高性能精密管材加工制备技术

第1章 绪论 1.1 管材分类与应用 金属管材是一类重要的工业原材料中间产品，尤其是无缝金属管材在钢铁及有色金属中占有很重要的地位。与常见的金属铸锭、锻材、型材、棒料、杆材、丝线材、板带、箔材相比，管材也是金属材料产品中具有较高技术含量的产品类别，在发达国家中占金属材料产品的20%以上。 管材产品不仅要保证机械性能和物理性能，还涉及内外径变化和厚度变化，需要解决表面质量、壁厚偏差、直径偏差、不圆度、偏心、截面畸变、平直度等问题，导致管材的规格多、变化范围大、精度要求多样、加工方法多样，因此管材制备技术相当复杂，涉及技术方法多、制造体系复杂，技术含量相比大多数金属材料产品也要明显高很多。 例如，同样的不锈钢管材成品加工工艺，普通尺寸不锈钢管材可以有芯拉拔，要求性能质量高时需采用皮尔格冷轧方法；直径很小的毛细管几乎只能空拉成形，直径较大时需采用强旋成形；壁厚大且直径也大时需采用环轧等工艺，而特薄壁管材则可能需采用滚珠旋压方法才能成形。又如，管材管件的弯曲工艺，根据管材规格、材料特性和技术要求，可能采用很多不同的弯管工艺，因为没有一种弯管工艺可以满足所有管材弯曲的要求。例如推弯、拉弯、有芯弯曲、无芯弯曲、弹性填料弯曲、刚性颗粒填料弯曲、冷弯、热弯、自由弯曲，可以说弯曲方法五花八门。 金属管材可以根据所用材料分为钢管和有色金属管材。钢管在钢铁材料中是一大类产品，有很多专业的技术路线及生产线。很多钢铁品种都有管材产品，如普碳钢钢管、低合金钢钢管、高强钢钢管、不锈钢钢管、管线钢钢管、特殊钢钢管等。有色金属管材也有很多种，常见的包括铝及铝合金管、铜及铜合金管、钛合金管、镁合金管、高温合金管、锆合金管等。由于每种金属材料性能和用途各不相同，每种管材的加工方法也会相差很大。例如，钛合金由于变形抗力高、塑性低、室温回弹大，其管坯制备时就不能像加工钢管那样采用冷成形方法，而是要采用热成形方法或热成形高温退火的方法，消除残余应力减少成形后的弹性回复。 管材按照厚径比t/D（t为管材壁厚，D为外径）还可以分为特薄壁管（t/D＜0.01）、薄壁管（0.01＜t/D＜0.05）、中等壁厚管（0.05＜t/D＜0.15）、厚壁管（t/D＞0.15）。对于特薄壁管，厚度方向能承受的压力很小，一般成形或使用时认为是平面应力状态。随着厚度的增加，需要考虑厚向应力的作用。 管材在国民经济中有各种应用，且各种材质有不同的应用领域。例如，钢管可以作为结构钢，应用于建筑、机械，作为输油管道、煤气管道、建筑水管等。不锈钢管还可用于化工容器、机械、航空航天、工业锅炉、医疗器械等领域。铝合金管材广泛应用于飞机制造等领域。铜和铜合金管材主要应用于空调冰箱制冷、建筑水道、舰船、海水淡化工程等领域。钛合金管材主要应用于化工、舰船、海水淡化、飞机制造等领域。锆合金管材主要应用于核电工程和化工工程领域。高温合金管材则广泛用于航空航天发动机、化工和核电领域。 由于管材的应用领域比较宽泛，因此对其尺寸精度和性能要求也是多样化的。对于建筑结构钢管、建筑水管等，对其尺寸精度和性能没有很高要求，属于普通产品，成本也较低。但对于一些重要管材产品，如航空航天发动机导管、核电站用高温合金管材、核电反应堆用锆合金管材，不仅对尺寸精度要求很高，还对其组织性能有较高要求，这些属于高性能精密管材的范畴。 高性能精密管材是指不仅对管材尺寸精度有很高要求，还对微观组织、物理性能、机械性能、腐蚀性能、疲劳性能及其他使役性能等也有很高要求的管材产品。这类产品一般具有工序复杂、加工技术难度大、加工成本高、制造周期长等特点。例如，航空用铝合金管材因为要求缺陷少、性能高，不能采用高效低成本的拉拔技术，而要采用低效、高品质、高成本的皮尔格冷轧技术。又如，锆合金管材需要控制加工开裂、织构分布和各向异性性能，因此也需采用皮尔格冷轧技术并需严格控制加工参数。