CN100566916C - 铜或铜合金管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜或铜合金管的制造方法，包括a)去除管坯表层的氧化皮；b)利用四辊行星轧机对去除表层氧化皮的管坯以20-60m/min的速度进行轧制；c)利用二次冷却装置对高速轧制造后的管坯以160-200℃/s的速度进行冷却；d)利用直线拉拔设备对冷却后的管坯进行直线拉拔。本发明的制造方法由于采用的四辊行星轧机强度较大，在加工过程中轧制速度较快，是现有加工方法的3倍左右，从而产生较大的变形热，之后随即进行二次冷却，使粗大的铸造组织实现再结晶速度加快，结晶后的晶粒细小、均匀，在0.010～0.040mm之间，并且对管材的拉拔可以减少对管材表面的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及铜或铜合金管的加工方法，尤其涉及一种制造高精度铜或铜合金管的加工制造方法。
背景技术
目前国内外制造铜及铜合金管材生产技术多采用挤压穿孔轧制法、水平连铸三辊行星轧机(PSW，planetenschragwalzwerk(德文))斜轧法及预热铸坯三辊行星轧机(PSW)斜轧法。如图1、图2所示，三辊行星轧机(PSW)包括箱体94、设置在箱体94内的转子93、及轧辊91，所述轧辊91按箭头M方向进行公转，按箭头N方向进行自转。上述三辊行星轧机的轧制原理是三个轧辊91互成120度角分布在工件92(管坯)周围，中间是芯棒95，三个轧辊91在公转的同时又自转，并且轧辊轴线又和轧制轴线有一定的歪斜角度α，角度α与三辊行星轧机偏心距成正比，如果偏心距较大，三辊则会产生干涉，因此需要较小的偏心距，即角度α较小。由于角度α的存在，轧辊91在对管坯进行轧制过程中会形成一个轴向分力，促使轧管前进，但由于轧辊91和轧制轴线之间的角度不可能太大，决定了其轧制速度较低，在20m/min以下，且可加工管坯的外径较小，在80mm左右，轧制后的管材外径在50mm以下，生产效率较低。
中国第02138022.8号专利申请揭示一种温加工制造铜及铜合金管的方法，前者的步骤包括管坯预热、管坯轧制及轧件冷却，主要特征是在轧制前将管坯预热到环境温度与再结晶温度之间，然后再通过三辊(PSW)轧机进行轧制，以克服轧制变形的不均匀，但在实际操作中，对管坯进行预热并不能达到其真正目的，因此管坯在轧制过程中由于变形加工产生的热量，该管坯的温度实际上完全可以达到管坯重新再结晶所需要的温度，因此增加预热工艺对管坯再结晶并不能起到任何作用，反而会因为增加预热工艺而增加预热设备、考虑合适的预热方法而增加管坯的制造成本，浪费能源；对管坯进行预加热而产生的温度并不容易控制，而且预加热后到变形加工过程中热量还会散失，导致温度降低，因此预加热产生的温度并不能与加工过程中管坯变形产生热导致的温度叠加；另外，由于金属管坯是热传导的良性材料，在预加热过程中管坯头部温度远大于其他部位的温度，是实际操作中难以达到的技术，而且管坯在预加热之前已经进行过削除氧化皮的步骤，在预加热过程中由于温度升高，为防止管坯再次在高温下表面被氧化，则需要在预加热期间施以一定的保护气体对管坯进行保护，因此还需要再增加设备、原料与工艺，更进一步降低管坯的制作效率、增加管坯制造的成本。
中国第03149757.8号专利申请揭示另外一种行星轧管机制造铜及铜合金管的方法，利用三辊(PSW)轧机对管坯进行轧制，使管坯在温度701-850℃，断面收缩率85-95％，轧制速度12-30m/min轧制成形，但上述方法存在轧件扭曲变形大，轧制速度偏低，轧管直径偏小等缺点。
请参照图2所示，三个轧辊91和工件92在轧制过程中形成了一个近似三角形的截面，正是由于这种在特殊空间形成的不规则截面，使工件在转动时扭曲变形大，容易形成轧管的质量缺陷，并且轧制阻力较大，咬入线911和脱离线912的壁厚相差较大，均匀性较差，即使到圆整后，其壁厚(T)的差异性仍较大，Tmax-Tmin≥0.35mm，对以后工序的生产产生不利的影响，造成其精度较低。
