连续挤压铜杆常见的问题及预防措施

2020-05-03王国迎

有色金属加工 2020年2期

王国迎

(中铁建电气化局集团康远新材料有限公司，江苏靖江 214521 )

铜合金接触线常见的生产方法有三种[1-4]，上引连铸法(上引连铸→冷轧→拉拔成形)、连铸连轧法(连铸连轧→预拉拔→拉拔成形)和连续挤压法(上引连铸→连续挤压→拉拔成形)。上述工艺中，通过连续挤压法生产的接触线性能优越，因此该工艺在接触线的生产中被广泛采用[5-6]。本文针对连续挤压过程中挤压铜杆常见的质量问题进行分析，并提出相应的预防措施。

1 生产工艺

上世纪70年代，英国原子能管理局最早提出了连续挤压技术[7]，它是一种新型、高效的技术，具有生产效率高、节能、材料利用率高，以及产品制造长度不受限等特点，因而在有色金属制品领域中得到普遍应用，尤其是铜合金和铝合金加工行业[8-9]。连续挤压工作原理如图1所示。上引铜杆在压实轮和挤压轮的作用下，经过挤压轮槽被持续送入靴座，受到堵头的阻挡作用后，上引铜杆的流动方向发生90°转弯，被迫进入挤压模腔，在模腔内发生剧烈的塑性变形并产生大量变形热，上引铜杆在高温下软化，最终从挤压模具挤出，形成挤压铜杆。连续挤压过程中上引铜杆内部的铸造组织被打碎、同时发生动态再结晶，晶粒被细化，其性能得到进一步提升[10]。

目前我国常见接触线种类有纯铜、铜镁、铜银、铜锡合金等[11]。本文生产工艺如下：将阴极铜和合金元素按照相应比例加入工频熔炼炉，熔融保温一段时间后，经上引连铸机引出杆坯(直径为18mm～25mm)；上引铜杆再经过连续挤压机挤出相应规格的挤压杆(直径为18mm～30mm)；最后经巨型拉拔机拉制成相应型号的接触线。

2 常见缺陷及预防措施

2.1 气泡

(1)现象。气泡是指在挤压铜杆表面分布着凸起的小鼓包(图2)，它的存在严重影响接触线的外观质量。拉拔过程中如气泡破裂，则形成粗糙的表面；而未破裂的气泡仍以小鼓包的方式存在。

(2)产生原因。上引铜杆表面有油性物质或水分。当铜杆进入挤压模腔后，油性物质或水分受到高温作用(模腔温度在550℃左右)形成挥发性气体，在封闭的模腔内无法逸出而停留在金属浅表层，最终在挤压铜杆表面形成气泡。一般而言，上引铜杆表面的油性物质越多或潮湿程度越大，气泡数量越多。

(3)预防措施。①保持铜杆清洁，在吊装、转运过程中避免有油污的工具(如吊绳、手套等)碰触到上引铜杆，以防二次污染；②在连续挤压前加强对上引铜杆的检查，如存在油污或水，应及时清理干净并保持铜杆表面清洁。

2.2 堵料

(1)现象。堵料是指连续挤压过程中在压实轮与靴座之间出现上引铜杆堆积的现象(图3)。堵料情况一旦发生，会导致上引铜杆被折断，连续挤压过程被迫终止。

(2)产生原因。①上引铜杆表面有油，其润滑作用减小了上引铜杆在挤压轮轮槽内的摩擦力，当摩擦力减小到不足以将上引铜杆持续送入挤压模腔时，铜杆打滑并从槽内翘出，堆积在压实轮与靴座之间，从而出现堵料现象。②挤压轮轮槽内的底铜脱落，进一步增大了压实轮与挤压轮轮槽之间的距离，压实轮对上引铜杆的压实效果减弱，铜杆与挤压轮轮槽之间接触不充分，减小了两者之间的摩擦力，易出现堵料现象。

(3)预防措施。①保持上引铜杆表面清洁，必要时通过机械刷洗，增加铜杆表面的粗糙度。②发现底铜脱落时，及时修补底铜，并调整压实轮与挤压轮轮槽之间的距离，保证对铜杆的压实效果。

2.3 波浪纹

(1)现象。波浪纹是指在挤压铜杆上出现形似“水波纹”一样的纹路(图4)。

(2)产生原因。波浪纹在一定程度上反应了连续挤压过程中挤压机转速的波动，当挤压转速不稳定时，从模具口出来的挤压铜杆速度、金属的紧实程度也不同，最终在挤压铜杆表面出现波浪纹。实际生产中挤压机转速波动幅度越大，挤压铜杆表面水波纹现象越严重。

