠壓力大幅度提高，甚至造成擠壓失敗。因此，合適的充分的潤(rùn)滑對(duì)于鋯合金，特別是核級(jí)鋯合金擠壓至關(guān)重要。在40 MN雙動(dòng)鋯合金擠壓機(jī)上，將以下潤(rùn)滑材料和潤(rùn)滑方式作了比較性試驗(yàn)。

(1)包銅潤(rùn)滑。將加工好的鋯錠表面及內(nèi)孔包覆1 mm厚的紫銅皮。紫銅在680℃時(shí)具有良好的延展性和流動(dòng)性，且不易與工具粘連。在擠壓過程中紫銅粘膜處于工具與鋯合金之間充當(dāng)潤(rùn)滑劑。

(2)涂粉潤(rùn)滑。在加熱后的坯錠表面及內(nèi)孔涂玻璃粉潤(rùn)滑。玻璃粉在680℃時(shí)進(jìn)入半熔融狀態(tài)，具有良好的延展性、流動(dòng)性。在擠壓過程中半熔融狀態(tài)玻璃粘膜處于工具與鋯合金之間充當(dāng)潤(rùn)滑劑。

(3)采用鋯合金擠壓專用潤(rùn)滑劑涂層潤(rùn)滑。在擠壓過程中半熔融狀態(tài)潤(rùn)滑劑粘膜處于工具與鋯合金之間充當(dāng)潤(rùn)滑劑。

試驗(yàn)結(jié)果及分析:

(1)包銅潤(rùn)滑，成功率約75%。主要因?yàn)閮?nèi)孔銅皮在擠壓中斷裂，造成潤(rùn)滑不連續(xù)，導(dǎo)致粘針。而且采用包銅潤(rùn)滑，不能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔擠壓工藝，只能采用空心錠擠壓，降低材料利用率，增大機(jī)加工工作量。后續(xù)處理去掉銅皮也很麻煩，需要酸洗。

(2)涂粉潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果很差。主要原因是涂粉潤(rùn)滑時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致坯錠溫降過大，且潤(rùn)滑不均勻，造成悶車。

(3)專用潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果很好。該專用潤(rùn)滑液主要成分為二硫化鉬、玻璃粉、石墨、水、粘附劑等。玻璃粉在680℃時(shí)進(jìn)入半熔融狀態(tài)，具有良好的延展性、流動(dòng)性和容納性;二硫化鉬和石墨融入半熔融狀態(tài)玻璃粘膜中，增強(qiáng)其延展性和流動(dòng)性;粘附劑主要起黏附作用，使?jié)櫥瑒┛梢岳喂谈街谂麇V上;水主要起稀釋作用，使?jié)櫥撼蔀橄『隣?。該?rùn)滑方式不占用擠壓時(shí)間，不會(huì)造成坯錠溫降，加熱時(shí)對(duì)坯錠有一定保護(hù)，附著性強(qiáng)，潤(rùn)滑效果好，且后續(xù)處理簡(jiǎn)單。采用鋯合金專用潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑，潤(rùn)滑成功率接近100%，是最理想的鋯合金擠壓潤(rùn)滑方式。

專用潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑工藝:潤(rùn)滑液配制－坯錠熱水洗滌浸入潤(rùn)滑液涂敷－拉出晾干－厚度檢查－內(nèi)孔潤(rùn)滑－風(fēng)干－潤(rùn)滑完成。

潤(rùn)滑過程應(yīng)注意的問題:①潤(rùn)滑液濃度應(yīng)合適，太濃，潤(rùn)滑不均勻;太稀，黏附厚度不足。②涂層厚度應(yīng)合適，太厚，涂層已破裂脫落;太薄，潤(rùn)滑效果差。③坯錠涂敷前必須洗滌干凈，不得黏附油膜等其它雜質(zhì)。④涂敷后必須留足夠干燥時(shí)間。⑤現(xiàn)涂現(xiàn)用，不得過期使用，涂敷后超過20 h不用，其潤(rùn)滑效果大打折扣。

