（材料加工工程专业论文）低碳钢冷挤压中的磷化—皂化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文详细研究了低碳钢冷挤压成形的摩擦润滑机理，从理论上分析了磷化一 皂化膜的成膜机理、润滑机理以及影响成膜质量的各种因素。同时利用金相显 微镜、扫描电镜、电子探针以及x 射线衍射仪等试验手段对中温锌系磷化一皂化 膜的表面形貌、截面形貌、组织结构及成分进行了实测分析，主要发现： ( 1 ) 中温锌系磷化膜主要以磷酸锌( h 膜) 为主，并有少量磷酸锌铁( p 膜) 存在：磷化膜的表面有棒状和球状两种形貌存在；磷化膜截面是层状结构， 各层间间距略有不同；磷化膜层厚度约为2 0 p m 。 ( 2 ) 经过皂化后的磷化膜膜层分为磷酸锌、硬脂酸锌和硬脂酸钠三层。最 外层为硬脂酸钠，呈棉絮状结构，次外层为硬脂酸锌，最内层为磷酸锌。 ( 3 ) 变形后还有残留磷化一皂化膜的部位润滑效果良好。 ( 4 ) 变形中工件表面各部位磷化一皂化膜层的变形量不同。外侧表面的磷 化一皂化膜厚度变薄率从上而下先由4 , n 大，再到小：内侧表面的磷化一皂化膜 厚度变薄率从上而下逐渐变大。 ( 5 ) 变形中各部位材料的变形量不同。上部材料变形量较小，沿高度尺寸 向下，材料的变形量逐渐增大，达到工件的中部时( 凹模出口部位) ，材料的变 形量达到最大，随高度尺寸再往下时，材料的变形量又逐渐变小。 ( 6 ) 成形工件中部( 凹模出口部位) 摩擦较大，润滑效果不好，极易出现 划痕。 实验结果表明低碳钢冷挤压变形过程中采用的中温锌系磷化一皂化膜具有 很好的润滑效果。对实验结果分析得出冷挤压变形前后膜层厚度的变化规律以 及冷挤压中材料的流动规律，可以指导实际生产中采用合理的工艺磷化一皂化规 范，生成最佳的膜层厚度，提高生产效率和原料利用率。 关键词：低碳钢，冷挤压，磷化膜，皂化膜 a b s t r a c t 篁曼曼鲁詈皇詈詈鼍詈g 詈詈曼量皇量- e 量曼! 蔓曼e e 兰詈詈! 葛詈詈量日l e 毫暑皇詈詈詈量詈! 巴詈鼍詈詈晕詈詈s 量鼍皇! 穹 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ef r i c t i o nm e c h a n i s mo fs o f ts t e e lc o l de x t r u s i o np r o c e s si s i n v e s t i g a t e d i nd e t a i l t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fp h o s p h a t ec o a l i n ga n d s a p o n i f i c a t i o nc o a l i n g ，l u b r i c a t em e c h a n i s m ，t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so fc o a t i n g q u a l i t ya r ea n a l 7 z e dt h e o r e t i c a l l y z i n cp h o s p h a t ec o a t i n ga n ds a p o n i f i c a t i o nc o a l i n g a tm i d t e m p e r a t u r ea r er e s e a r c h e db ym e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，s e m ，e p m aa n d x r d i t ss u r f a c et o p o g r a p h y , c r o s s - s e c t i o nt o p o g r a p h y , s l r u c t u r ea n de l e m e n t c o n s t i t u e n t sa r eo b t a i n e d t h em a i nd i s c o v e r i e sa r e ： ( 1 ) t h ec o m p o n e n t so fz i n cp h o s p h a t ec o a t i n ga tm i d t e m p e r a t u r ea 聆m a i n l y z i n cp h o s p h a t e ( hf “h n ) ，h a sa c c o m p a n i e dw i t hal i t t l ez i n ci r o np h o s p h a t e ( pf i l m ) ； t h e r ea r ct w ok i n d so fs u r f a c et o p o g r a p h i e s 。