因此，传统的挤压穿孔轧制法工序多，中间还包括加热工序，制造成本高，而且成品率低，产品精度差，难以生产超长的管材。水平连铸三辊行星轧机(PSW)斜轧法及预热铸坯三辊行星轧机(PSW)斜轧法同时还存在轧制速度低，轧管规格偏小，无法生产大直径铜管及浪费能源等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种制造过程简单、成品精度高的铜或铜合金管材的加工方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：本发明铜或铜合金管的制造方法，包括a)去除管坯表层的氧化皮；b)利用四辊行星轧机对去除表层氧化皮的管坯以20-60m/min的速度进行轧制；c)对上述轧制后的管坯以160-200℃/s的速度进行冷却；d)利用直线拉拔设备对冷却后的管坯进行直线拉拔。
优选的，所述轧制的速度为45m/min。
优选的，在步骤b)中，管坯在轧制过程中的变形率大于或者等于90％；所述变形率按照S＝100％×(D1-D2)/D1获得，其中，S为变形率，D1为轧制前外径，D2为轧制后外径。
优选的，在步骤b)中，管坯的温度在瞬间升高到700℃或者以上。
优选的，在步骤c)中采用的是二次冷却装置。
优选的，经过步骤c)的冷却之后，所述管坯的晶粒度保持在0.01-0.04mm范围内。
优选的，所述步骤a)去除管坯表层氧化皮采用刮屑法实现。
优选的，所述步骤a)去除管坯表层氧化皮采用上下布置的两个铣刀进行双面旋转铣面方法实现。
优选的，所述管坯的外径范围为80-240mm之间。
相对于现有技术，本发明的优点在于：本发明铜或铜合金管的制造方法由于采用的四辊行星轧机没有设置中间齿轮，且太阳轮直接与固定到轧辊轴上的行星轮相咬合，因此四辊行星轧机的强度较大，并且四辊行星轧机比三辊行星轧机多一个支撑点，四辊行星轧机利用扩垫片对轧辊进行轴向调节，因此强度大大增加，无论对铸造管坯和挤压管坯都可以进行轧制，因此本方法的适用范围较广；而且由于强度大，制造的工件精确度较高，轧制后管坯的壁厚均匀性比三辊行星轧机的轧制管坯的壁厚均匀提高了25％左右，有利于后续加工；另外本发明加工方法中，省略了对管坯进行预加热的步骤，由于采用的四辊行星轧机强度较大，所以在加工过程中轧制速度可以较快，能够达到现有加工方法的3倍左右，从而产生较大的变形热，可以使管坯达到再结晶的温度，使粗大的铸造组织实现再结晶速度加快，结晶后的晶粒细小、均匀，在0.010～0.040mm之间，而且还略去了预加热需要的设备、步骤、以及在预加热过程中所需要的对管坯进行防氧化保护的设备及措施，因此不仅工艺流程简单，效率高，而且成本也低。
另外，相对于现有技术，由于本发明加工方法中采用的轧辊多，减少了轧制过程工件的扭曲程度，提高了轧制管坯的表面质量，表面平滑光亮度提高50％，而且四辊行星轧机的轧辊较多，因此轧制后面积缩减比也较大，达到90％以上；在轧制步骤后对软态管坯进行直线拉拔的加工方式，从而又避免了铜管的擦伤表面的现象；而且本发明方法的效率较高，可以降低能源消耗和人力资源，较大幅度的降低了成本。
附图说明
以下参照附图，本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1是现有三辊行星轧机的平面示意图。
图2是图1的工作原理示意图。
图3是本发明采用的四辊行星轧机的平面示意图。
图4是图3的剖面示意图。
图5为图4的工作原理示意图。
具体实施方式
请同时参照图3、图4所示，应用于本发明的四辊行星轧机100包括箱体7、设置在箱体7内的转子6、固定到转子6上且在圆周上均匀分布的四个行星轧辊2，所述轧辊2在沿箭头A方向自转的同时随着转子6进行沿箭头B公转。轧制过程中，工件1位于四个轧辊2之间，而且每个轧辊2的轧辊轴线11都与工件1的轧制轴线12之间具有偏心距E，偏心距E是由一定偏角决定的，根据公式N＝F×E(其中N为扭矩，F为力，E为偏心距)，在轧制力一定的情况下，偏心距E越大，扭矩则越大。
