鋯合金擠壓技術(shù)研究與應(yīng)用

張立波 ，權(quán)曉惠，荊云海，董曉娟，邱立朋，張 峻，王哲琳

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

鋯合金目前的主要用途是用作核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料、燃料元件的包殼等，是反應(yīng)堆的關(guān)鍵核心材料之一。反應(yīng)堆中使用的鋯材大部分為管、棒材，約占總量的75%～80%。這些管、棒材都是經(jīng)擠壓加工而成的。由于核級(jí)鋯合金具有變形抗力大、流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)、擠壓溫度區(qū)間窄等特點(diǎn)，其擠壓工藝與一般的有色金屬和黑色金屬材料區(qū)別較大。我國現(xiàn)有的擠壓機(jī)都不是專業(yè)從事鋯材生產(chǎn)的設(shè)備，其加熱工藝、潤滑工藝及擠壓工藝等都無法滿足核級(jí)鋯材批量生產(chǎn)和質(zhì)量控制的要求。目前國內(nèi)核級(jí)鋯管的擠壓管坯全部依賴于進(jìn)口。由于核級(jí)鋯材的生產(chǎn)被歐美俄少數(shù)幾個(gè)國家所壟斷，進(jìn)口核級(jí)鋯材受到復(fù)雜的國際局勢影響，且價(jià)格高昂，嚴(yán)重制約了我國核電、軍工等行業(yè)的發(fā)展。因此，開展對(duì)鋯合金、特別是核級(jí)鋯合金擠壓生產(chǎn)技術(shù)的自主研究十分必要。

1 鋯合金擠壓工藝特點(diǎn)

由于核級(jí)鋯合金擠壓相比其他用途的鋯合金擠壓技術(shù)難度更大，工藝更為繁瑣，產(chǎn)品質(zhì)量要求更高，同時(shí)鑒于棒材擠壓工藝與管材擠壓相近，且更為簡單，因此本文分析核級(jí)鋯管的擠壓技術(shù)。

核級(jí)鋯合金流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)，在擠壓過程中極易與擠壓筒、穿孔針、模具粘連，造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷或擠壓力需求過大，導(dǎo)致悶車。為防止此現(xiàn)象的發(fā)生，鋯合金擠壓工藝要求坯錠、擠壓工具在擠壓前必須進(jìn)行充分潤滑。

為防止坯錠溫降過大，造成擠壓困難，鋯合金坯錠的潤滑過程是在加熱前完成的。由于潤滑涂層對(duì)擠壓過程至關(guān)重要，因此，應(yīng)有一套能夠保護(hù)坯錠內(nèi)、外表面潤滑涂層的后續(xù)運(yùn)送及加熱系統(tǒng)。

出于工藝、價(jià)格等因素的考慮，核級(jí)鋯管擠壓多采用擴(kuò)孔擠壓技術(shù)，即:穿孔針在擠壓前須對(duì)坯錠進(jìn)行中心擴(kuò)孔。由于穿孔針表面的潤滑涂層對(duì)后續(xù)擠壓具有重要作用，因此擴(kuò)孔過程中必須保持其完好。

同時(shí)，由于穿孔針在擴(kuò)孔過程中的對(duì)中精度對(duì)產(chǎn)品幾何尺寸影響較大，因此，應(yīng)采取有效措施提高穿孔針的運(yùn)行精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

鋯合金擠壓工藝過程涉及的輔助工序繁多，若采用功能單一的裝置來實(shí)現(xiàn)各工序，勢必會(huì)造成輔助機(jī)械化系統(tǒng)過于龐大，不僅增加設(shè)備體積、侵占檢修空間，而且使設(shè)備的復(fù)雜程度增加，運(yùn)行可靠性降低。因此，應(yīng)采用功能集成度更高的輔助機(jī)械化系統(tǒng)。

對(duì)金屬材料擠壓而言，擠壓模具不僅直接關(guān)系著制品的尺寸精度及表面質(zhì)量，而且還影響著擠壓金屬的流動(dòng)狀況。并且材料變形抗力越大，模具對(duì)金屬流動(dòng)的影響越明顯。因此，對(duì)于難變形的核級(jí)鋯合金擠壓而言，合理的模具形態(tài)無論是對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量還是改善金屬流動(dòng)都尤為重要。

2 鋯合金擠壓關(guān)鍵技術(shù)