钛合金要求高精度变形小，需采用复杂的高温退火工艺。 材料加工技术近年来发展迅速，特别是管类件的加工成形出现许多新工艺和新发展。其中，高性能管坯的制坯技术、管材挤压技术、轧制技术、旋压成形、精密弯曲成形等在生产高精度管类件上具有突出的优点，广泛应用于航空航天零件的制造中。本书对多种金属材料的管材和管件制备、加工、成形各工序涉及的多种技术体系进行了总结和介绍，并重点介绍了著者在管材及管件加工技术方面取得的一些新的科研成果和应用。 1.2 管材制备加工主要工艺流程 尽管管材制备加工技术有很多不同的技术路线，但整体上可以划分为以下流程（图1-1），如果进一步加工成管件，还需要进行管件弯曲、管件成形等工序。 图1-1 管材制备加工成形基本工序和流程 上述为大多数管材制备加工的主要工艺流程。对于具体产品，某些工序可能合并或需要增加辅助工序，如矫直、清洗、铣面等。这里举例说明一些典型的加工方法及其工艺流程。 1. 普通钢材两辊斜轧穿孔制坯方法 普通钢管大多采用两辊斜轧穿孔方法制备管坯。斜轧工艺是一种高温大变形工序，可以直接由棒材成形厚壁管坯，同时通过高温塑性大变形，发生再结晶，获得均匀细小变形组织，替代了热处理、热锻制坯和管坯制备三个工序。由于两辊斜轧穿孔效率很高，并可替代多个工序，因此适合大批量生产且成本低廉，成为国内外普通钢管的主流制备加工技术。如天津无缝钢管厂、成都无缝钢管厂以及鞍山钢铁集团公司等钢铁企业的管坯主要生产技术均为两辊斜轧穿孔工艺。这一技术适合质量、性能作普通要求的钢管生产，其主要工艺流程如图1-2所示。 图1-2 普通钢管两辊斜轧制备加工主要工艺流程 2. 管材挤压制坯加工方法 前述两辊斜轧穿孔需要钼基合金顶头，要求顶头具有高强、耐热、耐磨损、耐疲劳等性能，因此对于生产高性能金属（如不锈钢、钛合金、镍基高温合金），由于材料强度高、成形温度高，钼基顶头寿命显著缩短，难以满足批量生产要求，实际生产中较少使用，只有少量不锈钢管材使用两辊斜轧技术。而挤压则成为这些管材制备的主要技术。挤压也是一种常见的管坯制备生产方法，而且由于挤压过程中发生高温三向压应力压缩大变形，组织致密，更适合高性能精密管材的制备加工。挤压技术适应性强，适合多品种小批量生产，挤压管坯可以具有很好的组织和性能，适合多种高强合金管材的制坯，因此是一种应用广泛的管坯制备技术，尤其应用于高强、特种钢材和合金管材。该技术在有色金属中也有较多应用。例如，传统铜管和铜合金管材也是主要应用挤压生产技术进行管材制坯，各主要传统铜加工企业大多拥有铜管挤压专用生产线，用于生产纯铜管和各种铜合金管材。目前，各种高强高性能铜合金管材还是主要由挤压方法制坯生产的。常见管材挤压生产流程如图1-3所示。 图1-3 管材挤压制备主要工艺流程 不同的材料，其坯料熔铸技术一般也有很大的差异。对于不锈钢、高温合金，可以通过真空熔铸等方法制备棒料或方料铸锭，但后面还需要锻造开坯及机加工，然后加热并涂润滑剂。挤压后的管坯还需要进行内外表面加工、热处理、矫直，然后继续进行后续加工。对于铜和铜合金，坯料制备有很多方法，例如，通过上引连铸、下引连铸、半连续铸造生产出铜棒或方锭，然后可以采用冷挤或热挤的方法生产出管坯。对于纯铜，可以不加热，采用自润滑进行挤压制坯，即铜表皮在挤压过程中脱落，挤出管坯表面完全是新生铜材。对于铜合金，由于强度明显提高，大多数需要加热才能挤压。 管坯挤压制备方法适用面较宽，可制备的管坯尺寸主要取决于挤压机的吨位大小和挤压模具规格大小，一般比较常见的为直径200mm以内的管坯。对于一些有色金属、高温合金、不锈钢，可以挤压出直径500mm以上的管坯。铝合金甚至可以挤压出直径1m左右的管坯。 3. 