不銹鋼管擠壓時的金屬流動及變形力的確定

 研究擠壓時的金屬流動規(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)。不銹鋼管擠壓時的金屬流動與其擠壓時表面有無工藝潤滑劑或潤滑劑的好壞有著密切的關(guān)系。為了說明使用潤滑劑與不使用潤滑劑的擠壓條件的區(qū)別，采用以下試驗方法：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，把兩個相等的部分重疊起來，加以焊接并擠壓，擠壓后再重新分開。如果仔細地用合適的制品填塞細槽，在擠壓后就能發(fā)現(xiàn)細槽延長了，這樣就可以看出擠壓坯料變形過程的全貌。

 圖3-2(b)顯示了不銹鋼管擠壓時使用玻璃潤滑劑的結(jié)果?？梢钥闯?，當坯料向前推進時，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，才發(fā)生變形。坯料的整個表面形成了擠壓制品的表面。圖3-2(a)顯示了當無玻璃潤滑劑進行擠壓時，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。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的部分金屬成為“死區(qū)”。而“死區(qū)”的存在，將會導(dǎo)致無潤滑劑擠壓時操作上的許多復(fù)雜情況。

 分析帶玻璃潤滑劑擠壓棒材時坯料金屬的流動情況（圖3-3),可以看出，擠壓時，具有高溫潤滑性能的玻璃潤滑劑（玻璃墊）被坯料壓向擠壓模，并由于接觸高溫坯料而熔化；熔化的玻璃潤滑劑和被擠壓的坯料同時流向擠壓?？祝哪？字辛鞒?。于是隨著擠壓過程的進行，玻璃潤滑墊不斷地熔化，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，防止了模子的過熱和棒材的氧化。為了證明擠壓時金屬流動的這一特性，采用無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的情況。由圖3-4可以看到，在異型材全長的外表面上，仍然保留著原來鑄坯表面上的一層無偏析組織結(jié)構(gòu)。

 另外，在采用合適的和足夠的玻璃潤滑劑配合無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，顯示的金屬流動情況（圖3-5)證明，在擠壓過程中，坯料金屬的各個斷面相繼流過?？?，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。而無偏析坯料的外表面經(jīng)擠壓成條材后，形成了條材無偏析的外表面。

 圖3-6所示為無潤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?shù)臐櫥瑒D壓條材時，結(jié)晶組織很均勻。而條材全長上的力學性能是一致的，擠壓操作不會影響變形金屬的質(zhì)量。因為擠壓過程只在幾秒鐘時間內(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，不銹鋼管熱擠壓過程中的塑性變形，使金屬產(chǎn)生的流動可描述如下。當不銹鋼管擠壓過程開始時，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)層金屬流動超過外層，形成鋼管的內(nèi)表面。在變形金屬的穩(wěn)定流動過程中，管坯的側(cè)面轉(zhuǎn)為相應(yīng)的鋼管表面。當擠壓過程將近結(jié)束時，在留有一定壓余的情況下，變形金屬的流動狀況起了改變，金屬流動不僅沿著模子，而且還沿著擠壓墊，形成鋼管的內(nèi)表面?？梢?，坯料加工的原始表面的加工精度和端面加工精度對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主要方向上進行壓力變形只要在工其設(shè)計上預(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，研究金屬流動特點的主要問題集中在研究變形在坯料中的分布。分析試驗資料表明，金屬變形時的內(nèi)摩擦是影響變形區(qū)大小和形狀的主要因素。使用有效的玻璃潤滑劑，可以使變形區(qū)集中在“模前區(qū)”，當金屬的塑性一致時，金屬各點的流動速度幾乎相等；而當采用的玻璃潤滑劑摩擦系數(shù)較大時，金屬的流動則分為兩部分，中心部分的流動速度較快，外層部分流速較慢；當摩擦系數(shù)很大時，金屬的塑性變形不均勻。根據(jù)以上情況分析，擠壓時坯料金屬的流動可以分為三個區(qū)：靠近?？诘摹澳Ｇ皡^(qū)”，這部分金屬向?？诹鲃拥乃俣群芸?；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)”，因為摩擦力較大，其中一部分金屬流向補充中心區(qū)，而另一部分金屬則流向后部區(qū)，并部分進入擠壓余料。

 擠壓時，金屬變形流動不均導(dǎo)致制品各點的變形量不一致，在制品徑向截面上離中心越遠的點，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，在相同的潤滑條件下，擠壓鋼管時，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。并且擠壓高強度鎳合金管以及球墨鑄鐵時，所形成的金屬流動圖像不變。

 隨著?？坠ぷ麇F角度的增大，變形區(qū)的高度增加。當角度達到一定值時，分布在擠壓筒和擠壓模壁上被稱為“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滑劑的使用效果。 不銹鋼管擠壓時，金屬流動的連續(xù)性是極為重要的工藝指標，而此需由合適的工藝潤滑劑來提供保障。潤滑薄膜的效果，同樣可以用坯料縱向或端部刻坐標網(wǎng)格及顯微磨片的方法來判斷。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。說明剪切變形被限制在潤滑層內(nèi)，不分布在金屬的深處，璃潤滑劑的效果良好。而圖3-10(b)所示為玻璃潤滑劑薄膜的連續(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。可以看出，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顯示了擠壓鋼管時金屬流動的順序，由圖3-11可以看出，坯料兩端刻有坐標網(wǎng)格經(jīng)擠壓后，在接近擠壓模一端的全部坐標網(wǎng)進入管子的前端外表面上，并且坐標網(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。而這一端帶坐標網(wǎng)格表面的其余部分留在壓余內(nèi)。