銅及銅合金連續(xù)擠壓技術(shù)的研究和應(yīng)用

童金林

（浙江力博實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 紹興 312000）

1 連續(xù)擠壓技術(shù)的工作原理

連續(xù)擠壓技術(shù)是由英國斯普林菲爾德實(shí)驗(yàn)室提出的塑性加工新技術(shù)，被譽(yù)為有色金屬加工行業(yè)的一次技術(shù)革命。我國連續(xù)擠壓技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)八十年代中后期，通過引進(jìn)、吸收、消化得以不斷提升。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，我國已成為連續(xù)擠壓技術(shù)的設(shè)備生產(chǎn)大國和工藝技術(shù)應(yīng)用大國，工藝設(shè)備的應(yīng)用涵蓋了銅鋁加工等多個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域。從初創(chuàng)時(shí)的仿制、改進(jìn)，到現(xiàn)在的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的再創(chuàng)新，我國已形成了完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連續(xù)擠壓關(guān)鍵技術(shù)體系，并已具備國際先進(jìn)水平。

連續(xù)擠壓技術(shù)的工作原理如圖1所示：模腔位于擠壓輪側(cè)面，坯料在旋轉(zhuǎn)擠壓輪的帶動(dòng)下進(jìn)入擠壓腔內(nèi)，在輪槽摩擦力的作用下，坯料溫度升高壓力加大，達(dá)到一定值后便從模孔中擠出，形成產(chǎn)品。產(chǎn)品的尺寸與形狀取決于模具，只需簡(jiǎn)單地更換模具即可生產(chǎn)出不同規(guī)格的產(chǎn)品。

圖1 連續(xù)擠壓原理圖

近年來連續(xù)擠壓技術(shù)在理論研究、技術(shù)創(chuàng)新與設(shè)備研發(fā)等方面也取得了較多的進(jìn)展，主要包括：連續(xù)擠壓金屬變形力學(xué)理論研究、連續(xù)擠壓金屬塑性變形過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、連續(xù)擠壓設(shè)備三維制圖技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)等。在裝備方面的主要技術(shù)創(chuàng)新包括：漸變冷卻長(zhǎng)壽命擠壓輪、大擴(kuò)展比組合式腔體、全自動(dòng)液壓換向增壓器、長(zhǎng)壽命高溫合金連續(xù)擠壓模具、連續(xù)擠壓生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)、桿坯料表面清理設(shè)備、端驅(qū)動(dòng)前鉸式鎖靴系統(tǒng)等[1]。

表1 銅材連續(xù)擠壓生產(chǎn)線情況

2 連續(xù)擠壓技術(shù)在銅加工中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的擠壓生產(chǎn)工藝相比，連續(xù)擠壓技術(shù)取消了加熱工序，不僅縮短了工藝流程、而且大幅度縮短了生產(chǎn)周期、降低了產(chǎn)品的單位能源消耗。連續(xù)擠壓技術(shù)將壓力加工中無用的摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃蔚尿?qū)動(dòng)力和加熱源，節(jié)能效果顯著，符合低碳經(jīng)濟(jì)的要求。連續(xù)擠壓技術(shù)由于高效、節(jié)能、綠色環(huán)保、低耗的工藝技術(shù)特點(diǎn)，使其迅速的在銅加工行業(yè)中推廣，尤其是在電工用紫銅材加工領(lǐng)域，連續(xù)擠壓技術(shù)和裝備都得到了良好的推廣和應(yīng)用。連續(xù)擠壓技術(shù)的不斷創(chuàng)新，造就了兩個(gè)具有國際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的制造產(chǎn)業(yè)：銅材連續(xù)擠壓技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)和連續(xù)擠壓設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)，為我國有色金屬加工行業(yè)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

連續(xù)擠壓技術(shù)在銅加工行業(yè)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用主要包括：銅扁線、銅母線、銅棒、接觸線、紫銅帶、導(dǎo)電用銅型材等，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖3 紫銅帶連續(xù)擠壓制造新技術(shù)