i n c l u d i n gc l u b b e da n ds p h e r i c a l p a r t i c u l a t e t h es t r u c t u r eo fp h o s p h a t ec o a t i n gc r o s s - s e c t i o ni sl a y e rs l r 眦t u r ea n dt h e s p a c el e n g t hb e t w e e nl a y e r si ss l i g h t l yd i f f e r e n t t h et h i c k n e s so fp h o s p h a t ec o a l i n g i sa b o u t 2 0 l l m ( 2 ) p h o s p h a t e s a p o n i f i c a t i o nc o a t i n gc 姐b ed i v i d e di n t ot h r e el a y e r s ，i n c l u d i n g s o d i u ms t e a r a t e 、z i n cs t e a r a t ea n dz i n cp h o s p h a t e t h eo u t e rl a y e ri ss o d i m ns t e a r a t e 。 w h i c hp r e s e n t sas l r n c t u r eo ff l o c c u l e n c e t h es e q u e n c e sa r ez i n cs t e a r a t ea n dz i n c p h o s p h a t ei nt u r n ( 3 ) i th a sag o o dl u b r i c a t i o ne f f e c tw h e r ep h o s p h a t e - s a p o n i f i c a t i o nc o a l i n g r e m a i n sa f t e rc o l de x t r u s i o np r o c e s s ( 句t h et r a n s m u t a t i o ne x t e n to fp h o s p h a t e - s a p o n i f i c a t i o nc o a t i n gs u r f a c ei s d i f f e r e n ti nf o r m i n gp r o c e s s t h ea t t e n u a t i o nr a t eo fc o a t i n go u t e r9 1 f a c ec h a n g e s f r o ms m a l lt ob i g ，t h e na g a i nt os m a l la l o n gh e i g h td i r e c t i o n ，w h i l ei n n e rs m f a c e c h a n g e s 舶ms m a l lt ob i ga l o n gh e i g h td i r e c t i o n ( 5 ) t h et r a n s m u t a t i o ne x t e n ti nv a r i o u sp a r t si sd i f f e r e n ti nf o r m i n gp r o c e s s t h e u p s i d ea n db o t t o ma r er e l a t i v e l ys m a l l e r , t h em i d d l ep a r t ( t h ee x i to fc a v i t yd i e ) i st h e b i g g e s t t h et r a n s m u t a t i o ne x t e n tb e c o m e ss m a l lg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h eh e i g h t d i r e c t i o ng o i n gd o w n ( 6 ) t h ef r i c t i o no ft h em i d d l ep a r ti sb i g g e r , w h e r et h ee f f e c to fl u b r i c a t i o ni s b a d ，s oi tt e n d st oh a v es c u r f r a g i ti si n d i c a t e df r o mt h er e s e a r c hr e s u l t st h a ti tw o u l d o b t m ng o o dl u b r i c a t i o n e f f e c ti fu s i n gz i n cp h o s p h a t ec o a l i n ga tm i d t e m p e r a t u r ei