劉 陽，劉勁松，，陳大勇，張士宏

（1. 沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159；2. 中國科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

ACR銅管生產(chǎn)工藝改進(jìn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

劉 陽1，劉勁松1，2，陳大勇2，張士宏2

（1. 沈陽理工大學(xué)，遼寧 沈陽 110159；2. 中國科學(xué)院 金屬研究所，遼寧 沈陽 110016）

主要研究某企業(yè)生產(chǎn)尺寸規(guī)格為φ19mm×1mm的ACR銅管，嘗試由擠壓法改用鑄軋法加工大口徑ACR銅管。結(jié)合工藝流程進(jìn)行對(duì)比分析了鑄軋法和擠壓法生產(chǎn)ACR銅管在化學(xué)成分、組織與性能、表面質(zhì)量和尺寸精度等方面存在的差異，探討了鑄軋法生產(chǎn)ACR銅管對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供重要理論依據(jù)。

漆包線；汽車電機(jī)；附著性；涂漆；漆膜

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和人民生活水平不斷提高，人們對(duì)空調(diào)制冷產(chǎn)品的依賴性越來越高，ACR銅管成為銅管市場最大的需求［1-2］。對(duì)于大口徑ACR銅管主要應(yīng)用于工業(yè)冷凝器、蒸發(fā)器和外部聯(lián)接管，尺寸規(guī)格一般在φ16～25mm，多采用傳統(tǒng)擠壓工藝生產(chǎn)，但生產(chǎn)長度和產(chǎn)量受到限制［3-5］。

目前，銅管的生產(chǎn)方式主要分為鑄軋法與擠壓法，鑄軋法是一種新型高效短流程銅管加工工藝，被中小型企業(yè)廣泛應(yīng)，而傳統(tǒng)的擠壓方式逐漸被鑄軋法所替代［4，6］。由于銅管向節(jié)能、環(huán)保和高精密方向發(fā)展，對(duì)ACR銅管質(zhì)量要求越來越苛刻［1，3，5-6］。在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，嘗試由擠壓法改用鑄軋法加工大口徑ACR銅管，從而提高產(chǎn)量，節(jié)約成本。本文主要研究某企業(yè)生產(chǎn)尺寸規(guī)格為φ19mm×1mm的ACR銅管，結(jié)合工藝流程系統(tǒng)地對(duì)比分析鑄軋法和擠壓法生產(chǎn)ACR銅管在化學(xué)成分、組織與性能、表面質(zhì)量和尺寸精度等方面存在的差異，探討鑄軋法生產(chǎn)ACR銅管對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

擠壓ACR銅管（φ19mm×1mm）與鑄軋ACR銅管（φ19mm×1mm）的生產(chǎn)工藝流程其工藝流程分別如下：

擠壓法：半連鑄鑄錠φ160mm→熱擠壓管坯φ54mm×5mm→二輥冷軋管坯φ28mm×1.4mm→盤拉一φ25mm×1.3mm→盤拉二φ22mm×1.2mm→盤拉三φ19mm×1mm→退火。

鑄軋法：水平連鑄鑄錠φ90mm×25mm →三輥旋軋管坯φ50mm×2.5mm→聯(lián)拉一φ40mm×1.9mm→聯(lián)拉二φ33mm×1.55mm→聯(lián)拉三φ28mm×1.2mm→盤拉一φ25mm×1.05mm→盤拉二φ19mm×1mm→退火。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

化學(xué)成分采用SPECTRO MAXx光譜儀進(jìn)行檢測；力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)采用CMT5504的電子萬能試驗(yàn)機(jī)和HV-1000顯微維氏硬度計(jì)對(duì)兩種工藝產(chǎn)品進(jìn)行測試；金相試樣由線切割機(jī)截取，鑲嵌后進(jìn)行磨、拋光、腐蝕，微觀腐蝕劑為硝酸鐵5g+無水乙醇100ml，采用Axiovert 200 MAT型金相顯微鏡觀測兩種工藝產(chǎn)品的顯微組織。表面粗糙度采用FTS-S3c表面輪廓儀分析，采用環(huán)切法測定殘余應(yīng)力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)品化學(xué)成分對(duì)比分析