2.1 坯錠及擠壓工具的充分潤滑

常用的坯錠潤滑方式有包銅潤滑和玻璃粉潤滑，但這兩種潤滑方式均不適用于鋯合金擠壓生產(chǎn)。其主要原因是:①由于失敗的主要原因是內(nèi)孔銅皮在擠壓過程中易斷裂，造成潤滑不連續(xù)，發(fā)生粘針，所以包銅潤滑成功率低，約75%。再者，制品后續(xù)處理不易去掉摻雜的銅皮，需要進(jìn)行酸洗。②玻璃粉潤滑由于中間涂粉時(shí)間較長，導(dǎo)致坯錠溫降過大，容易造成悶車。

為此，中國重型機(jī)械研究院股份公司通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)及對(duì)比分析，找出了一種鋯合金擠壓專用潤滑劑，并總結(jié)出一套合理的潤滑工藝，使坯錠和擠壓工具得以充分潤滑，有效避免了擠壓過程中金屬粘針、粘筒、粘模等現(xiàn)象的發(fā)生。

專用潤滑劑主要包含二硫化鉬、玻璃粉、石墨、水、粘附劑。坯錠潤滑工藝是:潤滑劑配制-坯錠熱水洗滌-浸入潤滑劑涂敷-拉出晾干-厚度檢查-內(nèi)孔潤滑-風(fēng)干-潤滑完成。穿孔針潤滑與坯錠潤滑相同，采用專用潤滑劑，涂層潤滑;擠壓筒、模具采用專用潤滑劑，噴涂潤滑。

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，采用上述的鋯合金擠壓專用潤滑劑，在規(guī)范操作狀態(tài)下，其潤滑效果良好，成功率為100%。

2.2 坯錠潤滑涂層的有效保護(hù)

采用立式輸送系統(tǒng)先將坯錠吊掛，完成涂層潤滑，之后將其轉(zhuǎn)運(yùn)至加熱爐前輥道，并使坯錠直立于輥道的托盤上，以立式平移方式將坯錠運(yùn)至加熱爐口，送入立式加熱爐。加熱完成出爐后，翻料機(jī)構(gòu)將坯錠放倒，送入上料裝置，進(jìn)行坯錠裝載。

采用立式托盤輸送系統(tǒng)及立式感應(yīng)加熱爐，使得坯錠在整個(gè)加熱、運(yùn)送過程中保持直立，并且與托盤間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)、外表面幾乎不與其它任何零部件接觸，最大程度的保護(hù)了潤滑涂層，為后續(xù)擠壓的順利實(shí)施提供了保障。

2.3 穿孔針潤滑涂層的有效保護(hù)

鋯合金擠壓時(shí)，若采用穿孔針直接對(duì)坯錠進(jìn)行擴(kuò)孔，勢必會(huì)破壞穿孔針表面的潤滑涂層，使得在擠壓過程中發(fā)生金屬與針粘連，造成穿孔針斷裂，使產(chǎn)品報(bào)廢。

經(jīng)過反復(fù)分析研究及實(shí)驗(yàn)摸索，總結(jié)出使用活動(dòng)擴(kuò)孔頭進(jìn)行擴(kuò)孔的工藝，實(shí)現(xiàn)了穿孔針的順利擴(kuò)孔。其原理是:在穿孔針前端放置一活動(dòng)擴(kuò)孔頭，其外徑大于穿孔針。在擴(kuò)孔過程中，穿孔針與坯錠金屬?zèng)]有直接接觸，針表面的潤滑涂層保持完好，穿孔針的使用壽命及制品的內(nèi)表面質(zhì)量得以提升。

2.4 帶穿孔動(dòng)梁的穿孔系統(tǒng)

常用的內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，活塞桿、連接頭和針座等諸多元件均內(nèi)置于主柱塞。由于內(nèi)置部件較多，檢修難度大;加之沒有中間調(diào)整環(huán)節(jié)，為保證穿孔針與擠壓桿及穿孔缸間的同軸度，系統(tǒng)對(duì)主柱塞、動(dòng)梁、擠壓桿、穿孔針等相關(guān)零部件的形位公差要求較高，加工難度大，且極易造成零部件卡阻或穿孔精度損失等問題。