2.4擠壓坯錠加熱工藝

鋯合金的擠壓溫度一般在650～800℃。因此，坯錠加熱溫度一般選在600～850℃。為了保證坯錠加熱均勻和涂層完好，加熱爐一般選用立式工頻加熱爐。

坯錠加熱的關(guān)鍵是控制坯錠溫差。在40 MN雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組試生產(chǎn)中，對(duì)于某牌號(hào)核級(jí)鋯的加熱工藝進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將坯錠軸向頭、中、尾加熱溫度偏差及徑向外、中、內(nèi)加熱溫度偏差均控制在30℃左右，保溫時(shí)間控制在10 min左右，可以達(dá)到最佳效果。既可保證擠壓過程的穩(wěn)定性;又可以保證加熱過程中不會(huì)局部突破相變點(diǎn)，造成過燒，產(chǎn)品質(zhì)量較好。

2.5擠壓工藝

鋯合金可以采用最常見的壓余擠壓方式擠壓，這種擠壓方式成品率低，對(duì)熱鋸要求很高，鋸片磨損很快。鋯合金高溫時(shí)特別粘，很容易粘鋸?qiáng)A鋸，而且，鋸切時(shí)鋸屑呈焰火狀飛濺，有安全隱患。因此，最好采用犧牲壓余方式擠壓，利用石墨墊代替擠壓末端的金屬成為壓余，鋯金屬全部擠壓成制品。其優(yōu)點(diǎn)是成品率高，無金屬壓余，不使用熱鋸，生產(chǎn)效率高。

為了提高材料利用率，鋯管擠壓一般采用擴(kuò)孔擠壓。對(duì)于核級(jí)鋯，擴(kuò)孔速度應(yīng)控制在5～10 mm/s。鋯合金一般采用中低速擠壓，核級(jí)鋯的擠壓速度3～5 mm/s，低合金鋯10～30 mm/s。

由于鋯合金的變形抗力很大，所需擠壓力很高，因此，鋯合金的擠壓比一般不大，6～10比較合適。擠壓比過大需要的擠壓力增大，造成壓應(yīng)力過高，工模具設(shè)計(jì)和選材都很困難;擠壓比過小，變形比小，制品質(zhì)量會(huì)下降。

對(duì)于鋯合金，擠壓工模具的潤(rùn)滑非常重要，有效優(yōu)良的潤(rùn)滑可以明顯降低擠壓力，提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，每次擠壓前，擠壓筒和模具都要用潤(rùn)滑漿噴涂，穿孔針和擴(kuò)孔頭也需要經(jīng)過潤(rùn)滑和預(yù)熱。

鋯合金采用錐?；蚯蛐文D壓，可以有效降低擠壓力，提高模具壽命。模具的錐度或球面形狀非常關(guān)鍵，是影響擠壓的關(guān)鍵因素之一。

3　結(jié)束語

中國重型機(jī)械研究院股份公司設(shè)計(jì)成套的40 MN雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組選用的潤(rùn)滑方式、加熱工藝及設(shè)計(jì)的擠壓工模具、工藝路線和參數(shù)都比較合理。有效地克服了鋯合金擠壓過程中鋯合金變形抗力大、流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)等問題。從而生產(chǎn)出了品質(zhì)優(yōu)良的核級(jí)鋯管、鋯棒。

［1］李獻(xiàn)軍．鋯及鋯合金概述［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2011 (01)．

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［11］王麗霞，張喜燕，薛祥義，等．鋯合金擠壓管坯的組織及織構(gòu)研究［J］．稀有金屬材料與工程，2013(01)．

Study on extrusion process of zirconium alloy

JING Yun-hai，ZHANG Ming-xiang，WANGWei，QIU Li-peng，ZHANG Li-bo，ZHANG Jun
(China National Heavy Machinery Research Institute Co．，Ltd．，Xi'an 710032，China)

Zirconium alloy has properties of large deformation resistance，poormobility，and strong viscosity．It leads strict requirements of extrusion ratio，mold shape，extrusion speed，heating temperature，and lubrication process．A 40 MN double-action zirconium extrusion is used to produce a grade of nuclear zirconium．Special lubricant is used for coating lubrication，heating temperature deviation of billet is controlled in about 30℃，holding time is controlled in about10 min，reaming extrusion is selected，reaming speed is 5～10 mm/s，and extrusion speed is 5～10 mm/s．Precise result can be obtained in zirconium alloy extruding．

zirconium alloy;extrusion speed;heating temperature;extrusion process

TG306

A

1001－196X(2015)02－0035－03

2014－09－10;

2014－10－23

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造科技重大專項(xiàng)”資金支持項(xiàng)目(20092X04005－031)

荊云海(1973－)，男，中國重型機(jī)械研究院股份公司高級(jí)工程師，研究方向:鍛壓設(shè)備。