40 MN锆挤压机挤压工艺研究

荆云海，张明祥，王伟，邱立朋，张立波，张峻(中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032)

40 MN锆挤压机挤压工艺研究

荆云海，张明祥，王伟，邱立朋，张立波，张峻
(中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032)

锆合金因其变形抗力大、流动性差、粘性强等特性，锆合金挤压过程中对挤压比、工模具形状、挤压速度、加热温度、润滑工艺等都有严格的要求。某40 MN双动锆挤压机组生产某牌号核级锆材，采用专用润滑剂涂层润滑，坯锭的加热温度偏差控制在30℃左右，保温时间控制在10 min左右，采用扩孔挤压，扩孔速度控制在5～10 mm/s，挤压速度3～5 mm/s。达到锆合金挤压的最佳效果。

锆合金;难变形金属;挤压工艺

0　前言

锆是一种银灰色有光泽的金属。锆合金是以金属锆为基体加入一种或多种合金元素组成的合金［1］。锆和锆合金可制成管材、板材和棒材，其中以管材为主要产品。管材主要由热挤压后轧制获得。锆和锆合金的挤压工艺特性兼有有色金属和黑色金属的挤压工艺特性。锆合金挤压工艺对于挤压比、工模具、挤压速度、加热温度、润滑工艺等都有严格的要求。特别是核级锆材的挤压工艺，对于加热工艺、润滑工艺和工模具要求更是苛刻。本文介绍了中国重型机械研究院股份公司设计成套的我国首条核级锆材生产线40 MN卧式双动锆挤压机组的工艺特点［2］。

1　锆合金主要性能和用途

锆合金具有良好的核性能和耐蚀性能，被用做水冷反应堆堆芯结构材料或化工耐蚀材料。在300～400℃的高温高压水和蒸汽中，锆合金有良好的耐蚀性能，对核燃料有良好的相容性，因此锆合金主要用作水冷核反应堆的堆芯结构材料，如燃料包壳、压力管、支架和孔道管等［3-6］。同时锆合金对酸、碱和盐有优良的抗蚀性，因此也广泛用于制造化工和制药器皿。

2　锆合金挤压的工艺特点

2.1锆材合金的挤压温度

锆和锆合金的金相组织都有同质异晶转变，高温时是体心立方结构的β-Zr，低温时是密排六方结构的α-Zr。纯锆的相变温度为862℃。锆合金的转变温度受合金元素和杂质元素的影响降低或升高［7-10］。

锆合金挤压一般在α相或α+β相进行［11］。如Zr-2.5 Nb在α+β相挤压，挤压温度一般在750℃～800℃;Zr-2和Zr-4在α相挤压，挤压温度一般在680℃～730℃。β相的存在有利于挤压成型，而温度越高合金中的β相比例越高，因此所需挤压力越小。但大量的β相会降低挤压制品性能。挤压温度降低合金中的β相比例变小，所需挤压力增大，但制品的性能会提高。可见，在设备挤压能力足够的情况下，锆合金应尽量选择较低的挤压温度。例如:40 MN双动锆挤压机组挤压某核级锆，715℃挤压，挤压力为29.8 MN，突破力为38.9 MN;650℃挤压，挤压力为31.4 MN，突破力为40 MN;最终优化选择680℃挤压，挤压力为30.6 MN，突破力为38.5 MN。

2.2挤压毛坯制备

锆合金一般在β相区进行铸锭开坯，二次锻造温度要比开坯温度稍低。纯锆和Zr-2合金的锻造在α相区的高温区进行，Zr-2.5 Nb锻造在(α+β)相区。

锆合金金相组织中第二相粒子的大小和分布对其抗腐蚀性能影响很大，因此对于锻造后的坯料还要淬火处理，淬火在β相进行。

机械加工，将坯料加工到挤压所需的尺寸，对于管材坯料还需预钻孔。为了利于后续涂层润滑，坯料的加工粗糙度加工到6.3或3.2。

2.3挤压润滑工艺

锆合金具有变形抗力大、流动性差、粘性强等特性。在挤压加工中，如果润滑不充分或缺少润滑，会出现粘膜、粘针、粘筒现象，既使挤压制品表面质量下降、破坏挤压工具，又使挤压力大幅度提高，甚至造成挤压失败。因此，合适的充分的润滑对于锆合金，特别是核级锆合金挤压至关重要。在40 MN双动锆合金挤压机上，将以下润滑材料和润滑方式作了比较性试验。

(1)包铜润滑。将加工好的锆锭表面及内孔包覆1 mm厚的紫铜皮。紫铜在680℃时具有良好的延展性和流动性，且不易与工具粘连。在挤压过程中紫铜粘膜处于工具与锆合金之间充当润滑剂。

(2)涂粉润滑。在加热后的坯锭表面及内孔涂玻璃粉润滑。玻璃粉在680℃时进入半熔融状态，具有良好的延展性、流动性。在挤压过程中半熔融状态玻璃粘膜处于工具与锆合金之间充当润滑剂。

(3)采用锆合金挤压专用润滑剂涂层润滑。在挤压过程中半熔融状态润滑剂粘膜处于工具与锆合金之间充当润滑剂。

试验结果及分析:

(1)包铜润滑，成功率约75%。主要因为内孔铜皮在挤压中断裂，造成润滑不连续，导致粘针。而且采用包铜润滑，不能实现扩孔挤压工艺，只能采用空心锭挤压，降低材料利用率，增大机加工工作量。后续处理去掉铜皮也很麻烦，需要酸洗。

