210 工程科学学报，第42卷，第2期 lubricant in the extrusion process is much larger than that of the ring compression experiment,and the compressive stress of the lubricant in the extrusion process is about twice that in the ring compression experiment,which leads to an increase in the lubricant viscosity so that the friction factor is higher.The friction factor obtained by the ring compression method is more suitable for hot working conditions such as the forging of Zr-4 alloys. KEY WORDS Zr-4 alloy;glass lubricants;ring compression;extrusion simulation;friction factor 锆合金具有优异的核性能、适中的力学性能 于膨胀性流体，其摩擦因子与压应力和剪切速率 及良好的加工性能，被普遍用在核工业中，是核动 有关，故增加了挤压-模拟法来测定Zr4合金有润 力反应堆用结构部件和燃料包壳材料的优质选 滑条件下的摩擦因子，并从变形坯料与模具表面 择，如压力管、导向管、孔道管、定位格架、端塞 剪切速率、润滑剂所受压应力等方面讨论了两种 和其他结构材料山 方法所测定摩擦因子存在差异的原因.研究结果 锆合金的主要塑性加工方式包括锻造、轧制 可为Z4合金塑性成形过程精确模拟，进而制定 和挤压-锻造的目的是改善组织，提升金属的 合理的塑性成形工艺、优化成形工模具提供参考 综合性能，为后续的加工提供坯料；轧制是锆合金 1实验方法 板、带、箔材生产不可缺少的加工方式，能够消除 显微组织缺陷，改善力学性能：热挤压有利于金属 1.1圆环压缩法 变形，改善组织性能，得到的产品尺寸精度高、表 实验中的圆环材料为Zr4合金，采用外径：内 面质量好，是锆合金棒材尤其是管材生产中最主 径：高为6：3：2的尺寸比例，图1是圆环压缩实 要的加工方式 验装置示意图.在不同加热温度(700、750和800℃) 锆及锆合金有着较强的热态化学活性，高温 和不同压缩速度(4和10 mm:min)进行实验，压 下可与周围介质中的氢、氧、氮、一氧化碳、二氧 缩变形量控制在30%~35%.将压缩后的圆环表面 化碳及水蒸气化合，产生氧化皮、氢化物等，影响 润滑剂清理干净，使用游标卡尺沿周向每隔90°测 材料的使用性能在热加工时，可以在坯料表面 量其厚度并取平均值.在厚度方向的中心用线切 涂覆玻璃润滑剂，不仅能够提供良好的润滑作用， 割将圆环切为两半，沿周向每隔60°测量其内径并 并且起到提供良好的绝热、抗氧化、减少吸氢量 求平均值.由压缩后的圆环厚度与内径变化，对照 的效果 标定曲线四得到理论摩擦因子m,再用校准式(1) 近年来我国核电发展迅速，锆合金需求量持 进行修正得到较为准确的摩擦因子m 续增加，而我国的锆合金加工技术与国外先进国 m=m (1) 家仍有较大差距，需要加大研发力度)核级锆合 金具有变形抗力大、流动性差、黏性强、成形温度 圆环表面涂覆的润滑剂由国核宝钛锆业股份 区间窄等特点，合理的工艺参数及工模具设计对 公司提供，其主要成分包括二硫化钼、玻璃粉、石 生产性能优良的锆合金制品非常关键，而摩擦因 墨，模具（砧面）粗糙度使用TR280表面粗糙度仪 子对制定工艺、设计工模具有指导作用 测量 通过模拟仿真技术可以对锆合金塑性成形过 压力 程中金属变形体内的温度场、速度场、应力场等 物理量进行分析⑧，以此来优化加工工艺，例如确 定挤压、轧制的速度与温度、进行模具及工具的 设计、确定挤压机的吨位等.其对缩短研发周期、 上砧 降低研发成本、提升产品质量具有重要意义.实 7 石棉 现精确仿真模拟的前提是要有精确的边界条件， 下砧 如塑性加工时模具与坯料的摩擦因子 圆环压缩？