CN1166465C - 温加工制造铜及铜合金管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温加工制造铜及铜合金管的方法,属于金属管材轧制技术。它依次包括,管坯表面机加工;管坯预热到75℃~250℃;管坯在其预加热温度和其在高变形速率轧制过程产生的形变热,两者叠加在一起而升温至700℃~850℃的轧制温度条件下轧制成形;轧制件以130℃/秒~160℃/秒降温速率快速冷却至环境温度等4个步骤。本发明克服了已有技术的工序多、成材率低、制造成本高、制成品质量不稳定等不足。本发明的延伸系数在8~16之间,轧制速度在10~20m/min之间。本发明是目前一种区别于热轧加工和冷轧加工,而采用温加工制造铜及铜合金管的先进方法。

Description

温加工制造铜及铜合金管的方法
技术领域
本发明属于金属管材轧制技术。具体涉及一种加工制造铜及铜合金管的方法。
背景技术
已有的铜及铜合金管的制造方法,主要的有穿孔轧制法、挤压法和冷加工铸轧法等三种。而传统的前两种方法,均存在着工序多、成材率低、管材制造成本高等不足,正在逐渐被其它技术所替代。而第三种冷加工铸轧法,如中国专利公开的申请号为88101739,名称为“冷加工铜及铜合金管的方法”。该方法是将连铸管坯或挤压管坯,直接送入PSW行星轧机进行冷轧。它是利用管坯面积缩减和材料变形所产生的内摩擦,使管坯在升温到250℃~700℃(即该种材料的再结晶起始温度之上)的温度条件下,进行管材加工轧制的一种目前比较先进的方法。该方法具有工序少、成本低和成材率高等优点。但是,由于该方法所采取的技术方案是冷轧加工,进入轧机变形区的管坯的温度,基本是环境温度,而致使管坯在进入变形区后的初始阶段,会在管坯的内外表面产生大量的裂纹。尽管裂纹大部分会在轧制过程中被辗合,但仍有一部***纹以折叠方式存在于制品管材的断面结构中。同时,由于这种方法仅靠自身变形发热升温,轧制温度仅达到250℃~700℃。显然其超过再结晶温度的过热度不足,在管材轧制终结时,在管材的长度方向和在同一批轧件的多根管材之间,存在着不同程度的不完全再结晶结构上的差异,这种不完全再结晶,导致成品管材的局部抗拉强度和延伸率都不稳定。且由于这种冷轧方式,使动态再结晶过程到变形区中部才开始,以致再结晶是不完全的、不充分的,而不利于管材断面结构的细密和气孔、夹杂的排除。且管坯以环境温度送入变形区,会对轧机轴承和齿轮造成严重冲击而影响其使用寿命,还会造成冬夏季的轧制质量不稳定。尤其是这种冷轧方法,对其管坯表面所不可避免存在的铸造缺陷,未作任何净化处理,这在管坯轧制过程中,不可避免地会将管坯表面所存在的夹渣和气孔等铸造缺陷,揉和在管材的断面结构中。综观已有的这种冷加工铸轧铜及铜合金管的方法,其制成品管材所存在的折叠式裂纹,不完全再结晶,管坯表面铸造缺陷的存在,而严重影响成品管材质量和后续深加工制成品质量的不足,是显而易见的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造工序较少,成材率较高,制造成本较低,制品管材质量较好的温加工制造铜及铜合金管的方法,以克服已有技术的不足。
