含镍30%铁锰白铜大口径拉制管材的研制

2015-09-19狄大江何晓明黄路稠

有色金属加工 2015年2期

狄大江，何晓明，黄路稠

(1.浙江海亮股份有限公司，浙江诸暨311835;2.广东佛山市华鸿铜管有限公司，广东佛山528234)

含镍30%的铁锰白铜较BFe10-1-1具有更优越的耐海水冲刷腐蚀性能、力学性能和高温下优良的机械性能，广泛用于造船、电力、海水淡化、海洋工程和石油化工等行业。主要用来制造冷凝器、蒸发器、热交换器、海水淡化装置、海水管道装置和高强度耐蚀件。

近年来，舰船和发电用BFe30-1-1铜镍合金冷凝管生产工艺的研究［1-3］，取得了显著效果，并获得广泛应用。采用挤压→轧管→圆盘拉伸→圆盘刃模扒皮→倒立式盘拉→联合拉拔机(圆盘变直条拉伸)→退火，生产BFe10-1-1白铜冷凝管材的研制工艺［4］，获得突破性进展，大幅度提高了生产效率和成品率，降低了生产成本。舰船海水管道装置用BFe10-1-1大口金薄壁管材的研制［5-6］，早已研制成功并实现国产化。

然而，由于含镍30%的铜镍合金其高温和室温变形抗力较BFe10-1-1高得多，挤压、拉伸难度大。尤其是舰船海水管道装置和海洋工程用BFe30-1-1大口径白铜管材的研制起步晚，国内尚未见到有关含镍30%的铜镍合金外径大于Φ168mm的挤压管和外径大于Φ133mm的拉制管材的报道。

鉴于我国目前海洋强国战略的需要，研制舰船海水管道装置和海洋工程用BFe30-1-1大口径白铜管材，迫在眉睫。

1 研制目标

1.1 研制产品(表1)

表1 研制产品表Tab.1 Product development specification

1.2 主要技术质量指标

产品的外形尺寸及尺寸允许偏差符合GB/T 1527的要求，其它各项技术质量指标符合GB/T 8890的要求。BFe30-1-1大口径白铜管材主要技术质量指标见表2。

表2 研制产品主要技术质量指标Tab.2 Main technical indicators for product development

2 研制工艺及研制结果

2.1 研制工艺

BFe30-1-1大口径管材的研制工艺及主要技术要求见表3、表4、表5。

表3 研制产品生产工艺(Φ133mm×3mm)Tab.3 Product development process(for Φ133mm ×3mm tube)

表4 研制产品生产工艺(Φ108mm×3mm)Tab.4 Product development process(for Φ108mm ×3mm tube)

/mm制头、芯头控制空拉 Φ122×3 拉模Φ122mm，衬芯Φ工序名称工序规格/mm 工艺参数延伸系数锯切长度116mm 1.092 －衬拉 Φ108×3 拉模Φ108mm，衬芯Φ102mm 1.133 －矫直、定尺、整理 Φ108×3 清除管端毛刺及铜沫，内外表面除油－ 6000成品光亮退火辊底式网带炉温度:1区750℃，2、3、4区770℃;速度:20Hz －－包装入库 Φ108×3－

表5 研制产品生产工艺(Φ89mm×3mm)Tab.5 Product development process(for Φ89mm ×3mm tube)

2.2 研制结果

采用［俄л·в·普罗卓洛夫］挤压力计算公式P=π/4(D02-d02)CLnλ(1+f× L/D0)Zσb［7］;式中，D0、d0、L0分别为挤压筒内衬内径、穿孔针外径和填充后铸锭长度;计算 BFe30-1-1空心铸锭 Φ250.5/Φ153.6mm×420(500)mm挤压Φ168mm×8mm的挤压力，计算结果见表6。

BFe30-1-1挤压Φ168mm×8mm大口径白铜管坯研制结果见表7。

表6 挤压力计算结果Tab.6 Results of extrusion force calculation

表7 铜管坯研制结果Tab.7 Results of the development of copper-nickel billet

Φ133mm×3mm BFe30-1-1大口径白铜管拉伸工艺及拉伸力计算结果见表8。

表8 拉伸工艺及拉伸力计算Tab.8 Drawing technology and drawing force calculation

BFe30-1-1拉伸 Φ133mm ×3mm、Φ108mm ×3mm、Φ89mm×3mm大口径白铜成品管，经精整、成品退火并按GB/T 1527-2006标准检验，管材的各项技术质量指标均达到标准要求。

3 讨论与分析

分析各牌号铜合金的合金特性，含镍30%的铁锰白铜的固相点为1172.6℃，不但是高温变形抗力和室温变形抗力最高的合金之一，与模具的亲和力(粘结模具的能力)也是最大的。

