大型發電機組冷卻系統用3003鋁合金型材擠壓工藝研究

史瑋

摘 要：研究了大型發電機組冷卻系統用3003鋁合金型材在擠壓過程中鑄錠溫度、擠壓速度及拉伸率對型材尺寸、表面質量及性能的影響。結果表明，鑄錠加熱溫度在465℃～475℃時型材表面質量和性能滿足技術要求。擠壓速度控制在2.0mm/s～2.6mm/s時型材尺寸合格，表面質量良好。調直拉伸率控制在2%型材無扭擰彎曲現象并且尺寸、表面質量及性能均滿足技術要求。

關鍵詞：3003鋁合金；擠壓工藝；型材尺寸；表面質量；性能

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0058-02

Abstract：The effect of cast ingot temperature、extrusion speed and tensile rate of the extrusion process on the profile size、the profile surface quality and the mechanical properties of 3003 aluminum alloy profile for the cooling system of large generators have been studied. The results show that the profile surface quality and the mechanical properties can be guaranteed by the temperature of cast ingot is between 465℃ and 475℃. When the extrusion speed is controlled at 2.0mm/s～2.6mm/s that the sizes of the profile is qualified and the surface quality is good. When the tensile rate is controlled at 2% that the profile without twisting and bending， meanwhile， the profile size、the profile surface quality and the mechanical properties can be can be meet technical requirements.

Key words：3003 aluminum alloy； extrusion process； profile sizes； surface quality； mechanical properties

近幾十年來，國內外發展了許多用于氣體、液體的緊湊式傳熱表面，有效的減少了換熱器的幾何尺寸，作為高表面面積密度的板翹式換熱器就是其中之一。它具有結構緊湊、輕巧傳熱強度高等特點，適合于大型發電機組冷卻系統的應用，是一種具有發展前途的新型電站冷卻器設備部件[1]。該散熱裝置主體基管選用3003材質AL-Mn系合金，是一種應用最廣的防銹鋁，這類合金的強度不高，不可熱處理強化。故選用冷加工方式來提高它的力學性能（H112狀態），在半冷作硬化時塑性良好如拉伸調直。常用于要求可塑性高、耐腐蝕性好、焊接性良好的液體或氣體介質中工作的低載荷零部件。

1 產品技術要求

1.1 產品特性

型材單重0.72kg/m，定尺11710mm，外形尺寸寬112mm、高12mm、壁厚1mm，支撐筋厚度1.5mm，平面間隙≤0.3mm。該型材因壁厚較薄，材料熱擠壓狀態粘度大，擠壓時尺寸公差、形位公差和表面質量要求嚴格控制難度大，需嚴格控制生產工藝。

1.2 狀態

H112狀態適用于熱加工成型的產品其力學性能有規定要求。其中抗拉強度Rm≥95Mpa，布氏硬度HB≥30。3XXX系鋁合金是以錳為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理不可強化鋁合金，需通過加工硬化提高產品的強度所以拉伸調直力需嚴格控制[2]。

1.3 表面質量

型材表面要求無磕碰劃傷，拖尾、拉毛，氣泡、起皮。

2 試驗方案及結果

2.1 化學成分

3003鋁合金化學成分標準及使用鑄錠實測成分（見表1）。

2.2 擠壓參數的優化研究

根據產品特性選擇單孔模具規格φ228×140，擠壓筒直徑φ157mm內襯溫度430℃，鑄錠規格φ152mm，擠壓比70.43，壓余25mm，機型18MN正向擠壓機，擠出長度36.64m。影響型材要求的擠壓工藝參數主要有鑄錠加熱溫度、擠壓速度、調直拉伸率。試驗工藝方案采用低溫高速、中溫中速、高溫低速的擠壓方式。方案1，鑄錠溫度450±5℃，擠壓速度2.7～3.5mm/s，拉伸率1～3%。方案2，鑄錠溫度470±5℃，擠壓速度1.9～2.7mm/s，拉伸率1～3%。方案3，鑄錠溫度490±5℃，擠壓速度1.0～1.9mm/s，拉伸率1～3%。

