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品之一，年產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，銅管產量突破210萬t，產能超過300萬t，而且產業(yè)布局已經擴展到國外?？照{管制冷銅管是熱交換銅管中重要的大類產品，我國目前每年至少要消耗空調制冷銅管130萬t～145萬t，而且仍有上升空間。2020年在疫情的沖擊下，空調行業(yè)迎來了近5年來的首次回調，但是，近兩年來隨著新能效標準的推行實施，空調行業(yè)迎來了定、變頻更替的周期，加之國內房地產市場的重振和國外市場的潛力釋放，空調市場將重回上升通道，帶動銅管消費。有關統(tǒng)計研究表明，銅管行業(yè)未來5年內主要的消費增長還集中且依賴于制冷空調行業(yè)。

空調制冷用銅管材質為磷脫氧銅，在生產工藝方面大同小異，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。內螺紋銅管是其中一種高換熱效率銅管，廣泛應用于空調系統(tǒng)的冷凝器與蒸發(fā)器，支持著空調節(jié)能、節(jié)材和降耗技術的發(fā)展[1，2]。隨著國家“雙碳”目標戰(zhàn)略的提出，空調行業(yè)對銅管尤其是換熱器中銅管的質量要求進一步提高。由于內螺紋銅管齒形成形復雜，對銅管坯、生產設備、加工工藝以及模具設計制造要求較高，在生產過程中經常出現(xiàn)一些表面缺陷，導致銅管在空調廠家進行彎管、脹管時，容易產生暗裂、表面粗糙、甚至宏觀裂紋等，進而對空調“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，嚴重制約著內螺紋銅管產品質量和成材率。為此，本文針對Φ9.52mm的內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生的切實有效的方法，以期提升內螺紋銅管產品質量和成材率。

1 缺陷觀察

根據(jù)生產現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計分析，內螺紋銅管外表面白環(huán)狀印跡或內表面暗紋，一般在內螺紋旋壓成型工序產生，大外徑內螺紋尤其明顯，如Φ9.52mm系列內螺紋。表面輕微的白道和暗紋，經過旋轉探傷時得不到識別，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品退貨。

利用體式顯微鏡觀察有白道和暗紋缺陷的銅管內壁，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，兩側的暗線區(qū)域相對比較平整規(guī)則。“白道”與“暗紋”交替出現(xiàn)，并且兩側的暗線區(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，管材經過錐形段后金屬發(fā)生堆積后，經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果可知，這些白道和暗紋區(qū)域實際有許多細小溝槽、折皺、隆起和折疊聚集在一起，導致在銅管外、內表面宏觀呈現(xiàn)為白道、暗紋。圖4是內螺紋銅管內螺紋加工成形原理示意圖。光管管坯經過減徑模減徑后，在高速旋轉的鋼球滾壓下，銅管內表面的金屬被壓進螺紋芯頭的齒槽，在銅管內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螺紋管。根據(jù)加工原理和生成實踐經驗，減徑階段和定徑階段，都對銅管的表面質量有較好的改善作用。而在內螺紋旋壓成形階段，管坯受力較大而且復雜，金屬流動變形劇烈，可以初步推斷，內螺紋銅管白道和暗紋應該是在該階段形成的。

圖4 內螺紋銅管內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量下降，比如銅管內表面形成大量的隆起、溝槽，并聚集在一起，宏觀上呈現(xiàn)為內表面暗紋，如圖6所示。

(a)使用前；(b)使用后圖5 Φ9.52mm內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螺紋表面質量產生影響Fig.6 Effect of thread core wear on internal thread surface quality

而且螺紋芯頭表面失效，也會導致內螺紋成形阻力增加，對塑性側流現(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)等質量大，在高轉速旋壓過程中，受力、磨損等均較其他小外徑內螺紋銅管旋壓模具大。所以，在生產實踐過程中相對而言，Φ9.52mm內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，可以推斷造成內螺紋銅管表面白道、暗紋形成的原因，初步歸結為以下兩點：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對銅管內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螺紋銅管白道和暗紋缺陷。

圖7 塑性側流示意圖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，所以增加模具表面硬度能降低模具的磨耗率。當產生摩擦滑動時，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量必要舉措。摩擦系數(shù)的任何一點點微小的降低對于內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殘留問題，以及被加工銅管表面含銅物質附著問題，可從選擇合適的潤滑介質和改善潤滑油清潔度入手，從分子、原子層面設計并優(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，達到便于分離的目的，以維持良好的潤滑效能。

3 結論

(1)內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螺紋銅管白道和暗紋缺陷。