不銹鋼管擠壓時(shí)的金屬流動(dòng)及變形力的確定

 研究擠壓時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律是正確制定擠壓工藝和確保擠壓制品高質(zhì)量的基礎(chǔ)。不銹鋼管擠壓時(shí)的金屬流動(dòng)與其擠壓時(shí)表面有無(wú)工藝潤(rùn)滑劑或潤(rùn)滑劑的好壞有著密切的關(guān)系。為了說(shuō)明使用潤(rùn)滑劑與不使用潤(rùn)滑劑的擠壓條件的區(qū)別，采用以下試驗(yàn)方法：在預(yù)先從中心軸面切為兩半的圓坯料的平面上，刻上格子形的槽（圖3-1).然后，把兩個(gè)相等的部分重疊起來(lái)，加以焊接并擠壓，擠壓后再重新分開(kāi)。如果仔細(xì)地用合適的制品填塞細(xì)槽，在擠壓后就能發(fā)現(xiàn)細(xì)槽延長(zhǎng)了，這樣就可以看出擠壓坯料變形過(guò)程的全貌。

 圖3-2(b)顯示了不銹鋼管擠壓時(shí)使用玻璃潤(rùn)滑劑的結(jié)果。可以看出，當(dāng)坯料向前推進(jìn)時(shí)，并不發(fā)生變形，只是在坯料靠近擠壓模，其邊緣陸續(xù)接近模前區(qū)域時(shí)，才發(fā)生變形。坯料的整個(gè)表面形成了擠壓制品的表面。圖3-2(a)顯示了當(dāng)無(wú)玻璃潤(rùn)滑劑進(jìn)行擠壓時(shí)，坯料的中部首先受到擠壓，而坯料的外部及其與擠壓模接觸的部分卻傾向于停留在原處不動(dòng)。這是由坯料與工具之間的高度摩擦以及坯料表面的冷卻所引起的變形阻力的增加所造成的。其后果是在模座的角上形成了不移動(dòng)的部分金屬成為“死區(qū)”。而“死區(qū)”的存在，將會(huì)導(dǎo)致無(wú)潤(rùn)滑劑擠壓時(shí)操作上的許多復(fù)雜情況。

 分析帶玻璃潤(rùn)滑劑擠壓棒材時(shí)坯料金屬的流動(dòng)情況（圖3-3),可以看出，擠壓時(shí)，具有高溫潤(rùn)滑性能的玻璃潤(rùn)滑劑（玻璃墊）被坯料壓向擠壓模，并由于接觸高溫坯料而熔化；熔化的玻璃潤(rùn)滑劑和被擠壓的坯料同時(shí)流向擠壓模孔，并從?？字辛鞒?。于是隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，玻璃潤(rùn)滑墊不斷地熔化，并在擠壓棒材的表面上形成一層連續(xù)的厚度約為0.02mm的玻璃薄膜，將高溫棒材與擠壓模隔離，防止了模子的過(guò)熱和棒材的氧化。為了證明擠壓時(shí)金屬流動(dòng)的這一特性，采用無(wú)外層偏析的沸騰鋼鑄坯經(jīng)擠壓成異型材后，制成顯微磨片試樣觀察其金屬流動(dòng)的情況。由圖3-4可以看到，在異型材全長(zhǎng)的外表面上，仍然保留著原來(lái)鑄坯表面上的一層無(wú)偏析組織結(jié)構(gòu)。

 另外，在采用合適的和足夠的玻璃潤(rùn)滑劑配合無(wú)外層偏析的沸騰鋼坯料，經(jīng)擠壓成條材之后，在酸浸高倍試樣（試劑配方為：氯化銅10g、氯化亞錫0.5g、氯化鐵30g、鹽酸（濃）30L,水（稀釋用）500L,乙醇500L)上，顯示的金屬流動(dòng)情況（圖3-5)證明，在擠壓過(guò)程中，坯料金屬的各個(gè)斷面相繼流過(guò)模孔，鋼坯中心部分的偏析組織在擠壓成條材后仍然留在中心部位。而無(wú)偏析坯料的外表面經(jīng)擠壓成條材后，形成了條材無(wú)偏析的外表面。

 圖3-6所示為無(wú)潤(rùn)滑劑擠壓輕合金坯料，擠壓后壓余的低倍組織圖像。從圖3-6可以看出網(wǎng)格，研究其組織結(jié)構(gòu)所得出的結(jié)論是，用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑擠壓條材時(shí)，結(jié)晶組織很均勻。而條材全長(zhǎng)上的力學(xué)性能是一致的，擠壓操作不會(huì)影響變形金屬的質(zhì)量。因?yàn)閿D壓過(guò)程只在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)結(jié)束，在該變形條件下，能夠很精確地掌握金屬的變形溫度，變形操作幾乎是在“等溫”條件下進(jìn)行，所以，在擠壓制品內(nèi)可以避免出現(xiàn)多相組織。

 據(jù)上所述，不銹鋼管熱擠壓過(guò)程中的塑性變形，使金屬產(chǎn)生的流動(dòng)可描述如下。當(dāng)不銹鋼管擠壓過(guò)程開(kāi)始時(shí)，接近擠壓模一端的坯料金屬幾乎旋轉(zhuǎn)了并流入擠壓模和芯棒組成的環(huán)形孔隙，形成鋼管的外表面。而坯料的內(nèi)層金屬流動(dòng)超過(guò)外層，形成鋼管的內(nèi)表面。在變形金屬的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中，管坯的側(cè)面轉(zhuǎn)為相應(yīng)的鋼管表面。當(dāng)擠壓過(guò)程將近結(jié)束時(shí)，在留有一定壓余的情況下，變形金屬的流動(dòng)狀況起了改變，金屬流動(dòng)不僅沿著模子，而且還沿著擠壓墊，形成鋼管的內(nèi)表面?？梢?jiàn)，坯料加工的原始表面的加工精度和端面加工精度對(duì)于擠壓后不銹鋼管的表面質(zhì)量有著重要的影響。