n s o f ts m e lc o l de x t r u s i o n 山东大学硕士擘住论文 p r o c e s s b ya n a l y z i n gt h er e s u l t s ，w eg a i n e dt h ec h a n g i n gr u l eo fc o a t i n gt h i c k n e s s a n dm a t e r i a lf l o wr u l ei nc o l de x t r u s i o np r o c e s s w h i c hc a l lb ea p p l i e di np r a c t i c a l p r o d u c t i o ng u i d i n g t h e r e f o r ew ec a l lc h o o s er e a s o n a b l ep h o s p h a t e s a p o n i f i c a t i o n t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ，a c c o r d i n g l yt oc r e a t et h eo p t i m a lc o a t i n gt h i c k n e s s ，a n d e n h a n c em a n u f a c t u r ee f f i c i e n c ya n dm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o k e yw o r d s ：s o f ts t e e l ，c o l de x t r u s i o n , p h o s p h a t ec o a t i n g ，s a p o n i f i c a t i o nc o a t i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：塞堡童日期： 绍节 p 6 4 - 2 3 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：呈堡垒导师签名：莲垒鍪丛1 日 期：塑 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磷化一皂化工艺的发展简况 金属化学表面转化处理工艺现在已经为人们所熟悉。这类工艺可以改变金 属表面原有的性质而提供新的物理特性或物理化学性能。磷化处理工艺简单， 容易操作，成本低廉，用途广泛，被普遍应用于机械工业、汽车工业、航空工 业、造船工业、和日用品制造工业等方面。 磷化处理就是用含有磷酸、磷酸盐和其他化学药品的稀溶液处理金属，金 属表面在上述溶液中与磷酸、磷酸盐介质起化学反应，转变为完整的、具有中 等防腐蚀作用的不溶性磷酸盐层。这种磷酸盐层在金属塑性变形加工、减少金 属零件的摩擦阻力、防止金属零件擦伤磨损、提高金属零件使用寿命等方面也 作出重要贡献，给拔丝工业、拔管工业、冷挤压加工工业带来极大的经济效益， 也可以用作硅钢片的绝缘层，而且在防止金属腐蚀方面起重要作用。 磷化处理工艺应用于工业已经有近一百年的历史。在这漫长的历史里，磷 化处理技术积累了丰富的经验，有了重大的发展。例如，磷化处理时间从最初 的两个半小时缩短到几秒钟；磷化处理温度从原来的煮沸溶液处理降到室温处 理，磷化处理技术的应用范围从原来的金属防腐蚀发展到金属冷变形加工的各 个领域；磷化处理方法也从最早的铁盐磷化发展到用锌、锰、钙、锡、铅等磷 酸盐磷化的方法。总之，目前已经有了各种各样、能满足各种不同需要的磷化 处理技术。 磷化处理技术的发展大致可分为三个时期，即奠定磷化技术基础时期，磷 化技术迅速发展和广泛应用时期，磷化技术进一步发展和完善时期。 ， ( 1 ) 奠定磷化技术基础时期( 1 9 0 6 1 9 1 1 ) 磷化膜用作钢铁的防腐蚀保护膜，最早的可靠记载是英国c h a r l e sr o s s 于 1 8 6 9 年获得的专利( b p n o 3 1 1 9 ) 。这个专利提出的方法是把红热的钢铁投入 到磷酸中处理，使钢铁表面生成一层磷酸盐膜。现代磷化处理技术是由英国的 t h o m a s w a t t sc o s l e t t 发明的。他于1 9 0 6 年获得了专利( b p n o 8 6 6 7 ) ，该专 利使用的磷化液，每1 6 0 盎司( 1 盎司= 2 8 3 5 9 ) 中含有铁屑1 盎司，磷酸4 盎司。钢制零件在上述溶液中煮沸2 2 5 h ，即可获得磷酸盐保护膜。 1 第一章绪论 随后，磷化处理技术的发展着重于缩短处理时间，降低处理温度，改善磷 化膜的性能，扩大磷化膜的用途。1 9 0 8 年，c o s l e t 又获得用氧化剂作磷化后处 理以提高磷化膜抗腐蚀性能的专利( b p n o 1 56 2 8 ) 。