40 MN鋯擠壓機擠壓工藝研究

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

40 MN鋯擠壓機擠壓工藝研究

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、流動性差、粘性強等特性，鋯合金擠壓過程中對擠壓比、工模具形狀、擠壓速度、加熱溫度、潤滑工藝等都有嚴格的要求。某40 MN雙動鋯擠壓機組生產某牌號核級鋯材，采用專用潤滑劑涂層潤滑，坯錠的加熱溫度偏差控制在30℃左右，保溫時間控制在10 min左右，采用擴孔擠壓，擴孔速度控制在5～10 mm/s，擠壓速度3～5 mm/s。達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。鋯合金擠壓工藝對于擠壓比、工模具、擠壓速度、加熱溫度、潤滑工藝等都有嚴格的要求。特別是核級鋯材的擠壓工藝，對于加熱工藝、潤滑工藝和工模具要求更是苛刻。本文介紹了中國重型機械研究院股份公司設計成套的我國首條核級鋯材生產線40 MN臥式雙動鋯擠壓機組的工藝特點［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，被用做水冷反應堆堆芯結構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，對核燃料有良好的相容性，因此鋯合金主要用作水冷核反應堆的堆芯結構材料，如燃料包殼、壓力管、支架和孔道管等［3-6］。同時鋯合金對酸、堿和鹽有優良的抗蝕性，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

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異晶轉變，高溫時是體心立方結構的β-Zr，低溫時是密排六方結構的α-Zr。純鋯的相變溫度為862℃。鋯合金的轉變溫度受合金元素和雜質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，但制品的性能會提高。可見，在設備擠壓能力足夠的情況下，鋯合金應盡量選擇較低的擠壓溫度。例如:40 MN雙動鋯擠壓機組擠壓某核級鋯，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相區進行鑄錠開坯，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相區的高溫區進行，Zr-2.5 Nb鍛造在(α+β)相區。

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

機械加工，將坯料加工到擠壓所需的尺寸，對于管材坯料還需預鉆孔。為了利于后續涂層潤滑，坯料的加工粗糙度加工到6.3或3.2。

2.3擠壓潤滑工藝

鋯合金具有變形抗力大、流動性差、粘性強等特性。在擠壓加工中，如果潤滑不充分或缺少潤滑，會出現粘膜、粘針、粘筒現象，既使擠壓制品表面質量下降、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，合適的充分的潤滑對于鋯合金，特別是核級鋯合金擠壓至關重要。在40 MN雙動鋯合金擠壓機上，將以下潤滑材料和潤滑方式作了比較性試驗。

(1)包銅潤滑。將加工好的鋯錠表面及內孔包覆1 mm厚的紫銅皮。紫銅在680℃時具有良好的延展性和流動性，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潤滑劑。

(2)涂粉潤滑。在加熱后的坯錠表面及內孔涂玻璃粉潤滑。玻璃粉在680℃時進入半熔融狀態，具有良好的延展性、流動性。在擠壓過程中半熔融狀態玻璃粘膜處于工具與鋯合金之間充當潤滑劑。

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

試驗結果及分析:

(1)包銅潤滑，成功率約75%。主要因為內孔銅皮在擠壓中斷裂，造成潤滑不連續，導致粘針。而且采用包銅潤滑，不能實現擴孔擠壓工藝，只能采用空心錠擠壓，降低材料利用率，增大機加工工作量。后續處理去掉銅皮也很麻煩，需要酸洗。

(2)涂粉潤滑，潤滑效果很差。主要原因是涂粉潤滑時間長，導致坯錠溫降過大，且潤滑不均勻，造成悶車。

(3)專用潤滑劑潤滑，潤滑效果很好。該專用潤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℃時進入半熔融狀態，具有良好的延展性、流動性和容納性;二硫化鉬和石墨融入半熔融狀態玻璃粘膜中，增強其延展性和流動性;粘附劑主要起黏附作用，使潤滑劑可以牢固附著在坯錠上;水主要起稀釋作用，使潤滑液成為稀糊狀。該潤滑方式不占用擠壓時間，不會造成坯錠溫降，加熱時對坯錠有一定保護，附著性強，潤滑效果好，且后續處理簡單。采用鋯合金專用潤滑劑潤滑，潤滑成功率接近100%，是最理想的鋯合金擠壓潤滑方式。

