鋯合金擠壓技術研究與應用

張立波 ，權曉惠，荊云海，董曉娟，邱立朋，張 峻，王哲琳

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032;2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

鋯合金目前的主要用途是用作核反應堆的結構材料、燃料元件的包殼等，是反應堆的關鍵核心材料之一。反應堆中使用的鋯材大部分為管、棒材，約占總量的75%～80%。這些管、棒材都是經擠壓加工而成的。由于核級鋯合金具有變形抗力大、流動性差、粘性強、擠壓溫度區間窄等特點，其擠壓工藝與一般的有色金屬和黑色金屬材料區別較大。我國現有的擠壓機都不是專業從事鋯材生產的設備，其加熱工藝、潤滑工藝及擠壓工藝等都無法滿足核級鋯材批量生產和質量控制的要求。目前國內核級鋯管的擠壓管坯全部依賴于進口。由于核級鋯材的生產被歐美俄少數幾個國家所壟斷，進口核級鋯材受到復雜的國際局勢影響，且價格高昂，嚴重制約了我國核電、軍工等行業的發展。因此，開展對鋯合金、特別是核級鋯合金擠壓生產技術的自主研究十分必要。

1 鋯合金擠壓工藝特點

由于核級鋯合金擠壓相比其他用途的鋯合金擠壓技術難度更大，工藝更為繁瑣，產品質量要求更高，同時鑒于棒材擠壓工藝與管材擠壓相近，且更為簡單，因此本文分析核級鋯管的擠壓技術。

核級鋯合金流動性差、粘性強，在擠壓過程中極易與擠壓筒、穿孔針、模具粘連，造成產品質量缺陷或擠壓力需求過大，導致悶車。為防止此現象的發生，鋯合金擠壓工藝要求坯錠、擠壓工具在擠壓前必須進行充分潤滑。

為防止坯錠溫降過大，造成擠壓困難，鋯合金坯錠的潤滑過程是在加熱前完成的。由于潤滑涂層對擠壓過程至關重要，因此，應有一套能夠保護坯錠內、外表面潤滑涂層的后續運送及加熱系統。

出于工藝、價格等因素的考慮，核級鋯管擠壓多采用擴孔擠壓技術，即:穿孔針在擠壓前須對坯錠進行中心擴孔。由于穿孔針表面的潤滑涂層對后續擠壓具有重要作用，因此擴孔過程中必須保持其完好。

同時，由于穿孔針在擴孔過程中的對中精度對產品幾何尺寸影響較大，因此，應采取有效措施提高穿孔針的運行精度，保證產品質量。

鋯合金擠壓工藝過程涉及的輔助工序繁多，若采用功能單一的裝置來實現各工序，勢必會造成輔助機械化系統過于龐大，不僅增加設備體積、侵占檢修空間，而且使設備的復雜程度增加，運行可靠性降低。因此，應采用功能集成度更高的輔助機械化系統。

對金屬材料擠壓而言，擠壓模具不僅直接關系著制品的尺寸精度及表面質量，而且還影響著擠壓金屬的流動狀況。并且材料變形抗力越大，模具對金屬流動的影響越明顯。因此，對于難變形的核級鋯合金擠壓而言，合理的模具形態無論是對保證產品質量還是改善金屬流動都尤為重要。

2 鋯合金擠壓關鍵技術

2.1 坯錠及擠壓工具的充分潤滑

常用的坯錠潤滑方式有包銅潤滑和玻璃粉潤滑，但這兩種潤滑方式均不適用于鋯合金擠壓生產。其主要原因是:①由于失敗的主要原因是內孔銅皮在擠壓過程中易斷裂，造成潤滑不連續，發生粘針，所以包銅潤滑成功率低，約75%。再者，制品后續處理不易去掉摻雜的銅皮，需要進行酸洗。②玻璃粉潤滑由于中間涂粉時間較長，導致坯錠溫降過大，容易造成悶車。

為此，中國重型機械研究院股份公司通過反復實驗及對比分析，找出了一種鋯合金擠壓專用潤滑劑，并總結出一套合理的潤滑工藝，使坯錠和擠壓工具得以充分潤滑，有效避免了擠壓過程中金屬粘針、粘筒、粘模等現象的發生。

專用潤滑劑主要包含二硫化鉬、玻璃粉、石墨、水、粘附劑。坯錠潤滑工藝是:潤滑劑配制-坯錠熱水洗滌-浸入潤滑劑涂敷-拉出晾干-厚度檢查-內孔潤滑-風干-潤滑完成。穿孔針潤滑與坯錠潤滑相同，采用專用潤滑劑，涂層潤滑;擠壓筒、模具采用專用潤滑劑，噴涂潤滑。

經實際生產驗證，采用上述的鋯合金擠壓專用潤滑劑，在規范操作狀態下，其潤滑效果良好，成功率為100%。

2.2 坯錠潤滑涂層的有效保護

采用立式輸送系統先將坯錠吊掛，完成涂層潤滑，之后將其轉運至加熱爐前輥道，并使坯錠直立于輥道的托盤上，以立式平移方式將坯錠運至加熱爐口，送入立式加熱爐。加熱完成出爐后，翻料機構將坯錠放倒，送入上料裝置，進行坯錠裝載。