擠壓法與鑄軋法生產(chǎn)ACR銅管化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1。由表1可知，采用鑄軋法生產(chǎn)ACR銅管化學(xué)成分與原工藝相近，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 ACR銅管化學(xué)成分測試結(jié)果 　ppm

3.2 產(chǎn)品組織與性能對(duì)比分析

擠壓法和鑄軋法的最后一道工序?yàn)橥嘶穑嘶饻囟?50℃，保溫時(shí)間90min。如圖1給出了擠壓法和鑄軋法ACR銅管金相組織，擠壓ACR銅管和鑄軋ACR銅管橫、縱截面晶粒均為回復(fù)再結(jié)晶晶粒，拉拔狀態(tài)的變形織構(gòu)完全消失，并存在較多的退火孿晶組織。擠壓ACR銅管的晶粒稍小于鑄軋ACR銅管的晶粒，但擠壓ACR銅管與鑄軋ACR銅管晶粒度等級(jí)同屬8.0級(jí)，晶粒大小均在22～26μm區(qū)間。

圖1 ACR銅管金相組織

表2和表3分別為擠壓ACR銅管和鑄軋ACR銅管力學(xué)性能。由表2和表3可知，擠壓ACR成品管退火后平均抗拉強(qiáng)度374.19MPa、延伸率47.69%、維氏顯微硬度63.15HV；鑄軋ACR成品管退火后平均抗拉強(qiáng)度367.06MPa、延伸率45.64%、維氏顯微硬度為53.45HV。擠壓ACR銅管退火后力學(xué)性能均略高于鑄軋ACR銅管，是因?yàn)閿D壓法采用大變形率熱擠壓開坯，最終累積變形量要大于鑄軋管坯，在熱激活條件下，大變形量有利于提高形核率，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提前發(fā)生，導(dǎo)致退火后晶粒較為細(xì)小，因此，具有較好的綜合力學(xué)性能［7-8］。但鑄軋ACR銅管綜合力學(xué)性能與擠壓ACR銅管力學(xué)性能相近，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，即鑄軋ACR銅管完全可以滿足空調(diào)用管的苛刻要求。而且鑄軋ACR銅管退火后的力學(xué)性能波動(dòng)幅度小，尤其是抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。由于鑄軋法生產(chǎn)的連鑄坯和三輥軋管坯組織分布均勻，且晶粒細(xì)小，更有利于后續(xù)加工組織分布的均勻性，故鑄軋ACR銅管的力學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定。

表2 擠壓ACR銅管力學(xué)性能

表3 鑄軋ACR銅管力學(xué)性能

3.3 產(chǎn)品表面質(zhì)量對(duì)比分析

研究表明：表面光亮度高有利于工藝潤滑，從而提高下游產(chǎn)品的表面質(zhì)量［9］。表面粗糙度會(huì)影響材料的疲勞壽命和耐磨性［10-11］。表面殘余應(yīng)力會(huì)影響材料的疲勞強(qiáng)度和尺寸精度，較小的殘余應(yīng)力能夠降低銅管拉拔過程產(chǎn)生開裂缺陷［12-13］。因此，探討鑄軋法生產(chǎn)ACR銅管對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量的影響有重要意義。

3.3.1 表面光亮度

用肉眼觀察兩種工藝方法生產(chǎn)的ACR銅管很容易分辨出兩者之間的區(qū)別，擠壓成品管外觀表現(xiàn)色澤暗淡，而鑄軋成品管外觀表現(xiàn)光亮刺眼，如圖2所示。在宏觀上表明了鑄軋成品管形貌美觀，表面光亮度高，具有較好的表面質(zhì)量。

圖2 表面光亮度對(duì)比圖

3.3.2 表面粗糙度

將兩種工藝方法生產(chǎn)的ACR成品管在表面形貌儀測試出表面輪廓，圖3為ACR銅管表面輪廓圖分析結(jié)果。比較圖3（a）、（b）可知，擠壓成品管表面粗糙度Ra為0.41μm，輪廓最大峰值Rq為0.52μm；鑄軋成品管表面粗糙度Ra為0.28μm，輪廓最大峰值Rq為0.37μm；鑄軋成品管Ra與Rq均比較小，說明鑄軋管表面劃痕少，且深度淺，具有較好的表面質(zhì)量。