(3)预防措施。保持挤压机转速稳定，调节挤压机转速时尽量采用“分步慢调”，避免挤压机转速出现较大的起伏。

2.4 夹杂

(1)现象。夹杂是指挤压铜杆中混入异类杂质的现象，杂质的存在破坏了挤压铜杆基体的连续性、性能的均匀性，增加了接触线出现分层，甚至断裂的几率。

(2)产生原因。按杂质来源可分为以下几种情形：①挤压废料。连续挤压过程中为防止废料进入挤压模腔，常安装刮刀去除废料。生产过程中由于刮刀磨损或刮刀与挤压轮之间的间隙过大，导致刮除废料不彻底，部分废料进入挤压模腔，最终隐藏在挤压铜杆中形成夹杂(图5(a))。②上引铜杆中的夹杂。熔炼过程中为防止炉内进氧，常在熔体表面覆盖木炭和石墨鳞片，在加料过程中部分木炭和石墨鳞片混入到熔体中；另外炉内铜或其他合金元素与耐火材料发生反应形成炉渣。因此，熔体中常含有炉渣、木炭、石墨鳞片等杂质，在上引过程易将这些杂质带入上引铜杆，进而遗传到挤压铜杆和接触线中(图5(b))。③工装掉铁。连续挤压对工装的配合精度要求十分严格，挤压过程中工装长期受到高温、高压的作用而发生形变，工装间的配合精度也产生了偏差，导致部分工装直接接触发生磨损，如堵头与挤压轮之间、挤压轮与压实轮之间、刮刀与挤压轮之间的磨损。磨损产生掉铁现象，脱落的铁屑或颗粒进入到挤压杆中形成夹杂(图5(c)(d))。

(3)预防措施。①调整刮刀与挤压轮的距离；另外及时更换磨损严重的刮刀，确保废料刮除干净。②熔炼过程中向炉内加入除渣剂，减少炉渣的产生；选用优质木炭和石墨鳞片，使用前用筛网去除木炭碎屑，使用中减少对木炭和石墨鳞片的翻动次数；在结晶模具上增加过滤装置，过滤熔体中的熔渣、木炭和石墨鳞片。③挤压工装安装前，用磁铁对关键位置进行吸铁检查，及时修复磨损的部位。

2.5 冷隔

(1)现象。冷隔是指在挤压铜杆外观良好的情况下，内部金属不连续的现象。冷隔给接触线造成的影响是致命的，它的存在易导致接触线在生产中被拉断。如冷隔隐藏在接触线内部而被应用到电气化铁路上，将造成巨大的安全隐患。

(2)产生原因。①上引铜杆中存在大气泡。大气泡(图6(a))的存在使上引铜杆内形成了新的内表面，在连续挤压过程中挤压模腔内部始终处于密闭状态，大气泡难以逸出，只得随金属的变形而被压缩，整个过程中上引铜杆内部的金属始终被大气泡所隔断而不能有效焊合，因此在挤压铜杆内部形成冷隔(图6(b))。②模腔、导料板与挤压轮间距过大，挤压过程中上引铜杆尚有部分活动空间，从而出现铜杆弯曲折叠(图6(c))现象[12]。折叠过程中上引铜杆表面的油污、氧化物等被带入折叠间隙中，阻碍金属在模腔内的焊合，最终在挤压铜杆中形成冷隔(图6(d))。

(3)预防措施。①熔炼过程中注意观察熔体液面高度，并适时调整结晶器的高度，避免熔体液面起伏时，结晶器不能将熔体有效地上引而在上引铜杆内部形成大气泡。在上引过程中安装涡流探测仪，加强对上引铜杆内部质量的检测，禁止有缺陷的铜杆流入连续挤压工序。②通过增减靴座底部的垫片来调整模腔与挤压轮之间的间隙；另外及时更换磨损的导料板以确保挤压间隙在受控状态(1mm～1.2mm)，确保铜杆在进入模腔前不发生弯曲折叠现象。

2.6 充不满

(1)现象。充不满是指挤压铜杆表面出现缺口、毛刺、锯齿纹等特征(图7(a))，其出现的位置和时间无明显的规律性。另外，充不满具有一定的遗传性，拉拔工序并不会消除充不满的影响，因而，在接触线表面仍会出现裂纹、毛刺等特征(图7(b))。

(2)产生原因。①上引铜杆表面存在油污。连续挤压过程中，表面存在油污的上引铜杆易出现打滑现象，造成挤压模腔内金属的填充不足、流动性不均匀，此时挤压铜杆易出现充不满缺陷。②挤压工装局部失效。工装出现局部失效，如挤压模腔裂纹、模具裂口等，导致挤压模腔内的压力不断变化，不能建立起稳定、连续的挤压过程，挤压铜杆表面易出现充不满缺陷。③挤压工装设计不合理。挤压模腔、堵头、挤压模具、阻流环、垫圈等设计、配合不合理，导致金属在连续挤压过程中流动不顺畅，挤压模腔内金属不能稳定、连续的补充到挤压铜杆上，易出现充不满缺陷。

(3)预防措施。①保持上引铜杆表面清洁，必要时通过机械刷洗，增加上引铜杆的粗糙度，防止上引铜杆打滑。②加强对挤压工装的检查，并对失效或邻近使用寿命的工装作报废处理。③根据实际生产情况，借助模拟或实验的手段不断优化挤压工装的设计，改善金属在模腔内的流动性，确定适合生产的挤压工装和工艺参数。