采用立式托盤輸送系統及立式感應加熱爐，使得坯錠在整個加熱、運送過程中保持直立，并且與托盤間沒有相對運動，其內、外表面幾乎不與其它任何零部件接觸，最大程度的保護了潤滑涂層，為后續擠壓的順利實施提供了保障。

2.3 穿孔針潤滑涂層的有效保護

鋯合金擠壓時，若采用穿孔針直接對坯錠進行擴孔，勢必會破壞穿孔針表面的潤滑涂層，使得在擠壓過程中發生金屬與針粘連，造成穿孔針斷裂，使產品報廢。

經過反復分析研究及實驗摸索，總結出使用活動擴孔頭進行擴孔的工藝，實現了穿孔針的順利擴孔。其原理是:在穿孔針前端放置一活動擴孔頭，其外徑大于穿孔針。在擴孔過程中，穿孔針與坯錠金屬沒有直接接觸，針表面的潤滑涂層保持完好，穿孔針的使用壽命及制品的內表面質量得以提升。

2.4 帶穿孔動梁的穿孔系統

常用的內置式穿孔系統，活塞桿、連接頭和針座等諸多元件均內置于主柱塞。由于內置部件較多，檢修難度大;加之沒有中間調整環節，為保證穿孔針與擠壓桿及穿孔缸間的同軸度，系統對主柱塞、動梁、擠壓桿、穿孔針等相關零部件的形位公差要求較高，加工難度大，且極易造成零部件卡阻或穿孔精度損失等問題。

中國重型機械研究院股份公司將帶穿孔動梁的內置式穿孔系統引入鋯合金擠壓生產線中，如圖1 所示。穿孔缸活塞桿內置于主柱塞，并通過穿孔動梁與針座連接，穿孔動梁內置于活動橫梁并以其為導向，可在活動橫梁上往復運動。該系統的優勢在于:內置零部件少，檢修方便;轉針系統外置，可在任意位置實現轉針;穿孔缸活塞桿與穿孔動梁間有徑向間隙，且穿孔動梁對中精度可調，不僅減小了零部件加工及裝配難度，而且通過調整穿孔動梁可以減小穿孔針在行程范圍內與擠壓桿同軸度的變化量，從而提高穿孔針的運行精度，保證產品質量。

圖1 帶穿孔動梁的穿孔系統Fig.1 Piercing system with moving crosshead

2.5 輔助動作的集中實現

由于核級鋯的特殊用途，其擠壓生產工藝復雜，輔助動作較多。若采用功能單一的機構分別完成各個輔助工序，不僅會使得系統復雜龐大，可靠性低，而且由于空間限制等因素導致其很難實現。因此，應考慮采用功能集成化程度更高、空間占用更小的輔助系統。

工業機器人系統具有高集成度、高精度、高自動化程度的特點，將其用于鋯合金擠壓生產可以有效地解決上述困難。基于此，將工業機器人系統引入鋯合金擠壓生產，選用工業機器人原型機，如圖2 所示，經過二次開發，自動完成穿孔針及石墨墊的安裝、穿孔針的拆卸、擠壓筒和模具的清理及潤滑、擠壓筒內壁及模具的拍照檢查、照片傳輸等工作。

采用工業機器人不僅避免了輔助系統龐雜、可靠性低的缺點，而且提高了核級鋯材擠壓過程的自動化水平，減少了人為因素對生產過程的影響，保證了產品質量的可靠性。

圖2 工業機器人系統Fig.2 Industrial Robot

3 結束語

本文以技術難度最大的核級鋯材擠壓生產為例，通過分析工藝要求，對坯錠和擠壓工具的潤滑、坯錠及穿孔針潤滑涂層的保護、穿孔針運行精度的保證、輔助工序的集中實現、擠壓模具的優化設計等鋯合金擠壓的關鍵應用技術展開了研究，并取得了一定的成果。

目前，研究成果已成功應用于我國首條鋯合金擠壓生產線——40 MN 臥式雙動鋯擠壓生產線。實際生產證明，文中所述的各項技術不僅保障了鋯合金擠壓的順利實現，而且有效提升了設備的綜合性能，保證了機組的可靠運行。

［1］趙文金，周邦新，苗志，等.我國高性能鋯合金的發展［J］.原子能科學技術，2005，7(39).

［2］荊云海，權曉惠，鄭文達，等.臥式雙動鋯擠壓生產線［J］.重型機械，2012(03).

［3］彭倩，沈保羅.鋯合金的織構及其對性能的影響［J］.稀有金屬，2015，12(06).

［4］王峰，王快社，馬林生，等.核級鋯及鋯合金研究狀況及發展前景［J］.兵器材料科學與工程，2012(01).

［5］王旭峰，李中奎，周軍，等.鋯合金在核工業中的應用及研究進展［J］.熱加工工藝，2012(02).

［6］袁改煥，衛新民.鋯合金研究進展及我國核電站用鋯材國產化的思考［J］.鈦工業進展，2011(06).

［7］李洪佳，孫光愛，龔建，等.Zr－4 合金壓縮形變行為的研究［J］.物理學報，2014(23).

［8］劉長勇，張人佶，顏永年，等.玻璃潤滑熱擠壓工藝的潤滑行為分析［J］.機械工程學報，2011(20).

［9］肖華，李保成，張星.鋁合金溫擠壓用潤滑劑實驗研究［J］.熱加工工藝，2011(05).

［10］魏軍.金屬擠壓機［M］.北京:化學工業出版社，2005.