2.2.1 鑄錠加熱溫度對型材表面質量的影響

正向擠壓時，鑄錠表面與擠壓筒內壁之間處于相對運動狀態，會產生很大的摩擦力使鑄錠溫度在擠壓過程中會有升高。型材溫度過高會導致金屬內部晶粒粗大，影響產品的表面質量。試驗結果見表2。

2.2.2 擠壓速度對型材尺寸及表面質量的影響

隨著擠壓速度的提升，仍然能看到型材最大溫度呈上升趨勢。并在鋁料將要流出工作帶時主缸壓力達到最大值，模具載荷隨著擠壓速度的提升而呈增大趨勢。此時模具產生的彈變程度也隨之增大，型材的尺寸會隨著模具的彈變而變化。擠壓速度過快，型材與工作帶之間摩擦程度加大，表面擠壓痕加重易產生拖尾。試驗結果見表2。

2.2.3 拉伸率對型材尺寸、表面質量及性能的影響

型材在擠出冷卻后進行拉伸調直工序。型材內部存在一定的殘余應力，須通過外部施加的拉力來對內應力進行釋放，否則型材在后續使用過程中會出現局部變形的風險。拉伸過程中可以對型材局部的彎曲、扭擰進行矯正，達到滿意的直線度。拉伸屬于塑形變形，一定量的冷變形后型材會出現加工硬化現象，使其硬度和抗拉強度均有細微的提高，但拉伸率的大小直接影響型材的尺寸和表面質量。試驗結果見表2。

3 生產工藝分析

3.1 鑄錠加熱溫度

鑄錠的加熱溫度直接影響型材的表面質量。在試驗過程中可以發現當鑄錠溫度大于485℃時型材表面質量開始變的一般，表面光澤變暗并且有輕微的拖尾和拉毛現象。鑄錠溫度在低溫445℃～455℃高速擠壓時表面質量仍然一般，主要因為型材擠壓比較大鋁料變形程度大溫度上升，擠壓速度過快型材與工作帶之間摩擦加劇導致溫度升高影響表面質量。鑄錠溫度控制在465℃～475℃時型材表面質量良好。

3.2 擠壓速度

型材擠壓速度大于3.2mm/s時擠壓力增大模具彈變加大，尺寸超差。型材與模具工作帶之間摩擦加劇導致表面擠壓痕嚴重，多處出現拉毛、拖尾缺陷嚴重影響表面質量。采用1.1mm/s～1.7mm/s低速擠壓時鑄錠溫度過高表面質量變差且生產效率偏低。擠壓速度控制在2.0mm/s～2.6mm/s時型材尺寸合格，表面質量良好。

3.3 拉伸率

拉伸調直過程中拉伸率控制在3%時，由于變形量比較大冷作硬化程度較高，所以型材的抗拉強度和硬度比拉伸率在1%，2%時高。但型材塑性變形嚴重尺寸超差，表面出現橘皮紋。當拉伸率在1%時尺寸及性能滿足要求，但存在型材彎曲、扭擰和內應力釋放不完全的風險。拉伸率控制在2%型材尺寸、表面質量，力學性能均滿足要求。

4 結語

通過對3003材質鋁合金散熱基管擠壓工藝的試驗研究發現，鑄錠溫度控制在470±5℃時表面質量良好。擠壓速度在2.0mm/s～2.6mm/s時型材尺寸合格，表面良好無拖尾、拉毛等缺陷。拉伸率控制在2%時型材尺寸合格，表面質量良好，由拉伸調直產生的冷作硬化使型材的抗拉強度有較小的提高，但硬度變化不明顯。

參考文獻

[1]余敏，李美玲，蔡祖恢.板翅式換熱器在大型電站汽輪發電機冷卻系統中的應用研究[J].動力工程，1998，18（5）：54-55.

[2]肖亞慶，謝水生，劉靜安.鋁加工使用技術手冊[M].北京：冶金工業出版社，2005：141-147.