(2)涂粉润滑，润滑效果很差。主要原因是涂粉润滑时间长，导致坯锭温降过大，且润滑不均匀，造成闷车。

(3)专用润滑剂润滑，润滑效果很好。该专用润滑液主要成分为二硫化钼、玻璃粉、石墨、水、粘附剂等。玻璃粉在680℃时进入半熔融状态，具有良好的延展性、流动性和容纳性;二硫化钼和石墨融入半熔融状态玻璃粘膜中，增强其延展性和流动性;粘附剂主要起黏附作用，使润滑剂可以牢固附着在坯锭上;水主要起稀释作用，使润滑液成为稀糊状。该润滑方式不占用挤压时间，不会造成坯锭温降，加热时对坯锭有一定保护，附着性强，润滑效果好，且后续处理简单。采用锆合金专用润滑剂润滑，润滑成功率接近100%，是最理想的锆合金挤压润滑方式。

专用润滑剂润滑工艺:润滑液配制－坯锭热水洗涤浸入润滑液涂敷－拉出晾干－厚度检查－内孔润滑－风干－润滑完成。

润滑过程应注意的问题:①润滑液浓度应合适，太浓，润滑不均匀;太稀，黏附厚度不足。②涂层厚度应合适，太厚，涂层已破裂脱落;太薄，润滑效果差。③坯锭涂敷前必须洗涤干净，不得黏附油膜等其它杂质。④涂敷后必须留足够干燥时间。⑤现涂现用，不得过期使用，涂敷后超过20 h不用，其润滑效果大打折扣。

2.4挤压坯锭加热工艺

锆合金的挤压温度一般在650～800℃。因此，坯锭加热温度一般选在600～850℃。为了保证坯锭加热均匀和涂层完好，加热炉一般选用立式工频加热炉。

坯锭加热的关键是控制坯锭温差。在40 MN双动锆挤压机组试生产中，对于某牌号核级锆的加热工艺进行了试验，发现将坯锭轴向头、中、尾加热温度偏差及径向外、中、内加热温度偏差均控制在30℃左右，保温时间控制在10 min左右，可以达到最佳效果。既可保证挤压过程的稳定性;又可以保证加热过程中不会局部突破相变点，造成过烧，产品质量较好。

2.5挤压工艺

锆合金可以采用最常见的压余挤压方式挤压，这种挤压方式成品率低，对热锯要求很高，锯片磨损很快。锆合金高温时特别粘，很容易粘锯夹锯，而且，锯切时锯屑呈焰火状飞溅，有安全隐患。因此，最好采用牺牲压余方式挤压，利用石墨垫代替挤压末端的金属成为压余，锆金属全部挤压成制品。其优点是成品率高，无金属压余，不使用热锯，生产效率高。

为了提高材料利用率，锆管挤压一般采用扩孔挤压。对于核级锆，扩孔速度应控制在5～10 mm/s。锆合金一般采用中低速挤压，核级锆的挤压速度3～5 mm/s，低合金锆10～30 mm/s。

由于锆合金的变形抗力很大，所需挤压力很高，因此，锆合金的挤压比一般不大，6～10比较合适。挤压比过大需要的挤压力增大，造成压应力过高，工模具设计和选材都很困难;挤压比过小，变形比小，制品质量会下降。

对于锆合金，挤压工模具的润滑非常重要，有效优良的润滑可以明显降低挤压力，提高产品质量。因此，每次挤压前，挤压筒和模具都要用润滑浆喷涂，穿孔针和扩孔头也需要经过润滑和预热。

锆合金采用锥模或球形模挤压，可以有效降低挤压力，提高模具寿命。模具的锥度或球面形状非常关键，是影响挤压的关键因素之一。

3　结束语

中国重型机械研究院股份公司设计成套的40 MN双动锆挤压机组选用的润滑方式、加热工艺及设计的挤压工模具、工艺路线和参数都比较合理。有效地克服了锆合金挤压过程中锆合金变形抗力大、流动性差、粘性强等问题。从而生产出了品质优良的核级锆管、锆棒。

［1］李献军．锆及锆合金概述［J］．钛工业进展，2011 (01)．

［2］荆云海，权晓惠，郑文达，等．卧式双动锆挤压生产线［J］．重型机械，2012(3)．

［3］彭倩，沈保罗．锆合金的织构及其对性能的影响［J］．稀有金属，2005(06)．

［4］袁改焕，李恒羽，王德华．锆材在核电站的应用及前景［J］．稀有金属快报，2007(01)．

［5］窦丽娟，党辉，徐呈，等．锆合金力学性能分析［J］．金属世界，2014(02)．

［6］王庆娟，王静怡，杜忠泽，等．高性能铜铬锆合金的特点及应用［J］．材料导报．2012(09)．

［7］马琳生，王快社，岳强，等．核反应堆用锆合金性能分析［J］．金属世界，2014(04)．

［8］赵文金，周邦新，苗志，等．我国高性能锆合金的发展［J］．原子能科学技术．2005(01)．

［9］彭继华，李文芳，Jean-Luc Bechade，R．Maury．织构对先进锆合金蠕变性能各向异性的影响［J］．稀有金属，2008(01)．

［10］高世奇，李小宁，薛艳丽，等．加工工艺对锆合金微观结构及力学性能的影响［J］．热加工工艺，2013(16)．

［11］王丽霞，张喜燕，薛祥义，等．锆合金挤压管坯的组织及织构研究［J］．稀有金属材料与工程，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

“高档数控机床与基础制造科技重大专项”资金支持项目(20092X04005－031)

荆云海(1973－)，男，中国重型机械研究院股份公司高级工程师，研究方向:锻压设备。