0是测定塑性成形摩擦因子普遍 采用的方法，考虑到本文锆合金挤压所采用的挤 实验支撑台 压速度较大，且由于挤压成形时坯料在封闭的挤 图1圆环压缩实验示意图 压腔中承受很大的压应力，而本文的润滑材料属 Fig.1 Schematic diagram of ring compression experimentlubricant in the extrusion process is much larger than that of the ring compression experiment, and the compressive stress of the lubricant in the extrusion process is about twice that in the ring compression experiment, which leads to an increase in the lubricant viscosity so that the friction factor is higher. The friction factor obtained by the ring compression method is more suitable for hot working conditions such as the forging of Zr-4 alloys. KEY WORDS    Zr-4 alloy；glass lubricants；ring compression；extrusion simulation；friction factor 锆合金具有优异的核性能、适中的力学性能 及良好的加工性能，被普遍用在核工业中，是核动 力反应堆用结构部件和燃料包壳材料的优质选 择，如压力管、导向管、孔道管、定位格架、端塞 和其他结构材料[1] . 锆合金的主要塑性加工方式包括锻造、轧制 和挤压[2−4] . 锻造的目的是改善组织，提升金属的 综合性能，为后续的加工提供坯料；轧制是锆合金 板、带、箔材生产不可缺少的加工方式，能够消除 显微组织缺陷，改善力学性能；热挤压有利于金属 变形，改善组织性能，得到的产品尺寸精度高、表 面质量好，是锆合金棒材尤其是管材生产中最主 要的加工方式. 锆及锆合金有着较强的热态化学活性，高温 下可与周围介质中的氢、氧、氮、一氧化碳、二氧 化碳及水蒸气化合，产生氧化皮、氢化物等，影响 材料的使用性能[5] . 在热加工时，可以在坯料表面 涂覆玻璃润滑剂，不仅能够提供良好的润滑作用， 并且起到提供良好的绝热、抗氧化、减少吸氢量 的效果[6] . 近年来我国核电发展迅速，锆合金需求量持 续增加，而我国的锆合金加工技术与国外先进国 家仍有较大差距，需要加大研发力度[7] . 核级锆合 金具有变形抗力大、流动性差、黏性强、成形温度 区间窄等特点，合理的工艺参数及工模具设计对 生产性能优良的锆合金制品非常关键，而摩擦因 子对制定工艺、设计工模具有指导作用. 通过模拟仿真技术可以对锆合金塑性成形过 程中金属变形体内的温度场、速度场、应力场等 物理量进行分析[8] ，以此来优化加工工艺，例如确 定挤压、轧制的速度与温度、进行模具及工具的 设计、确定挤压机的吨位等. 其对缩短研发周期、 降低研发成本、提升产品质量具有重要意义. 实 现精确仿真模拟的前提是要有精确的边界条件， 如塑性加工时模具与坯料的摩擦因子. 圆环压缩[9−10] 是测定塑性成形摩擦因子普遍 采用的方法，考虑到本文锆合金挤压所采用的挤 压速度较大，且由于挤压成形时坯料在封闭的挤 压腔中承受很大的压应力，而本文的润滑材料属 于膨胀性流体，其摩擦因子与压应力和剪切速率 有关，故增加了挤压–模拟法来测定 Zr-4 合金有润 滑条件下的摩擦因子，并从变形坯料与模具表面 剪切速率、润滑剂所受压应力等方面讨论了两种 方法所测定摩擦因子存在差异的原因. 研究结果 可为 Zr-4 合金塑性成形过程精确模拟，进而制定 合理的塑性成形工艺、优化成形工模具提供参考. 1    实验方法 1.1    圆环压缩法 实验中的圆环材料为 Zr-4 合金，采用外径：内 径：高为 6∶3∶2 的尺寸比例，图 1 是圆环压缩实 验装置示意图. 在不同加热温度（700、750 和 800 ℃） 和不同压缩速度（4 和 10 mm·min−1）进行实验，压 缩变形量控制在 30%～35%. 将压缩后的圆环表面 润滑剂清理干净，使用游标卡尺沿周向每隔 90°测 量其厚度并取平均值. 在厚度方向的中心用线切 割将圆环切为两半，沿周向每隔 60°测量其内径并 求平均值. 由压缩后的圆环厚度与内径变化，对照 标定曲线[11] 得到理论摩擦因子 m，再用校准式（1） 进行修正得到较为准确的摩擦因子 mt . mt = m 2 m 2 （1） 圆环表面涂覆的润滑剂由国核宝钛锆业股份 公司提供，其主要成分包括二硫化钼、玻璃粉、石 墨，模具（砧面）粗糙度使用 TR280 表面粗糙度仪 测量. 压力 上砧 下砧 圆环 实验支撑台 石棉 图 1    圆环压缩实验示意图 Fig.1    Schematic diagram of ring compression experiment · 210 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期