实现本发明的目的的技术构想,主要基于运用温加工和形变热处理原理,在先对连铸管坯作表面机加工除杂处理,然后赋予管坯一定的温度,紧接着将管坯导入变形轧制设备,使管坯在预加热温度,和变形轧制过程中产生的变形热,两者叠加而升温至再结晶温度之上的温度条件下,以高变形速率进行轧制而成形,随即在均温条件下,快速冷却而制成成品。而本发明所说的温加工,是与热轧加工和冷轧加工的根本区别所在。具体地说,本发明的在先对经表面机加工除杂处理的管坯的预加热,仅是加热到环境温度至再结晶温度之间。本发明这种对管坯预加热的技术措施,与热轧加工方法相比较,能够有效降低能耗,节减制造成本,而与冷轧加工方法相比较,又能够使管坯的变形轧制温度,上升至再结晶温度之上,且具有足够的过热度,而提高了管坯变形的延伸系数,延长了管坯变形区域范围和铜或铜合金的动态再结晶的过程,而使铜或铜合金具有足够的条件,实现完全再结晶,从而达到提高轧制效率和制成品管材质量之本发明的初衷。
本发明实现其目的的技术方案是,一种温加工制造铜及铜合金管的方法,依次按照以下步骤进行:管坯表面机加工;管坯预热;管坯轧制;轧制件冷却,且管坯预热和管坯轧制步骤,是在保护气氛中进行的,其发明点在于,在管坯预热步骤,是将经第一步骤机加工的管坯预加热到75℃~250℃;在管坯轧制步骤,是将第二步骤预加热的管坯,导入变形轧制设备,而管坯是在其预加热温度和其在高变形速率轧制过程产生的形变热,两者叠加在一起而升温至700℃~850℃的轧制温度条件下轧制成形的;在轧制件冷却步骤,是紧接着第三步骤将轧制成形的轧制件,在均温条件下,以130℃/秒~160℃/秒降温速率快速冷却至环境温度。
本发明根据铜及各种铜合金不同的再结晶温度,上述各步骤可以有多种具体的技术措施。但本发明经过反复实验而优选的各个步骤的具体技术措施是:
在管坯表面机加工步骤,采取的是车或铣或磨的机械加工方法,且其机加工切削深度,控制在能够去掉管坯表面铸造缺陷的范围内。通过管坯表面机加工,使管坯表面呈无氧化光亮态。而对水平连铸铜及铜合金管坯而言,切削深度一般控制在0.3mm~0.5mm范围内即可。且由于铣加工工效高于车加工,故本发明推荐的是铣加工。经铣加工切削后所形成的铜或铜合金废料,可以随即收集后回用。
在管坯预热步骤,是在保护气氛条件下,将经第一步骤表面机加工的管坯,预加热至75℃~250℃。由于铜合金尤其是黄铜(cu-zn)或白铜(cu-Ni)的再结晶温度较高,常温下可塑性低,尤其是在管坯变形热传导尚未形成之前,建立稳定轧制状态比较困难,而本发明在管坯预加热步骤,特地对管坯头部的局部长度(约300mm)范围内,加热至300℃~500℃。而其以后的预加热温度仍然是75℃~250℃。也就是说,铜合金管坯的预加热,在管坯头部的预加热温度为300℃~500℃。本发明采取的预加热技术措施,是在线可燃气体火焰加热,或者是卡电电阻加热,或者是管式电炉加热。
在管坯轧制步骤,是在保护气氛条件下,将第二步骤预加热至75℃~250℃的管坯,紧接着导入变形轧制设备。事实上本发明是在一道次的连续生产流水线上,依次进行本发明的4个步骤。因而正确地说,是将预加热管坯,紧接着导入变形轧制区。而管坯是在其预加热温度和其在高变形速率轧制过程产生的形变热,两者叠加在一起而升温至700℃~850℃的轧制温度条件下轧制成形的。由于管坯是在铜或铜合金的再结晶温度以上,且在一定的过热度状态下发生形变的,无疑由于管坯的可塑性大,可使延伸系数增加,变形区更长,这一切都有利于铜或铜合金的动态再结晶的过程更完全、更充分,以获得更加均匀的细晶结构。且在多辊行星轧机的多个轧辊的反复辗轧下,而有效保证了本发明制取高质量制成品管材的成功。