鉴于该合金的特性，研制大口径白铜管，热挤压时需要较高的锭温和大吨位挤压机;冷加工拉伸也需大吨位的拉伸机以及高硬度、高耐磨的拉伸模具才能实现金属的加工变形。这就是研制BFe30-1-1大口径白铜管的瓶颈和关键所在。

(1)由表 6 可知，BFe30-1-1 Φ168mm ×8mm 大口径白铜管坯最大挤压力约为34 MN。而根据表6、表7，该油压机主柱塞直径118cm、系统压力28 MPa，其主柱塞产生的额定挤压力为30.62 MN，该油压机的能力显然不足。

由表7可知，锭长500 mm、锭温1040℃时，挤压力超过35MN，挤不动;而锭温超过1090℃时，则因铸锭温度偏高，挤出管坯头部出现裂纹。这是因为BFe30-1-1的固相点为1172.6℃，铸锭测温点的温度达到1100℃，局部锭温已超过其固相点温度。由于该油压机的能力不充分，致使在挤压过程中锭温低于1040℃时压机挤不动，锭温高于1090℃时挤出管坯产生裂纹，把可挤压的铸锭温度限制在1050～1090℃这一较窄的范围内，增加了工艺操作的难度;

(2)该研制工艺采用斜底天然气加热(预热)+感应加热炉组合加热方式加热铸锭，先将铸锭在斜底天然气加热炉加热至约600℃(预热)，再转入感应加热炉快速加热至工艺规定的温度并保温。这样既保证了锭温的均匀性又减缓了铸锭的表面氧化，缩短了铸锭穿孔时间，减缓了因铸锭冷却引起的高温变形抗力升高，确保挤压过程稳定。

研制过程中出现过铸锭在感应加热炉中，因瞬时局部锭温度过高(超过合金的固相点温度)，两个铸锭断面粘连的问题。为提高铸锭加热锭温的均匀性，防止两铸锭断面粘连，铸锭在感应炉加热过程中，当锭温达到设定温度时，采取断电降低表面温度 →升温至设定温度→断电降低表面温度→升温至设定温度的操作方法，提高加热锭温的均匀性;

(3)产品研制初期，为降低生产成本，拟采用拉伸过程连续拉伸不退火的拉伸工艺。研制过程中由于出现挤压模模孔磨损，挤压管坯壁厚增厚;拉伸道次加工率偏大;硬质合金模质量欠佳;拉伸过程润滑不良等问题，致使在拉伸第三道次时，出现拉伸模孔硬质合金被拉碎。

表8数据表明，拉制工艺的头四道次拉伸力均已接近拉伸机的额定拉力500kN，所以道次加工率不宜过大。另外两次软化退火间的总加工率不宜超过50%。否则，将使拉伸难以进行。

针对以上问题及BFe30-1-1白铜合金室温变形抗力高和与模具亲和力(粘结模具的能力)大的特点，为保证实现稳定的拉伸过程，该研制工艺采用，适当降低道次加工率，减小道次拉伸力;用石墨乳作为拉伸的润滑剂，强化拉伸过程中的润滑，达到润滑剂与模具的润滑和冷却降温作用;控制两次退火间的加工率;用小道次加工率、石墨乳强化润滑技术，实现了多道次连续拉伸，最大限度减少了中间再结晶软化退火次数;

(4)BFe30-1-1室温变形抗力大且与模具亲和力(粘结模具的能力)强，拉伸模和拉伸芯头材质须采用硬质合金，否则拉伸将难以进行。用钢质模具拉伸BFe10-1-1大口径白铜管时，拉出距前端4m时拉伸力仅200kN，但继续拉伸拉伸力剧增至320kN，铜管被拉断。检查拉伸模和拉伸芯头，发现拉伸芯头工作部分脱铬粘铜且芯头的机体因高温摩擦损坏。

采用硬质合金拉伸模和拉伸芯头价格高昂，为减少拉伸模具的数量，研制采用树枝状拉伸工艺。该拉伸工艺可减少拉伸模和拉伸芯头及不必要的模具和库存量;

(5)研制初期，拉制管材外径尺寸超差严重(圆度超差)。针对这一问题，对BFe30-1-1Φ133mm×3 mm成品拉伸后各工序进行剖析(表9)，拉伸后铜管测量的最大外径与最小外径差为0.67 mm;铜管从拨料杆落入落差为1m多的落料框，测其最大外径与最小外径差为1.6 mm。分析原因主要是近100 kg的铜管从落差为1m多的高度落下，管材受到重力撞击变形所致。将同一支铜管吊至带锯上锯切，其圆度值增至3.1mm，其原因主要是带锯锯床的加紧装置夹扁所致。针对上述问题，将落料框改为可升降的落料框，减小了落差和铜管的圆度值;带锯锯床夹紧装置的加紧板由平面改为曲面，增大了加紧板与铜管的接触面积，从而减小了铜管锯切时的锯切变形。