專用潤滑劑潤滑工藝:潤滑液配制－坯錠熱水洗滌浸入潤滑液涂敷－拉出晾干－厚度檢查－內孔潤滑－風干－潤滑完成。

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

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。

坯錠加熱的關鍵是控制坯錠溫差。在40 MN雙動鋯擠壓機組試生產中，對于某牌號核級鋯的加熱工藝進行了試驗，發現將坯錠軸向頭、中、尾加熱溫度偏差及徑向外、中、內加熱溫度偏差均控制在30℃左右，保溫時間控制在10 min左右，可以達到最佳效果。既可保證擠壓過程的穩定性;又可以保證加熱過程中不會局部突破相變點，造成過燒，產品質量較好。

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，對熱鋸要求很高，鋸片磨損很快。鋯合金高溫時特別粘，很容易粘鋸夾鋸，而且，鋸切時鋸屑呈焰火狀飛濺，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。其優點是成品率高，無金屬壓余，不使用熱鋸，生產效率高。

為了提高材料利用率，鋯管擠壓一般采用擴孔擠壓。對于核級鋯，擴孔速度應控制在5～10 mm/s。鋯合金一般采用中低速擠壓，核級鋯的擠壓速度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，造成壓應力過高，工模具設計和選材都很困難;擠壓比過小，變形比小，制品質量會下降。

對于鋯合金，擠壓工模具的潤滑非常重要，有效優良的潤滑可以明顯降低擠壓力，提高產品質量。因此，每次擠壓前，擠壓筒和模具都要用潤滑漿噴涂，穿孔針和擴孔頭也需要經過潤滑和預熱。

鋯合金采用錐模或球形模擠壓，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鍵，是影響擠壓的關鍵因素之一。

3　結束語

中國重型機械研究院股份公司設計成套的40 MN雙動鋯擠壓機組選用的潤滑方式、加熱工藝及設計的擠壓工模具、工藝路線和參數都比較合理。有效地克服了鋯合金擠壓過程中鋯合金變形抗力大、流動性差、粘性強等問題。從而生產出了品質優良的核級鋯管、鋯棒。

［1］李獻軍．鋯及鋯合金概述［J］．鈦工業進展，2011 (01)．

［2］荊云海，權曉惠，鄭文達，等．臥式雙動鋯擠壓生產線［J］．重型機械，2012(3)．

［3］彭倩，沈保羅．鋯合金的織構及其對性能的影響［J］．稀有金屬，2005(06)．

［4］袁改煥，李恒羽，王德華．鋯材在核電站的應用及前景［J］．稀有金屬快報，2007(01)．

［5］竇麗娟，黨輝，徐呈，等．鋯合金力學性能分析［J］．金屬世界，2014(02)．

［6］王慶娟，王靜怡，杜忠澤，等．高性能銅鉻鋯合金的特點及應用［J］．材料導報．2012(09)．

［7］馬琳生，王快社，岳強，等．核反應堆用鋯合金性能分析［J］．金屬世界，2014(04)．

［8］趙文金，周邦新，苗志，等．我國高性能鋯合金的發展［J］．原子能科學技術．2005(01)．

［9］彭繼華，李文芳，Jean-Luc Bechade，R．Maury．織構對先進鋯合金蠕變性能各向異性的影響［J］．稀有金屬，2008(01)．

［10］高世奇，李小寧，薛艷麗，等．加工工藝對鋯合金微觀結構及力學性能的影響［J］．熱加工工藝，2013(16)．

［11］王麗霞，張喜燕，薛祥義，等．鋯合金擠壓管坯的組織及織構研究［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

“高檔數控機床與基礎制造科技重大專項”資金支持項目(20092X04005－031)

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