1 9 0 9 年，b u l l o c k 和 c a l c o t t 首先提出以工件为阴极，通入电压为0 7 5 2 v 的电流加速磷化，缩短 磷化时间至半小时的方法( b p n o 1 63 0 0 ) ；同年，c o s l e t t 提出用磷酸与铁屑 反应制成浓磷化液，然后用这种浓磷化液配制和补充磷化工作槽液的方法 ( b p n o 2 27 4 3 ) ，这种利用浓磷化液的方法至今仍是一种普遍使用的方法。 在这个时期还有两个重要的进展，这就是1 9 0 9 年c o s l e t t 提出的把金属锌、 氧化锌或磷酸锌溶于磷酸中制成锌磷化液的方法( b p n o 2 81 3 1 ) 和1 9 1 1 年 r i c h a r d s 发明的锰盐磷化法( b p n o 1 75 6 3 ) 。r i c h a r d s 用的磷化液含有磷酸 ( 密度1 5 0 0 k g m 3 ) 0 5 加仑( 4 5 4 6 0 9 l ) ，二氧化锰3 镑( 1 3 6 0 8 k g ) ，水1 2 0 加仑( 5 4 5 5 3 l ) ，磷化处理时间为2 2 0 m i n 。 由此可见，从1 9 0 6 1 9 1 1 年期间就已经奠定了现代磷化处理技术的基础， 重点用于材料表面防腐保护。 ( 2 ) 磷化技术迅速发展和广泛应用时期( 1 9 1 7 1 9 3 7 ) 第一次世界大战期间，磷化处理技术的发展中心由英国转移至美国。1 9 1 7 年，c l a r k ew p a r e r 和w y n n ec p a r k e r 建立了p a r k e r 防锈公司研究开发专有 的磷化处理技术。该公司的w i l a l l e n 用结晶磷酸二氢锰配制磷化液，克服了 c o s l e t t 和r i c h a r d s 最初提出的磷化液很难保持平衡的缺点。这种工艺被称为 “p a r k e r z i n g ” 1 9 2 9 年发现少量的铜盐可使锌磷化处理时间由l h 缩短至l o m i n ( u s p n o 18 8 79 6 7 ，l8 8 81 8 9 ) 。这就是称为“b o n d e r i z i n g ”磷化工艺的 基础，这种工艺很快便被广泛应用。缩短磷化处理时间便有可能把金属制品挂 子输送带上输送通过磷化槽液作磷化处理，使操作完全机械化。 1 9 3 4 年磷化处理技术在工业上取得了革命性的进展，这就是采用把磷化液 喷射到工件上进行磷化的方法代替原来把工件浸于磷化液磷化的方法。这种方 法使磷化膜能在更短的时间( 6 0 s 9 0 s ) 内形成，而且磷化液的温度和浓度都 可以比浸液磷化工艺低。喷射到工件上的磷化液流回贮槽，然后再喷射到工件 上( b p n o 4 7 32 8 5 ) 。喷射磷化工艺使设备的尺寸和占地面积进一步减小。此 2 山东大学硕士学位论文 外，喷液磷化工艺还使大的工件，如冷冻机壳体和汽车车身磷化成为可能。 直到1 9 3 4 年，德国f r i t zs i n g e r 才提出的有关磷化处理用于金属冷变形 加工的专利( b p n o 4 5 50 7 7 ) 。磷化膜与各种润滑油或皂化工艺结合组成复合 润滑膜大大提高了冷变形加工的劳动生产率，打开了磷化膜在拔丝、拔管、冷 挤压等冷变形加工领域里应用的大门。经磷酸锌处理过的毛坯表面附有脂肪润 滑剂或钠皂薄膜，且这层薄膜不易脱落，挤压这种毛坯时，降低挤压力。这个 发现使人们找到了一种理想的钢毛坯表面处理法一磷化皂化法。磷化皂化处理 钢毛坯表面方法的出现使钢的挤压成为可能。1 9 3 4 年，德国人采用磷化皂化法 成功地冷挤出钢管。二次世界大战期间，德国人需要大量弹壳，当时黄铜又供 应不足，于是德国人秘密试验用冷挤压生产钢弹壳、后来，采用合金工具钢作 模具材料，用冷挤压成功地挤出大批量钢弹壳类零件。 1 9 3 7 年磷化又有新的发展，当时发明了一种称为n o n - c o a t i n gp h o s p h a t e p r o c e s s e s 的工艺( 现在称为无定形磷化工艺) 。这种工艺使用含有钾、钠、或 铵的磷酸盐溶液进行磷化( b p n o 5 1 70 4 9 ) ，在钢件上生成一种由磷酸铁和氧 化铁构成的无定形磷化膜。 ( 3 ) 磷化技术进一步发展和完善时期( 1 9 3 7 以后) 在这个时期磷化处理技术很少有突破性的进展，只是稳步的发展和完善。 二战以后，在美国和英国才迅速广泛应用磷化处理技术于金属冷变形加工。 在这个时期磷化技术的重要改进主要有：低温磷化；各种控制磷化膜膜重 的方法；连续钢带高速磷化处理工艺，这种工艺的磷化处理时问只需5 s 。 虽然在二战期间，德国已经研制出低温磷化液，但是可能由于采用的磷化 液浓度较高，水冷清洗比较困难等原因，没有得到广泛应用。到5 0 年代后期， 采用喷液方法，清洗和磷化都可以在5 0 进行了。6 0 年代初期便研制成在2 5 3 5 磷化和清洗的工艺( b p n o 9 8 39 2 4 ) ，但直到7 0 年代能源危机、燃料价 格上涨时才得到广泛应用。 