3 銅合金連續(xù)擠壓技術(shù)的研究

連續(xù)擠壓的研究主要集中純銅、固溶強(qiáng)化型銅合金方面。H68黃銅經(jīng)連續(xù)擠壓和退火處理后，其延伸率隨著退火溫度的增加而增加，抗拉強(qiáng)度隨著退火溫度的增加略有下降。對(duì)銅鎂合金CuMg0.3棒料連續(xù)擠壓微觀組織的分析發(fā)現(xiàn)，銅鎂合金在連續(xù)擠壓變形過程中，其變形程度大、變形溫度高、停留時(shí)間短，大部分發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，擠壓成形的銅鎂合金板材的晶粒得到極大細(xì)化，其相關(guān)力學(xué)性能得到改善。銅鎂合金線材連續(xù)擠壓擴(kuò)展變形過程中，腔體入口處流動(dòng)速度最快，變形溫度最高，達(dá)到700-800℃。研究擠壓輪轉(zhuǎn)速對(duì)銅鎂合金連續(xù)擠壓成形過程的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著擠壓輪轉(zhuǎn)速的提升，連續(xù)擠壓成型過程中金屬的變形溫度不斷升高，等效應(yīng)力值和擠壓輪扭矩不斷下降。擠壓輪轉(zhuǎn)速從4.5r/min提升到6.5r/min時(shí)，銅鎂合金在擋料塊處的溫度由765℃增加到775℃，擠壓輪轉(zhuǎn)速提升到7.6r/min時(shí)，擋料塊處的溫度增加到791℃[2-5]。

研究C194合金連續(xù)擠壓全過程的組織與性能演變規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，連續(xù)擠壓過程中并未出現(xiàn)大量明顯動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，僅在直角彎曲后變形區(qū)觀察到少量晶界擇優(yōu)析出的不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的細(xì)小晶粒，在擠壓過程中發(fā)生第二相析出。析出形貌有尺寸為60-80nm的橢球形粒子和尺寸為10-20nm的微小顆粒。前者主要出現(xiàn)在晶界處，后者主要彌散分布在晶界和晶粒內(nèi)部[6]。

固溶態(tài)Cu-Cr合金連續(xù)擠壓過程中發(fā)生形變、回復(fù)再結(jié)晶和固溶體分解，連續(xù)擠壓能夠大幅提高合金性能，但對(duì)冷卻速率變化比較敏感，與水淬相比，空淬使時(shí)效析出和再結(jié)晶得以繼續(xù)進(jìn)行，使導(dǎo)電性能進(jìn)一步提升。水淬時(shí)，析出相為Cr相，粒子尺寸為3～5nm，并且有一部分的析出相是沿著位錯(cuò)、亞晶界擇優(yōu)析出；空淬時(shí)，析出相已經(jīng)明顯長(zhǎng)大，尺寸約為15nm，均勻彌散地分布在基體內(nèi)。Cu-Cr-Zr合金連續(xù)擠壓后，粗大的晶粒消失，均勻分布著大量的細(xì)小晶粒，具有一定方向性的亞晶和形變晶粒，平均晶粒尺寸在0.5～lμm之間；在亞晶和形變晶粒之間夾雜少量等軸的再結(jié)晶晶粒，再結(jié)晶晶粒的平均尺寸約200nm[7]。

4 結(jié)論

連續(xù)擠壓技術(shù)由于其高效、節(jié)能的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于銅、鋁等有色金屬的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。連續(xù)擠壓銅合金的研究中，主要集中在固溶強(qiáng)化性銅合金，對(duì)于析出強(qiáng)化型銅合金研究較少；開展適用于產(chǎn)業(yè)化的連續(xù)擠壓及其后續(xù)加工工藝對(duì)析出強(qiáng)化型銅合金的組織和性能的研究十分有必要，有利于實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化型銅合金短流程制備新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。