在轧制件冷却步骤,是紧接着第三步骤将轧制成形的轧制件,在均温条件下以130℃/秒~160℃/秒降温速率快速冷却至环境温度。所谓均温,也可称之为恒温。而均温的实质内涵是,在已经完成变形轧制程序后,且运行离开变形轧制区的轧制件的***,采用电感应线圈对轧制件再加热,使其温度在变形轧制温度700℃~850℃的基础上,再升高30℃~80℃,且让此温度均衡地保持一定时间,而令轧制件整体温度保持均匀一致。也就是说,所说的均温条件下快速冷却的均温温度,为管坯轧制温度以上30℃~80℃。而后,再让均温的管材轧制件导入水浴以130℃/秒~160℃/秒降温速率快速冷却至环境温度。而本发明水浴快速冷却的目的,是令管材轧制件以10m/min~20m/min的轧出速度,通过长约1~1.5m的乳化液浴槽而实现的。快速冷却实质是一种形变热处理,其目的主要在于进一步细化铜或铜合金的晶粒,使本发明的制成品管材,在后续深加工过程中乃至后续产品的工作状况下,长期处于优良的力学性能状态。
正如在先描述的那样,管坯变形轧制的温度,是决定管坯延伸系数的主要因素,特别是所加工轧制的铜合金管材,系多元合金,其组分含量的差异很大。鉴于上述考虑,本发明特别注重变形轧制设备的选用。其变形轧制设备至少应当满足可调控管坯变形温度,具有保护气氛装置,对管坯能够反复辗轧且辗轧面积较大等要求。本发明优选的变形轧制设备,是能够满足以上所说要求的2~6辊行星轧管机。也就是说,所说的变形轧制设备,是可调控管坯变形温度的且具有保护气氛装置的2~6辊行星轧管机。
本发明对于管坯轧制温度在预加热、轧制和冷却三个步骤连续作业线上的在线调节和控制,是通过以下三种技术措施来实现的:
第一种是应用在相关工序上的调控技术措施。它是在固定变形区冷却液流量的条件下,通过调整管坯送进力、管坯预热温度和管坯延伸系数来实现调控管坯轧制温度的。
而第二种是应用在轧制设备的相关速度的调控技术措施。它是通过调整所说行星轧管机回转盘的转速及轧出速度所实现的变形速率的高低,而调控管坯轧制温度的。本发明优选的调整行星轧管机回转盘的转速范围,控制在280rpm至500rpm之内,而调整轧出速度的范围,控制在10m/min至20m/min之内。也就是说,所说的高变形速率,是通过行星轧管机回转盘转速在280~500rpm范围内,及轧出速度在10~20m/min范围内的调整而调控的;通过高变形速率的调控,而调控管坯轧制温度。
而第三种是应用在轧制设备的相关结构上的调控技术措施。它是通过调整所说行星轧管机的轧辊送进角度,而调控管坯轧制温度的。本发明优选的调整所说轧辊送进角度的范围,控制在6°~8°之间。也就是说,所说的管坯轧制温度,是通过行星轧管机轧辊送进角度在6°~8°范围内的调整而调控的。
具体实施方式
本发明将通过下述具体实施方式作进一步说明,以便对本发明实现其目的的技术方案和特点了解得更加明了。
本发明的典型实施方式之一,轧制的是磷脱氧铜(TP2)管。轧制是在改进后的XR-SG90三辊行星轧管机上进行的。管坯为水平连铸的,初始尺寸为φ86×23mm,轧前管坯经由3个铣头的铣加工设备,进行表面处理,其切削深度为0.3mm,使管坯表面呈无氧化光亮态,然后在线预加热。采用乙炔火焰加热,使管坯预热至120℃,然后进行由改进后的XR-SG90三辊行星轧机的轧制加工。管坯在预热温度和形变热温度两者叠加后,很快升温至720℃。轧管机以轧出速度为12m/min进行工作,并持续不断将其所轧制的管件向前送进。在紧挨轧制区的所输送出来的管件的***,安装有电感应加热器,使轧制件继续升温至750℃,并将750℃的温升持续保持5~10秒钟时间,随即使轧制管件进入长1m的乳化液浴槽内,轧制管件大约在5秒钟的时间内通过水浴,而快速冷却至环境温度。然后向上预弯成卷。轧制后的铜管规格为φ47×2.2mm。延伸系数为14.7,钢管表面无任何折叠纹和其它缺陷存在,轧后管体金相组织呈很细的等轴晶粒状态(完全再结晶态),其抗拉强度和延伸率分别为240MPa~250Mpa和45%~55%。涡流探伤检验结果反映,每千米仅为0~2个缺陷点。轧制后管材品质优量。轧制是成功的。
