铸轧法与挤压法生产TP2铜管组织和性能对比分析.doc

铸轧法与挤压法生产TP2铜管组织和性能对比分析周文龙 许 沂 张士宏 于传富 蒋强（中国科学院金属研究所 沈阳 110016）摘 要 本文考察和评价了铸轧法和挤压法生产铜管管坯和管材的组织和性能，并分析了水平连铸铜管坯的组织性能以及管坯和管材的拉伸断裂机制。关键词：铸轧法、挤压法、铜管、组织性能. 前言 铜加工材是各国均高度重视的战略物资和发展现代工业的重要基础材料和功能材料。我国是近些年来铜加工业发展最快的国家，也是铜消费最多的国家之一。 传统的铜管生产工艺（挤压法）是由连铸铸坯锭挤压成管坯，再经过拉拔加工成管材。20世纪90年代初铸轧法（即铸造管坯+轧制+拉拔的制管工艺）出现后，铸轧法生产的铜管材已被广泛应用，实践表明铸轧法生产铜管材的性能稳定且制造成本较低，可以满足空调机等行业的苛刻要求。目前水平连铸管坯、经三辊行星旋轧开坯、再二连拉，然后盘拉制管的生产工艺技术是最先进高效的生产流程，质量稳定，制造总成本较低。但是，由于铸轧法工艺生产的铜管，没有挤压法的热挤压大变形率开管坯工序，使得人们对于铸轧法和挤压法生产铜管质量水平的认识仍然存在争议。本文旨在深入地考察两种方法生产铜管的组织和性能，对于其内部质量给予客观地认识和评价。1.1 实验材料 研究用的实验材料全部来自实际生产。其中，铸轧法生产的铜管由河南金龙铜管有限公司提供，挤压法生产的铜管从市场上获得。实验用铜管材料全部是TP2紫铜系列铜管。 实验分别对铸轧法的水平连铸管坯（80mm）、行星旋轧管坯（49mm）和二连拉管（30mm），以及挤压法的挤压管坯（49mm）和拉拔管（30mm）等组织和性能进行系统研究。1.2 实验方法 实验管材的力学性能试样的制作按照国标GB/T4338-1995执行。连铸管坯实验试样是先由线切割沿横向和纵向截取条形试块，再参照国标由机械加工成拉伸试样；其它（旋轧管坯、二连拉管等）均参照国标由线切割加工成板状拉伸试样。管材的微观组织观察试样是由线切割直接截取，再用聚乙烯塑料镶嵌，经过金相试样磨制工序加工成试样，蚀显剂为FeCl3+HCl。 管材拉伸实验的断口形貌是截取拉伸实验的断裂部分为试样，在扫描电子显微镜（SEM）下观察分析。. 实验结果2.1 水平连铸铜管坯的微观组织和力学性能 实验观察了水平连铸铜管管坯的横向和纵向的微观组织，参见图1。图2给出的是这种管坯从横向和纵向截取试样的常温、低温和高温力学性能。2.2 铸轧法和挤压法铜管的微观组织和力学性能 实验对两种方法生产铜管的力学性能进行分析对比，主要研究了它们在常温、低温（-10、-50）和高温（100）状态下的抗拉强度、屈服强度及延伸率性能，参见图3。图47给出了铸轧法和挤压法铜管的微观组织。3. 分析与讨论3.1 微观组织 水平连铸管坯的凝固是由外套的结晶器冷却导出热量。由于紫铜的导热能力很强，使连铸管坯在整个断面的凝固比较均匀。外侧为小柱状晶，中部为大柱状晶，内侧有很薄的等轴晶层。从图1的8020mm连铸管坯宏观组织可以清晰观察到典型的断面晶粒组成，纵向断面的组织观察进一步证实了管坯的晶粒构成。显然紫铜良好的导热能力使管坯的整个断面冷却较快，柱状晶发达，也使内侧获得致密的组织，避免了实心连铸坯在心部可能产生疏松等铸造缺陷。 旋轧和挤压管坯金相组织的特点是横向以细的等轴晶为主，而纵向为带状组织。铸轧法生产铜管，经旋轧开坯的管坯组织由于经过了强烈的塑性变形，旋轧成形过程中发生了很大的剪切变形，使晶粒发生碎化和扭曲（参见图4）。此外，旋轧过程强烈的变形和较低的温度（仍处于再结晶温度以上），使基体的位错密度非常高，发生动态回复和再结晶，但再结晶晶粒长大很小（因为变形温度较低），因而导致得到均匀细小晶粒的微观组织。而挤压法采用热挤压开坯，成形温度较高，虽然塑性变形量很大，但使再结晶晶粒易于长大，因而可能导致晶粒比较粗（参见图5）。 旋轧管坯再经二连拉工序制管，使管材的晶粒组织进一步细化。因二连拉加工是在常温下进行，变形过程难以发生动态再结晶，因此微观组织表现为典型的横向为细等轴晶和纵向的带状组织。挤压开坯管坯再经拉拔工序生产的铜管，其组织形貌与二连拉管是类似的，但如果挤压管坯的晶粒较大，则挤压拉拔管材的晶粒可能略粗。参见图6和图7所示。3.2 力学性能 由于水平连铸管坯的壁厚只有20mm，难以在坯料沿径向截取拉伸试样，所谓的横向试样是沿管断面的最大弦处截取，纵向试样是沿管的轴向截取。从微观组织的角度看，两种试样都是使柱状晶呈径向分布。其重要在于考察管坯整体的宏观各向异性情况，即：纵向试样反映了管坯中部柱状晶平行排布和管坯沿轴向的力学性能；横向试样反映管坯中部柱状晶不均匀排布和管坯沿横向的力学性能。图2的实验结果表明，两种情况的力学性能是相近的，环境温度的变化对于材料的抗拉强度影响不大，但低温和高温环境均使断裂伸长率增大。其原因在于高温环境提高了材料的变形能力，而低温环境时屈服强度明显降低，即提早产生屈服也使塑性略有增大。 从图3中旋轧管坯和挤压管坯的力学性能曲线可以发现，在常温和低温环境条件，两种管坯的性能是相近的，差异在于旋轧管坯性能的波动更小。挤压管坯在高温（100）态表现为紫铜的性能略提高，属于正常；而旋轧管坯在100环境性能与常温情况几乎没有明显的变化，这种现象值得深入探讨。经过拉拔（或二连拉）工序后，铜管的力学性能发生较大变化，表现为抗拉强度和屈服强度明显提高，而断裂伸长率降低很多，在实验的环境温度范围（-50100）均在6%以下，但主要由于冷加工变形使材料基体组织的位错密度急剧增大及晶内的晶内畸变能很高的缘故。这里很重要的结果是铸轧法和挤压法生产的管材对比，它们的力学性能是很一致的。这表明铸轧法生产的管材到二连拉工序后与挤压法生产的管材相比，它们的力学性能是一样的。3.3 断裂特征 水平连铸管坯拉伸实验试样断裂时，表现出显著的缩颈现象。最后的集中断裂区在扫描电镜下可以观察到大量的韧窝，呈典型的韧性断裂机制。横向和纵向的实验结果是类