锆合金挤压技术研究与应用

张立波 ，权晓惠，荆云海，董晓娟，邱立朋，张 峻，王哲琳

(1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032;2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

锆合金目前的主要用途是用作核反应堆的结构材料、燃料元件的包壳等，是反应堆的关键核心材料之一。反应堆中使用的锆材大部分为管、棒材，约占总量的75%～80%。这些管、棒材都是经挤压加工而成的。由于核级锆合金具有变形抗力大、流动性差、粘性强、挤压温度区间窄等特点，其挤压工艺与一般的有色金属和黑色金属材料区别较大。我国现有的挤压机都不是专业从事锆材生产的设备，其加热工艺、润滑工艺及挤压工艺等都无法满足核级锆材批量生产和质量控制的要求。目前国内核级锆管的挤压管坯全部依赖于进口。由于核级锆材的生产被欧美俄少数几个国家所垄断，进口核级锆材受到复杂的国际局势影响，且价格高昂，严重制约了我国核电、军工等行业的发展。因此，开展对锆合金、特别是核级锆合金挤压生产技术的自主研究十分必要。

1 锆合金挤压工艺特点

由于核级锆合金挤压相比其他用途的锆合金挤压技术难度更大，工艺更为繁琐，产品质量要求更高，同时鉴于棒材挤压工艺与管材挤压相近，且更为简单，因此本文分析核级锆管的挤压技术。

核级锆合金流动性差、粘性强，在挤压过程中极易与挤压筒、穿孔针、模具粘连，造成产品质量缺陷或挤压力需求过大，导致闷车。为防止此现象的发生，锆合金挤压工艺要求坯锭、挤压工具在挤压前必须进行充分润滑。

为防止坯锭温降过大，造成挤压困难，锆合金坯锭的润滑过程是在加热前完成的。由于润滑涂层对挤压过程至关重要，因此，应有一套能够保护坯锭内、外表面润滑涂层的后续运送及加热系统。

出于工艺、价格等因素的考虑，核级锆管挤压多采用扩孔挤压技术，即:穿孔针在挤压前须对坯锭进行中心扩孔。由于穿孔针表面的润滑涂层对后续挤压具有重要作用，因此扩孔过程中必须保持其完好。

同时，由于穿孔针在扩孔过程中的对中精度对产品几何尺寸影响较大，因此，应采取有效措施提高穿孔针的运行精度，保证产品质量。

锆合金挤压工艺过程涉及的辅助工序繁多，若采用功能单一的装置来实现各工序，势必会造成辅助机械化系统过于庞大，不仅增加设备体积、侵占检修空间，而且使设备的复杂程度增加，运行可靠性降低。因此，应采用功能集成度更高的辅助机械化系统。

对金属材料挤压而言，挤压模具不仅直接关系着制品的尺寸精度及表面质量，而且还影响着挤压金属的流动状况。并且材料变形抗力越大，模具对金属流动的影响越明显。因此，对于难变形的核级锆合金挤压而言，合理的模具形态无论是对保证产品质量还是改善金属流动都尤为重要。

2 锆合金挤压关键技术

2.1 坯锭及挤压工具的充分润滑

常用的坯锭润滑方式有包铜润滑和玻璃粉润滑，但这两种润滑方式均不适用于锆合金挤压生产。其主要原因是:①由于失败的主要原因是内孔铜皮在挤压过程中易断裂，造成润滑不连续，发生粘针，所以包铜润滑成功率低，约75%。再者，制品后续处理不易去掉掺杂的铜皮，需要进行酸洗。②玻璃粉润滑由于中间涂粉时间较长，导致坯锭温降过大，容易造成闷车。

为此，中国重型机械研究院股份公司通过反复实验及对比分析，找出了一种锆合金挤压专用润滑剂，并总结出一套合理的润滑工艺，使坯锭和挤压工具得以充分润滑，有效避免了挤压过程中金属粘针、粘筒、粘模等现象的发生。

专用润滑剂主要包含二硫化钼、玻璃粉、石墨、水、粘附剂。坯锭润滑工艺是:润滑剂配制-坯锭热水洗涤-浸入润滑剂涂敷-拉出晾干-厚度检查-内孔润滑-风干-润滑完成。穿孔针润滑与坯锭润滑相同，采用专用润滑剂，涂层润滑;挤压筒、模具采用专用润滑剂，喷涂润滑。

经实际生产验证，采用上述的锆合金挤压专用润滑剂，在规范操作状态下，其润滑效果良好，成功率为100%。

2.2 坯锭润滑涂层的有效保护

采用立式输送系统先将坯锭吊挂，完成涂层润滑，之后将其转运至加热炉前辊道，并使坯锭直立于辊道的托盘上，以立式平移方式将坯锭运至加热炉口，送入立式加热炉。加热完成出炉后，翻料机构将坯锭放倒，送入上料装置，进行坯锭装载。

采用立式托盘输送系统及立式感应加热炉，使得坯锭在整个加热、运送过程中保持直立，并且与托盘间没有相对运动，其内、外表面几乎不与其它任何零部件接触，最大程度的保护了润滑涂层，为后续挤压的顺利实施提供了保障。