为了显示清楚，图4中只示出了四个轧辊2中的两个，电机驱动(未图示)带动齿轮8转动，齿轮8和固定在转子上的齿轮相啮合，带动转子6转动，又因为行星轧辊2固定到转子6上，因此轧辊2随着转子6进行公转。电机驱动(图中未示出)带动齿轮10转动，齿轮10和太阳轮9相啮合，且行星轮5与太阳轮9啮合，因此齿轮10转动带动行星轮5转动，固定在轧辊轴3上转动的行星轮5又使轧辊轴3转动，从而使固定到轧辊轴3上的轧辊2转动，产生自转。
所述轧辊轴3与工件1轴线之间具有一定的倾斜角，且倾斜角大小为固定不可调整的。轧辊轴3与轧辊2之间放置有垫片13，所述垫片13在轧辊轴3的轴线方向上调整轧辊2与工件1之间的距离。由于螺纹存在间隙，以T85×8的螺纹为例，按7级制作公差为0.2mm，因此在工作时受力容易断齿，而垫片的精度可达到0.01mm，并且不会断裂和变形，因此垫片的均匀性和强度都比螺纹调节的更精确和坚固。因此四辊行星轧机的强度和精度都远远高于三辊行星轧机，轧制件的尺寸精度更高。
图5是轧制原理图，经上述四辊行星轧机100轧制出的工件1较接近圆形，咬入线C和脱离线D壁厚相差较小，弯曲度较小，轧制阻力较小，壁厚均匀性较好。从而决定了较高的轧制速度和较好的产品精度。
本发明采用上述四辊行星轧机100制造铜或铜合金管材的加工方法可以有如下步骤。
1)首先将铸造或挤压管(棒)坯(工件1)的表面去除氧化皮。
在该步骤中可以采用机械加工的方法去除工件1外表面的氧化皮，例如可以采用刮屑法或者旋转铣面机铣面的方法，以旋转铣面机铣面为例，优选的采取用上下布置的两个铣刀同时铣面，每个铣刀每次铣60度-90度左右的铜或合金铜表面，这样往复2-3次即可铣一根，采用上述方法时优选的通过液压伺服***对铣屑深度进行控制。
由于四个轧辊2之间的间隙较大，而且可以利用上述垫片13进行调整，而且为方便工件1坯件的水平牵引而提高生产效率，并符合大规模的生产要求，因此将工件1坯件的外径范围优选地定为φ80-φ240mm之间。
2)利用上述四辊行星轧机100的四个辊子对工件1进行快速轧制。
将铣面后的工件1导入四辊行星轧机100，在20～60m/min的轧制速度状态下对工件1进行高速轧制，工件的一次变形量为90％以上，上述轧机100的四个转动着的轧辊2围绕工件1公转。工件1中的芯棒4在摩擦力的作用下被动地随工件转动。由于高速变形及大变形量产生材料变形热。由于大速度的轧制，工件1的温度在瞬间升至700℃或以上。优选的，上述轧制速度可以为45m/min。
轧辊轴线11和轧制轴线12之间形成一定的空间角度，上述的空间角度不能是在一个平面上的角度，并且所述空间角度并不能使工件1进行轴向进给，但是所述空间角度和上述偏心距E结合起来，取可以形成了一个轴向分力，该轴向分力使工件1前进。同时由于四个轧辊2同时进行公转与自转，因此上述轧机100可以实现对工件1的快速轧制。工件1在经过该步骤后，面积缩减比超过90％以上。
以对φ100×25的工件1进行轧制为例，将其外径轧制为φ60×3，根据公式：
S＝100％×(D1-D2)/D1
其中：S为变形率，D1为轧制前外径，D2为轧制后外径，则变形率为90.9％。
上述轧制速度是根据轧辊2的形状、偏心距E的大小、推进力的大小、轧辊2的速度、转子6的速度，以及后面提及的冷却液的温度和流量进行限定的。上述步骤的详细描述是以管材为例，如果是对棒材进行轧制，则无芯棒4。
3)对轧制后的工件1进行快速冷却。
对工件1进行快速冷却一般用两次水冷装置(未图示)，所述水冷装置布置在所述轧制机100后面，其中第一次冷却是将冷却液直接喷淋到轧辊2和工件1上，冷却液可以采用水、或者加入热传导剂或者润滑剂的水，从而在轧制过程中将热量传导出工件1；第二次冷却则是将经过第一次冷却的工件1浸入冷却器，并在冷却器中以160～200℃/s的降温速度快速冷却至环境温度，以获得更加细化均匀的晶粒组织结构，经过快速冷却的工件1的晶粒度可保持在0.01～0.04mm范围内。
