梯度加热挤压工艺对黄铜力学性能与表面质量的影响

■安徽铜冠电工有限公司　乔东月

梯度加热挤压工艺对黄铜力学性能与表面质量的影响

■安徽铜冠电工有限公司乔东月

黄铜具有较好的力学性能，良好的耐蚀性，广泛应用于机械、电子、电器、汽车、精密仪表及五金装潢等行业。我国黄铜棒的生产方法有挤压、拉深、轧制及锻造等。某公司易切削黄铜棒材的生产采用了目前较为成熟的生产工艺路线：超长大铸锭→反向热挤压→联合拉拔的生产工艺。

在挤压过程中，铸锭长有助于提高生产效率和成品率，减少工艺废料，但其也引起一系列产品质量问题，如热挤压制品的力学性能和公差难以控制、制品表面出现泡和裂纹。这些问题的出现与铸锭长径比及热挤压坯料的加热方式密切相关。因此，研究热挤压铸锭长度及加热方式对实现大批量生产高质量易切削黄铜棒材具有重要的指导意义。

1. 试验材料与方法

选用3种不同牌号的黄铜，分别为C3604、C3602、HPb59-1。将3种不同合金牌号的材料分别制成两组直径和长度相同铸锭（φ255mm×1320mm）。利用感应加热炉（工作原理见图1）对铸锭采用不同方式进行加热，一组对热挤压铸锭采用等温加热，另一组采用50℃梯度的方式进行加热，如图2所示。梯度加热通过对感应加热炉进行改造，将感应炉分成6区加热，改变控制方式和程序，实现了不同区的加热。挤压后对棒材进行硬度测试、外径测量以及表面检测。

2. 试验结果及分析

（1）铸锭长径比对热挤压后质量的影响铸锭的长径比过小，相同体积棒材的生产所需挤压次数增加，从而降低了产品生产效率及模具使用寿命，因每次挤压时，坯料需先填满挤压模内腔，增加了工艺废料。铸锭长径比过大，在填充挤压阶段，容易在挤压筒内形成双鼓形和多鼓形镦粗，各个鼓形之间的空气被密封在挤压筒内，导致挤压排气不畅，这些空气混合润滑剂等燃烧产物，在挤压时受到剧烈的压缩并明显地发热，这种气体会进入铸锭表面的微裂纹中，当裂纹通过模具被焊合后，该气体在出模孔后形成气泡附在挤压坯料表面，或由于裂纹未能焊合而在出模孔后形成起皮。

（2）铸锭加热方式对热挤压后质量的影响表1为3种不同合金牌号黄铜棒经不同方式加热后的硬度和尺寸偏差，从中可以看出，采用50℃梯度加热的铸锭挤压后棒材硬度和尺寸偏差较等温加热的小。挤压制品的力学性能和公差得到有效控制，显著提高了产品的公差一致性，拉拔工序时直度容易控制，提高了成品率，降低了劳动强度（拉拔不用频繁地调直），有利于后道工序拉拔机的均衡化生产。

图1　感应加热工作原理

图2　热挤压铸锭的梯度加热

采用等温加热方式导致偏差增大是因为铸锭的挤压过程需要1.5～2.5min，这段时间内没有发生变形的挤压铸锭存在温降。当挤压继续进行，温度下降的铸锭会因为温度较低，材料变形抗力增大，而导致挤压时需要挤压力增大，挤压后棒材硬度和尺寸存在较大波动。对铸锭进行50℃梯度加热，加热温度按照挤压先后顺序逐步升高，补偿温降，在填充挤压过程中，温度较高的一

段，材料变形抗力小，先镦粗后逐渐填满挤压筒，实现挤压过程中的等温挤压，达到完全排气的效果，减小了黄铜棒挤压时的波动（见图3），进而就可以使产品力学性能和尺寸公差都更加稳定。

(3)工艺优化后产品质量与经济效益某公司在对铸锭的长径比及加热方式进行优化后，发现改进后加热方向与转料架的运转方向不一致，又对转料架方向进行改造，便于实现梯度加热，提高生产效率。工艺优化后黄铜棒生产质量较之前有显著提高（见图4），具体工装如图5所示。

此工艺实施以来共生产产品约6000t，按提高成品率3%计算，挤压制品质量影响提高成品率平均3%以上（还存在很大提升空间，有上升趋势）。共提高产品产量约180t，回炉成本（主要含烧损及水电气等费用）按3000元/t计算，转化成合格产品创造利润按2500元/t计算。则节约费用和所得产品计算销售利润，效益分析如表2所示，待公司产量大规模提升后，后续效益将更加可观。如后续增加了挤压制品的订单约50t，创造挤压制品利润10万元，节约模具费用3万元，提高产品对市场的适应度，为公司开拓市场做贡献，降低了操作人员的劳动强度，提高挤压制品质量和综合成品率。

图3　温度梯度加热与变形示意

图4

图5

表2　热挤压工艺优化后的经济效益

3. 结语

合理的铸锭长径比可提高生产效率、成品率及减少工艺废料，实现棒材大量生产。

铸锭采用50℃梯度加热较等温加热硬度偏差减小1 1～ 14H V、尺寸偏差减小0.14～0.22mm。

工艺优化后，黄铜棒表面起皮和裂纹程度明显减小，棒材成品率显著提高，获得经济效益近111万元。

20150713