圖3 ACR銅管表面輪廓圖

3.3.3 表面殘余應(yīng)力

對(duì)兩種工藝方法生產(chǎn)的ACR銅管表面殘余應(yīng)力的測定采用環(huán)切法［14］，其操作過程簡單，通過管材外徑尺寸的變化，可近似反映管材內(nèi)、外表面殘余的平均周向應(yīng)力。用環(huán)切法測定ACR銅管表面殘余應(yīng)力結(jié)果見表4。

表4 環(huán)切法測定ACR銅管表面殘余應(yīng)力

從表4可知，擠壓成品管的平均殘余應(yīng)力為17.99MPa，而鑄軋成品管的平均殘余應(yīng)力為9.21，擠壓成品管的平均殘余應(yīng)力幾乎是鑄軋成品管的平均殘余應(yīng)力2倍，因此，鑄軋法能夠顯著降低ACR銅管的表面殘余應(yīng)力，改善銅管表面質(zhì)量。

上述結(jié)果表明鑄軋ACR銅管的表面質(zhì)量較高，原因在于兩種工藝方法所采用的加工率不同。銅管表面質(zhì)量主要受最終道次的工藝參數(shù)影響，與擠壓法相比，鑄軋法最終道次的冷加工率相對(duì)比較大，在一定范圍內(nèi)，隨著加工率增加，導(dǎo)致模具和銅管之間的油膜厚度變薄，有利于模具表面對(duì)銅管表面壓燙作用［8］，降低銅管表面的粗糙度，宏觀表現(xiàn)為光亮度高。鑄軋法采用三聯(lián)拉模式，拉伸拔次要多于擠壓管拉拔道次，多道次拉拔有利于使管材殘留的變形不均勻性減小，改變了沿管材壁厚的殘余應(yīng)力分布，有利于減小殘余應(yīng)力［15］。

3.4 產(chǎn)品尺寸精度對(duì)比分析

通過生產(chǎn)試驗(yàn)可知，鑄軋法成品管平均外徑偏差為0.022mm，壁厚偏差為0.025mm，不圓度為1.01%，偏心率為6.35%。而擠壓法成品管平均外徑偏差為0.053mm，壁厚偏差為0.040mm，不圓度為3.02%，偏心率為15.8%。與擠壓法相比，鑄軋法ARC銅管尺寸精度要高，能夠有效減少外徑偏差、壁厚超差、不圓度和偏心等質(zhì)量問題，尤其在改善壁厚偏心問題上效果更明顯，提高了產(chǎn)品的合格率。鑄軋法避免了擠壓生產(chǎn)過程中質(zhì)量難以控制的偏心和壁厚超差問題，鑄軋法采用三輥軋制工藝減少了均化退火熱加工、穿孔料頭和擠壓脫皮等工序，避免了擠壓管坯起皮、偏心和組織不均等缺陷［16］。三聯(lián)拉伸工藝采用高效率直線拉拔模式，直拉沒有附加應(yīng)力且受力均勻，銅管坯偏心問題可以有效地被修正和改善，保證后續(xù)拉拔的穩(wěn)定，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量［17］。

4 結(jié)論

（1）擠壓ACR銅管退火后晶粒較為細(xì)小，故具有較好的綜合力學(xué)性能。但鑄軋ACR銅管與擠壓ACR銅管力學(xué)性能相近，鑄軋ACR銅管完全可以滿足空調(diào)用管的苛刻要求。而且鑄軋ACR銅管退火后的力學(xué)性能波動(dòng)幅度小，尤其是抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出較好的力學(xué)穩(wěn)定性。

（2）鑄軋法能夠有效降低ACR銅管的表面殘余應(yīng)力、表面劃傷和表面粗超度，從而提高銅管表面質(zhì)量。

（3）鑄軋法生產(chǎn)ACR銅管成品尺寸精度高，能夠有效減少外徑偏差、壁厚超差、不圓度和偏心等質(zhì)量問題，提高了產(chǎn)品的合格率。

［1］陳大勇. 基于TP2銅管材料性能控制的拉拔工藝研究［D］. 沈陽：沈陽理工大學(xué)， 2015：1-8.