中國重型機(jī)械研究院股份公司將帶穿孔動(dòng)梁的內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)引入鋯合金擠壓生產(chǎn)線中，如圖1 所示。穿孔缸活塞桿內(nèi)置于主柱塞，并通過穿孔動(dòng)梁與針座連接，穿孔動(dòng)梁內(nèi)置于活動(dòng)橫梁并以其為導(dǎo)向，可在活動(dòng)橫梁上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于:內(nèi)置零部件少，檢修方便;轉(zhuǎn)針系統(tǒng)外置，可在任意位置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)針;穿孔缸活塞桿與穿孔動(dòng)梁間有徑向間隙，且穿孔動(dòng)梁對(duì)中精度可調(diào)，不僅減小了零部件加工及裝配難度，而且通過調(diào)整穿孔動(dòng)梁可以減小穿孔針在行程范圍內(nèi)與擠壓桿同軸度的變化量，從而提高穿孔針的運(yùn)行精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 帶穿孔動(dòng)梁的穿孔系統(tǒng)Fig.1 Piercing system with moving crosshead

2.5 輔助動(dòng)作的集中實(shí)現(xiàn)

由于核級(jí)鋯的特殊用途，其擠壓生產(chǎn)工藝復(fù)雜，輔助動(dòng)作較多。若采用功能單一的機(jī)構(gòu)分別完成各個(gè)輔助工序，不僅會(huì)使得系統(tǒng)復(fù)雜龐大，可靠性低，而且由于空間限制等因素導(dǎo)致其很難實(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)考慮采用功能集成化程度更高、空間占用更小的輔助系統(tǒng)。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)具有高集成度、高精度、高自動(dòng)化程度的特點(diǎn)，將其用于鋯合金擠壓生產(chǎn)可以有效地解決上述困難。基于此，將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)引入鋯合金擠壓生產(chǎn)，選用工業(yè)機(jī)器人原型機(jī)，如圖2 所示，經(jīng)過二次開發(fā)，自動(dòng)完成穿孔針及石墨墊的安裝、穿孔針的拆卸、擠壓筒和模具的清理及潤滑、擠壓筒內(nèi)壁及模具的拍照檢查、照片傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

采用工業(yè)機(jī)器人不僅避免了輔助系統(tǒng)龐雜、可靠性低的缺點(diǎn)，而且提高了核級(jí)鋯材擠壓過程的自動(dòng)化水平，減少了人為因素對(duì)生產(chǎn)過程的影響，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

圖2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)Fig.2 Industrial Robot

3 結(jié)束語

本文以技術(shù)難度最大的核級(jí)鋯材擠壓生產(chǎn)為例，通過分析工藝要求，對(duì)坯錠和擠壓工具的潤滑、坯錠及穿孔針潤滑涂層的保護(hù)、穿孔針運(yùn)行精度的保證、輔助工序的集中實(shí)現(xiàn)、擠壓模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)等鋯合金擠壓的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)展開了研究，并取得了一定的成果。

目前，研究成果已成功應(yīng)用于我國首條鋯合金擠壓生產(chǎn)線——40 MN 臥式雙動(dòng)鋯擠壓生產(chǎn)線。實(shí)際生產(chǎn)證明，文中所述的各項(xiàng)技術(shù)不僅保障了鋯合金擠壓的順利實(shí)現(xiàn)，而且有效提升了設(shè)備的綜合性能，保證了機(jī)組的可靠運(yùn)行。

［1］趙文金，周邦新，苗志，等.我國高性能鋯合金的發(fā)展［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2005，7(39).

［2］荊云海，權(quán)曉惠，鄭文達(dá)，等.臥式雙動(dòng)鋯擠壓生產(chǎn)線［J］.重型機(jī)械，2012(03).

［3］彭倩，沈保羅.鋯合金的織構(gòu)及其對(duì)性能的影響［J］.稀有金屬，2015，12(06).

［4］王峰，王快社，馬林生，等.核級(jí)鋯及鋯合金研究狀況及發(fā)展前景［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2012(01).

［5］王旭峰，李中奎，周軍，等.鋯合金在核工業(yè)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展［J］.熱加工工藝，2012(02).

［6］袁改煥，衛(wèi)新民.鋯合金研究進(jìn)展及我國核電站用鋯材國產(chǎn)化的思考［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011(06).

［7］李洪佳，孫光愛，龔建，等.Zr－4 合金壓縮形變行為的研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2014(23).

［8］劉長勇，張人佶，顏永年，等.玻璃潤滑熱擠壓工藝的潤滑行為分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011(20).

［9］肖華，李保成，張星.鋁合金溫?cái)D壓用潤滑劑實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱加工工藝，2011(05).

［10］魏軍.金屬擠壓機(jī)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.