本发明的具体实施方式之二。温轧水平连铸H68黄铜管。轧制是在改进后的XR-SG90三辊行星轧管机上进行的。管坯初始尺寸为φ83×22mm。经铣加工对管坯表面进行切削处理,切削深度为0.5mm,使管坯表面呈无氧化光亮状态;然后采用管式电炉热辐射预加热,使管坯头部升温至400℃,然后进入改进后的XR-SG90三辊行星轧管机,先将管头建立稳定轧制状态,等待管头轧制成型之后,将管坯预热温度下降到150℃,以后管坯进入轧制程序。其后的轧制程序如同具体实施方式之一。而其轧制温度为800℃,轧出速度为18m/min,管件冷却前的均温温度为830℃,快速冷却的乳化液浴槽的长度为1.5m。轧制后的黄铜管的规格为φ47×2.2mm,其延伸系数为13.6。铜管表面无任何折叠纹和其它缺陷。其抗拉强度和延伸率分别为290MPa~380MPa和25%~40%,电镜显示轧后管体的金相组织很致密。轧制是成功的。这种铜管在后续的拉伸中,几乎无因管体本身的缺陷而发生断管现象。
综上所述,本发明所具有的在线连续作业工序少,自动化程度高,且成材率高,管材制造成本低,管材品质好等特点,是显而易见的。与已有技术相比较,本发明具有明显的实质性特点和显著的进步。

Claims (8)

1、一种温加工制造铜及铜合金管的方法,依次按照以下步骤进行:管坯表面机加工;管坯预热;管坯轧制;轧制件冷却,且管坯预热和管坯轧制步骤,是在保护气氛中进行的,其特征在于,
a、在管坯预热步骤,是将经第一步骤机加工的管坯预加热到75℃~250℃;
b、在管坯轧制步骤,是将第二步骤预加热的管坯,导入变形轧制设备,而管坯是在其预加热温度和其在高变形速率轧制过程产生的形变热,两者叠加在一起而升温至700℃~850℃的轧制温度条件下轧制成形的;
c、在轧制件冷却步骤,是紧接着第三步骤将轧制成形的轧制件,在均温条件下,以130℃/秒~160℃/秒降温速率快速冷却至环境温度。
2、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,铜合金管坯的预加热,在管坯头部的预加热温度为300℃~500℃。
3、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,所说的均温条件下快速冷却的均温温度,为管坯轧制温度以上30℃~80℃。
4、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,所说的变形轧制设备,是可调控管坯变形温度的且具有保护气氛装置的2~6辊行星轧管机。
5、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,所说的管坯轧制温度,是在固定变形区冷却液流量的情况下,通过调整管坯送进力、管坯预热温度和管坯延伸系数来调控的。
6、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,所说的高变形速率,是通过行星轧管机回转盘转速在280~500rpm范围内,及轧出速度在10~20m/min范围内的调整而调控的;通过高变形速率的调控,而调控管坯轧制温度。
7、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,所说的管坯轧制温度,是通过行星轧管机轧辊送进角度在6°~8°范围内的调整而调控的。
8、根据权利要求1所述的温加工制造铜及铜合金管的方法,其特征在于,所说的管坏表面机加工是铣加工,且其铣切削深度控制在能够去掉管坯表面缺陷的范围内。
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