 圖3-7所示為經(jīng)過(guò)擠壓和熱處理的1Cr18Ni9Ti不銹鋼擠壓條材的顯微組織。圖3-8所示為經(jīng)過(guò)擠壓、冷拔和熱處理的0Cr18Ni10不銹鋼擠壓條材的顯微組織。擠壓的方法能夠在三個(gè)主要方向上進(jìn)行壓力變形只要在工其設(shè)計(jì)上預(yù)先采政措施，避免張應(yīng)力區(qū)，行壓力變形（應(yīng)變）。因金屬品種，例如，含鎢量為18%的高速鋼、含鈷量為4%的S.816(美）、鉬及其合金、球墨鑄鐵以及尼莫尼克型難熔合金。

 擠壓時(shí)，研究金屬流動(dòng)特點(diǎn)的主要問(wèn)題集中在研究變形在坯料中的分布。分析試驗(yàn)資料表明，金屬變形時(shí)的內(nèi)摩擦是影響變形區(qū)大小和形狀的主要因素。使用有效的玻璃潤(rùn)滑劑，可以使變形區(qū)集中在“模前區(qū)”，當(dāng)金屬的塑性一致時(shí)，金屬各點(diǎn)的流動(dòng)速度幾乎相等；而當(dāng)采用的玻璃潤(rùn)滑劑摩擦系數(shù)較大時(shí)，金屬的流動(dòng)則分為兩部分，中心部分的流動(dòng)速度較快，外層部分流速較慢；當(dāng)摩擦系數(shù)很大時(shí)，金屬的塑性變形不均勻。根據(jù)以上情況分析，擠壓時(shí)坯料金屬的流動(dòng)可以分為三個(gè)區(qū)：靠近?？诘摹澳Ｇ皡^(qū)”，這部分金屬向?？诹鲃?dòng)的速度很快；接近擠壓墊的“墊前區(qū)”，這部分金屬由于溫度較低，變形較小，金屬流向中部；接觸擠壓筒的“坯料外層區(qū)”，因?yàn)槟Σ亮^大，其中一部分金屬流向補(bǔ)充中心區(qū)，而另一部分金屬則流向后部區(qū)，并部分進(jìn)入擠壓余料。

 擠壓時(shí)，金屬變形流動(dòng)不均導(dǎo)致制品各點(diǎn)的變形量不一致，在制品徑向截面上離中心越遠(yuǎn)的點(diǎn)，變形量越小。摩擦系數(shù)越大，變形沿徑向分布的不均勻程度越大。不同的材料，在相同的潤(rùn)滑條件下，擠壓鋼管時(shí)，其變形區(qū)分布的大小取決于金屬變形抗力與摩擦力的比值。并且，隨著該比值的增加，不均勻變形減小。而最強(qiáng)烈的變形集中在擠壓模里，并可描繪成以擠壓模入口錐角線的交點(diǎn)為中心的半圓區(qū)內(nèi)（模前區(qū)），如圖3-9所示。并且擠壓高強(qiáng)度鎳合金管以及球墨鑄鐵時(shí)，所形成的金屬流動(dòng)圖像不變。

 隨著?？坠ぷ麇F角度的增大，變形區(qū)的高度增加。當(dāng)角度達(dá)到一定值時(shí)，分布在擠壓筒和擠壓模壁上被稱(chēng)為“死區(qū)”的金屬產(chǎn)生破裂，破口使管子表面出現(xiàn)縱向折疊和直線形的缺陷。而這種情況也取決于工藝潤(rùn)滑劑的使用效果。 不銹鋼管擠壓時(shí)，金屬流動(dòng)的連續(xù)性是極為重要的工藝指標(biāo)，而此需由合適的工藝潤(rùn)滑劑來(lái)提供保障。潤(rùn)滑薄膜的效果，同樣可以用坯料縱向或端部刻坐標(biāo)網(wǎng)格及顯微磨片的方法來(lái)判斷。圖3-10所示為1Cr18Ni10Ti 不銹鋼管縱向外表面層顯微結(jié)構(gòu)的磨片試樣。

 從圖3-10(a)可以看出，金屬流線纖維平行分布。說(shuō)明剪切變形被限制在潤(rùn)滑層內(nèi)，不分布在金屬的深處，璃潤(rùn)滑劑的效果良好。而圖3-10(b)所示為玻璃潤(rùn)滑劑薄膜的連續(xù)性遭到周期性的破壞。在接觸工具處金屬裸露，并粘在工具上，之后粘離的金屬又隨同不銹鋼管前行?？梢钥闯?，在鋼管的入口處少部分變形結(jié)構(gòu)呈波浪形纖維結(jié)構(gòu)。而鄰近的金屬繞過(guò)接觸處形成不均勻變形區(qū)，因此，在一定的條件下將引起不銹鋼管的表面缺陷。圖3-11顯示了擠壓鋼管時(shí)金屬流動(dòng)的順序，由圖3-11可以看出，坯料兩端刻有坐標(biāo)網(wǎng)格經(jīng)擠壓后，在接近擠壓模一端的全部坐標(biāo)網(wǎng)進(jìn)入管子的前端外表面上，并且坐標(biāo)網(wǎng)變得窄了。而管坯表面接近擠壓墊一端的部分在管子后端形成內(nèi)表面。而這一端帶坐標(biāo)網(wǎng)格表面的其余部分留在壓余內(nèi)。