2.3 穿孔针润滑涂层的有效保护

锆合金挤压时，若采用穿孔针直接对坯锭进行扩孔，势必会破坏穿孔针表面的润滑涂层，使得在挤压过程中发生金属与针粘连，造成穿孔针断裂，使产品报废。

经过反复分析研究及实验摸索，总结出使用活动扩孔头进行扩孔的工艺，实现了穿孔针的顺利扩孔。其原理是:在穿孔针前端放置一活动扩孔头，其外径大于穿孔针。在扩孔过程中，穿孔针与坯锭金属没有直接接触，针表面的润滑涂层保持完好，穿孔针的使用寿命及制品的内表面质量得以提升。

2.4 带穿孔动梁的穿孔系统

常用的内置式穿孔系统，活塞杆、连接头和针座等诸多元件均内置于主柱塞。由于内置部件较多，检修难度大;加之没有中间调整环节，为保证穿孔针与挤压杆及穿孔缸间的同轴度，系统对主柱塞、动梁、挤压杆、穿孔针等相关零部件的形位公差要求较高，加工难度大，且极易造成零部件卡阻或穿孔精度损失等问题。

中国重型机械研究院股份公司将带穿孔动梁的内置式穿孔系统引入锆合金挤压生产线中，如图1 所示。穿孔缸活塞杆内置于主柱塞，并通过穿孔动梁与针座连接，穿孔动梁内置于活动横梁并以其为导向，可在活动横梁上往复运动。该系统的优势在于:内置零部件少，检修方便;转针系统外置，可在任意位置实现转针;穿孔缸活塞杆与穿孔动梁间有径向间隙，且穿孔动梁对中精度可调，不仅减小了零部件加工及装配难度，而且通过调整穿孔动梁可以减小穿孔针在行程范围内与挤压杆同轴度的变化量，从而提高穿孔针的运行精度，保证产品质量。

图1 带穿孔动梁的穿孔系统Fig.1 Piercing system with moving crosshead

2.5 辅助动作的集中实现

由于核级锆的特殊用途，其挤压生产工艺复杂，辅助动作较多。若采用功能单一的机构分别完成各个辅助工序，不仅会使得系统复杂庞大，可靠性低，而且由于空间限制等因素导致其很难实现。因此，应考虑采用功能集成化程度更高、空间占用更小的辅助系统。

工业机器人系统具有高集成度、高精度、高自动化程度的特点，将其用于锆合金挤压生产可以有效地解决上述困难。基于此，将工业机器人系统引入锆合金挤压生产，选用工业机器人原型机，如图2 所示，经过二次开发，自动完成穿孔针及石墨垫的安装、穿孔针的拆卸、挤压筒和模具的清理及润滑、挤压筒内壁及模具的拍照检查、照片传输等工作。

采用工业机器人不仅避免了辅助系统庞杂、可靠性低的缺点，而且提高了核级锆材挤压过程的自动化水平，减少了人为因素对生产过程的影响，保证了产品质量的可靠性。

图2 工业机器人系统Fig.2 Industrial Robot

3 结束语

本文以技术难度最大的核级锆材挤压生产为例，通过分析工艺要求，对坯锭和挤压工具的润滑、坯锭及穿孔针润滑涂层的保护、穿孔针运行精度的保证、辅助工序的集中实现、挤压模具的优化设计等锆合金挤压的关键应用技术展开了研究，并取得了一定的成果。

目前，研究成果已成功应用于我国首条锆合金挤压生产线——40 MN 卧式双动锆挤压生产线。实际生产证明，文中所述的各项技术不仅保障了锆合金挤压的顺利实现，而且有效提升了设备的综合性能，保证了机组的可靠运行。

［1］赵文金，周邦新，苗志，等.我国高性能锆合金的发展［J］.原子能科学技术，2005，7(39).

［2］荆云海，权晓惠，郑文达，等.卧式双动锆挤压生产线［J］.重型机械，2012(03).

［3］彭倩，沈保罗.锆合金的织构及其对性能的影响［J］.稀有金属，2015，12(06).

［4］王峰，王快社，马林生，等.核级锆及锆合金研究状况及发展前景［J］.兵器材料科学与工程，2012(01).

［5］王旭峰，李中奎，周军，等.锆合金在核工业中的应用及研究进展［J］.热加工工艺，2012(02).

［6］袁改焕，卫新民.锆合金研究进展及我国核电站用锆材国产化的思考［J］.钛工业进展，2011(06).

［7］李洪佳，孙光爱，龚建，等.Zr－4 合金压缩形变行为的研究［J］.物理学报，2014(23).

［8］刘长勇，张人佶，颜永年，等.玻璃润滑热挤压工艺的润滑行为分析［J］.机械工程学报，2011(20).

［9］肖华，李保成，张星.铝合金温挤压用润滑剂实验研究［J］.热加工工艺，2011(05).

［10］魏军.金属挤压机［M］.北京:化学工业出版社，2005.