精密管材铸-轧制备加工方法 过去20多年里，著者团队与金龙精密铜管集团股份有限公司共同开发完成了精密铜管铸-轧加工技术，成为全世界空调铜管的主流生产技术，替代了国外传统挤压技术。这一技术的主要创新包括坯料熔铸和三辊行星轧制大变形加工两道工序（图1-4）。坯料熔铸包括合金熔炼和管坯水平连铸，可获得外径80～110mm、壁厚20～30mm的厚管坯。由于设计了专用熔炼和水平连铸炉，管坯铸造过程成为连续生产过程，替代了原挤压工艺中坯料铸造、铸坯锻造开坯、坯料机加工、加热和挤压过程，生产效率大幅度提高，流程显著缩短。连铸管坯经过在线切割和铣面加工，进入三辊行星轧制工序。轧制过程不需要对坯料进行加热，仅依靠摩擦和塑性变形热，管坯温度就可以升高到再结晶温度，坯料在轧制过程中发生了90%以上的大变形和完全动态再结晶，其铸造组织由粗大的柱状晶转变为均匀细小的等轴晶组织，同时疏松和缩孔等铸造缺陷得以消除。三辊行星轧制工艺效率比挤压工艺显著提高，且同样发生了动态再结晶大变形，完全可以替代挤压工艺。与挤压技术相比，铜管铸-轧技术工艺流程显著缩短，效率大幅度提高，产品不需要退火即可进入后续连续拉拔等加工过程，因此几乎完全替代了传统的铜管挤压技术，有效支持了我国空调冰箱制冷等电器行业在改革开放以来的发展，不但成为国内主流铜管制备加工技术，还大量出口并在北美等国家建厂生产。铸-轧空调铜管也成为我国铜加工产品中**可以生产高中低端所有管材，实现净出口、不需要进口的铜材产品，产品生产技术达到了国际领先水平。 图1-4 精密铜管铸-轧加工技术主要工艺流程 4. 大口径精密管材旋压加工方法 对于大口径管材（一般直径200mm以上），由于批量一般不是很大，规格较多，以上方法大多不是很适用，可以采用锻造制坯 + 旋压加工成形方法（图1-5）。锻造制坯是一种传统的管坯制备方法，例如，通过马架锻造工艺，可以灵活制备各种大小直径的管坯，也可以对各种不同金属和合金进行制坯加工。因此这种方法适用面非常广泛，尤其对多规格、小批量或单件生产很适用。 图1-5 大口径精密管材旋压加工技术主要工艺流程 锻坯经过适当热处理和机加工，即可进行旋压加工成形。旋压加工也可以称为强旋成形，是一种以减壁变形为主，直径（内径或外径）几乎不变的加工方法。可以采用正旋，也可以采用反旋，其中反旋工艺由于操作方便、效率高、精度和组织性能好而应用较多。对于变形量大的情况，强旋也可以采用多旋轮的错距旋压，常用三旋轮错距旋压。 强旋既适合进行粗加工，也适合成品加工以及多道次加工。这种方法由于加工效率相对较低，较少应用于大批量生产。这种方法较多适用于航空航天领域、军品武器零部件、各种压力容器、化工设备等部件加工成形，我国拥有较多较全的设备规格，应用厂家也很多。但随着设备自动化程度的提高，目前也较多应用于汽车轮毂等产品的加工生产。 5. 管材桥式分流挤压方法 铝合金管材和镁合金管材*常见的加工成形方法是桥式分流挤压方法（图1-6）。由于铝合金可以适用于很大的挤压比，挤压分流后还容易焊合成为不同截面形状的管材和型材，挤压效率很高，成本很低，因此大量采用桥式分流挤压方法进行生产。对于高精度、高强度、大口径铝合金管材，一般的挤压工艺［图1-3所示技术，包括正向挤压（简称正挤压）和反向挤压（简称反挤压）］也经常应用。 图1-6 铝合金管材桥式分流挤压原理（a）及主要工艺流程（b） 6. 管材连续挤压制坯方法 对于铝合金管材加工制备，连续挤压（CONFORM）技术也有一定应用。连续挤压将铝合金杆料用挤压轮通过摩擦力挤入型腔，材料因为摩擦热和塑性变形热而升温到再结晶温度以上，铝合金材料在型腔内融合并被桥式模挤出成为管材或型材，如图1-7所示。该方法由于挤压效率高，已经获得了一定应用。我国开展连续挤压技术设备研究时间较长，大连交通大学及大连康丰科技有限公司的设备和技术获得了国内外广泛应用。