［2］周文龍， 張士宏. 鑄軋法與擠壓法生產(chǎn)TP2銅管組織和性能對(duì)比分析［J］. 鍛壓裝備與制造技術(shù)， 2004（1）：35-37.

［3］尚世任， 胡兆奎， 彭伯彥. 快速發(fā)展的制冷空調(diào)工業(yè)對(duì)高效傳熱管的需求［J］. 銅加工， 2009（1）：13-18.

［4］馬得江. 磷脫氧銅TP2圓錠熔鑄工藝研究［J］. 銅業(yè)工程， 2015 （4）：9-11， 19.

［5］金平， 劉楚明， 余學(xué)德， 等. 中國銅加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］. 有色冶金設(shè)計(jì)與研究， 2015（2）：32-35， 38.

［6］李紅安， 王世中， 魯長建， 等. 制冷空調(diào)設(shè)備用銅管的發(fā)展趨勢［J］.制冷與空調(diào)， 2014（12）：13-16.

［7］W.B. Shou， D.Q. Yi， H.Q. Liu， et al.Effect of grain size on the fatigue crack growth behavior of 2524-T3 aluminum alloy［J］. Archives of Civil and Mechanical Engineering， 2016：304-312.

［8］李耀群， 易茵菲. 現(xiàn)代銅盤管生產(chǎn)技術(shù)［M］. 第1版.北京：冶金工業(yè)出版社， 2005：30-80.

［9］王華春， 李吉彬. 冷軋表面質(zhì)量控制的影響因素［J］. 鋁加工，2004（4）：30-33.

［10］陳心淇. 表面粗糙度對(duì)零件耐磨性能的影響［J］. 計(jì)量與測試技術(shù)，2005（7）：7-8.

［11］張東初， 裴旭明. 加工工藝對(duì)表面粗糙度及疲勞壽命的影響［J］. 中國機(jī)械工程， 2003（16）：30-33+4.

［12］Kew ei Xu.Effect of residual stress on fatigue behaviour of notches fatigue.International Journal of Fatigue［J］. 1994， 16：337-347.

［13］S. I. Ivanov，V. F. Pavlov. The effect of residual stresses and cold working on fatigue strength［J］. Strength of Materials， 1976：85.

［14］路俊攀. 銅及銅合金加工制品殘余應(yīng)力的測定方法［J］. 無損檢測，2004（12）：633-637.

［15］王繼周， 李晉霞， 邰振中. 管材拉拔中的不均勻變形與殘余應(yīng)力.塑性工程學(xué)報(bào)， 2001（4）： 40-43.

［16］洪正軍. 鑄軋法在銅盤管加工工藝中的應(yīng)用［J］. 湖南冶金，2004（5）：39-41.

［17］劉勁松， 陳大勇， 張士宏. 基于數(shù)值模擬的TP2銅管三聯(lián)拉工藝優(yōu)化［J］. 中國有色金屬學(xué)報(bào)， 2015（2）：458-465.

Influence of Process Improvement on The Quality of ACR Copper Tubes

LIU Yang1， LIU Jin-song1，2， CHEN Da-yong2， ZHANG Shi-hong2
（1.ShenYang University of Science and Technology， Shenyang 110159， Liaoning， China； Institute of Metal Research， Chinese Academia of Sciences， Shenyang 110016， Liaoning， China）

two kinds of ACR copper tubes with dimensions of φ19mm×1mm were mainly studied. Large diameter ACR copper tubes tried tobe produced by casting rolling method instead of extrusion method. The difference of chemical composition， microstructure，properties， surface quality and size precision of ACR copper tubes produced by both methods were compared and analyzed systemically. The products' quality influence factors of ACR copper tubes produced by casting and rolling method were discussed， which can provide important theoretical basis for the actual production.

ACR copper tube；cast-Rolling process；extrusion method；microstructure；mechanical property；surface quality；dimensional accuracy

TG33

A

1009-3842（2016）04-0027-04

2016-05-07

劉陽（1991-），男，滿族，遼寧遼陽人，碩士研究生，主要從事銅管連鑄連軋生產(chǎn)工藝研究。E-mail：1045301595@qq.com