为了保证上述的晶粒度保持在0.01-0.04mm之间，工件1的轧制温度必须在相应铜或者铜合金的再结晶温度之上，并且对工件1的冷却能够及时准确地进行，从而晶粒不会过分长大。对上述晶粒的测试方法及应用的测试设备均是现有的。
因此高速轧制步骤与快速冷却步骤改善了材料变形的不均匀性，并且降低了工件1与轧辊2的摩擦系数，改善了工件1的质量，同时还提高了轧辊2的寿命，使其寿命延长约0.5～1倍。
优选的，对上述工件1加工还可以包括通过直线拉拔设备(未图示)对工件1进行拉拔的步骤。上述直线拉拔设备设置于四辊行星轧机100后，这样在拉拔过程中，工件与工件之间，工件与工装之间无相对滑动而划伤，擦伤工件，从而避免了薄壁铜管件加工过程中最常见的擦伤、划伤缺陷。因此经过该步骤，冷却后的软态工件1在直线拉拔设备拉拔中可以较大地提高表面质量。
以下是采用本发明方法制造的工件的几个实例。
实例1：在通过上述四辊行星轧机100对100×50mm的TP2(磷脱氧铜的一种)管坯进行轧制时，其轧管管坯为φ60×3±0.15，轧制速度为45m/min左右，其晶粒度0.01--0.04mm之间，通过四台直拉机连拉后，其壁厚均匀性能好，为φ25×1±0.08mm。
实例2：在通过上述四辊行星轧机100对180×30mm的TP2管坯进行轧制时，其轧管管坯为φ108×4.8±0.2，轧制速度为45m/min左右，其晶粒度0.010--0.04mm之间，通过四次直拉后，为φ42×2.0±0.10mm。
实例3：在通过上述四辊行星轧机100对180×30mm的BFe10-1-1管坯(BFe10-1-1铁白铜管坯)进行轧制时，其轧管管坯为φ108×5±0.15，轧制速度为45m/min左右，其晶粒度0.010--0.04mm之间，通过四次直拉后，为φ42×2.0±0.10mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：a)去除管坯表层的氧化皮；b)利用四辊行星轧机对去除表层氧化皮后的管坯以20-60m/min的速度进行轧制；c)对上述轧制后的管坯以160-200℃/s的速度进行冷却；d)利用直线拉拔设备对冷却后的管坯进行直线拉拔。
2.如权利要求1所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：所述轧制的速度为45m/min。
3.如权利要求1所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：在步骤b)中，管坯在轧制过程中的变形率大于或者等于90％；所述变形率按照S＝100％×(D1-D2)/D1获得，其中，S为变形率，D1为轧制前外径，D2为轧制后外径。
4.如权利要求1所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：在步骤b)中，管坯的温度在瞬间升高到700℃或者以上。
5.如权利要求1所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：在步骤c)中采用的是二次冷却装置。
6.如权利要求5所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：经过步骤c)的冷却之后，所述管坯的晶粒度保持在0.01-0.04mm范围内。
7.如权利要求1-6中任一项所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：所述步骤a)中去除管坯表层氧化皮采用刮屑法实现。
8.如权利要求1-6中任一项所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：所述步骤a)中去除管坯表层氧化皮采用上下布置的两个铣刀进行双面旋转铣面方法实现。
9.如权利要求1-6中任一项所述的铜或铜合金管的制造方法，其特征在于：所述管坯的外径范围为80-240mm之间。
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