在这个时期还可以看到各种控制膜重方法的发明，如多磷酸盐的应用 ( f r e n c hp a t e n tn o 11 3 82 0 8 ) 、有机酸的应用( b p n o 8 6 63 7 7 ，8 7 62 5 0 ) 以及混合锌钙磷化液的应用( b p n o 8 2 89 1 6 ) 。尤其重要的是胶体钛盐和磷酸 锰悬浮液的应用，对细化锌磷化膜和锰磷化膜有特别显著的作用a 第一章绪论 磷化技术在这个时期的改进还有：在磷化液中加入防止在磷化槽加热器表 面生成硬垢的添加剂( b p n o 14 0 87 0 2 ，i4 1 21 3 5 ) ，这种技术可以大大降 低设备维护费用；在磷化液中加入润滑剂、高分子材料等生成复合润滑磷化膜 的方法；其他磷酸盐的磷化方法等。我国磷化技术起步较晚，但经过近二十年的 发展，我们在磷化技术的复配、机理研究等方面也获得了很大的进步“。 1 2 磷化一皂化工艺的发展趋势 目前，随着社会的发展与进步，人们对磷化产品的要求也愈来愈高，即不但 希望它性能优良，更希望它能满足社会的环境要求、人们的健康要求及经济要 求所以，无毒环保、低成本，高性能就成为近些年磷化领域的主要研究方向。 l 低温低成本磷化：低温低成本磷化自磷化技术实现工业应用以来。人们一 直都在谋求降低其成本，除了调整配方，缩短磷化成分的药剂用量以外，降低磷 化温度、减少能耗也成为降低成本的重要手段。根据资料显示，磷化温度从7 0 降到5 0 一般可以节能5 0 以上，从5 5 降到3 0 则可节能3 0 以上，而常 温磷化处理则根本不需要热源。 2 环保无毒磷化：目前应用最广泛的磷化加速荆一亚硝酸盐，就是一种有 毒物质；还有磷化液中含有的一些镍、锰等重金属离子及磷化封闭处理液中的 铬盐都是比较厉害的污染源。 传统磷化一皂化存在生产周期长，需用设备多，占地面极大，有的废液对环 境有污染等弊病o 。迥” 1 3 本课题的研究意义及研究内容 在低碳钢冷挤压过程中，往往要施加很高的变形力，制件的变形率比较大， 因此对制件表面的润滑要求比较高，一般需要对制件表面进行一定的化学处理， 以形成良好的润滑层，减少摩擦，提高生产效率。目前实际生产中应用的主要 是磷化一皂化处理。经过磷化一皂化在制件坯料表面产生一层致密而牢固的膜， 在冷挤压过程中保证制件表面与模具的成形表面不发生黏接现象。 虽然磷化一皂化技术在塑性加工过程中已经得到广泛的应用，但是对于润滑 4 山东大学项士学住论文 机理、膜层的微观结构以及影响润滑性能因素的研究远远不够，不能够从理论 层面上来精确的解释其润滑机理及影响润滑效果的因素，因此深入研究磷化一皂 化在冷挤压中的作用机理、磷化一皂化膜层微观结构以及影响润滑性能因素的研 究，对改善冷挤压中磷化一皂化工艺规范，提高润滑性能，指导生产实践有十分 重要的意义。 根据目前的现状提出本课题研究的内容： ( 1 ) 在理论上详细研究冷挤压特殊工况下的摩擦特点，对低碳钢冷挤压变 形中材料受力分析和摩擦机理等几个方面的理论进行阐述；并对磷化一皂化的反 应机理、影响成膜的因素进行探讨与阐述； ( 2 ) 利用金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针和x 射线衍射仪等仪器 对磷化一皂化膜的微观结构、成分等进行深入研究，得出中温锌系磷化膜主要以 磷酸锌( h 膜) 为主，并有少量磷酸锌铁( p 膜) 存在；在磷化膜表面有棒状和 球状两种形貌，磷化膜厚度约为2 0i lm ；磷化膜经过皂化后膜层分为磷酸锌、硬 脂酸锌和硬脂酸钠三层；最外层为硬脂酸钠，呈棉絮状结构，其次为硬脂酸锌， 最里层为磷酸锌和磷酸锌铁； ( 3 ) 通过比较分析冷挤压变形前后磷化皂化膜厚度的变化，得出冷挤压 变形中工件表面各部位膜层厚度变化的规律，并以此得出冷挤压过程中材料的流 动规律，为实际生产应用提供理论依据。 第二幸低碳钢冷挤压加工的基本原理 第二章低碳钢冷挤压加工的基本原理 冷挤压加工具有“高产、优质、低消耗”的优点，在技术上和经济上都有 很高的实用价值。目前，已在机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等 工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性成形技术中不可缺少的重要 加工手段之一。 2 1 冷挤压工艺实质 冷挤压是一种少无切削压力加工新工艺。它是根据金属塑性成形原理，将 冷态的金属毛坯放入模具模腔内，在压力机强大的压力和一定的速度作用下， 迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定机械性能的挤 压件。显然，冷挤压加工靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成 形零件泌划。 2 2 冷挤压工艺的基本方法 根据冷挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，常用的冷挤压方 法可以分为以下几种。 1 正挤压 金属的流动方向与凸模的运动方向一致的挤压方法，称为正挤压( 图2 一1 ) 。 正挤压可以分为实心件正挤压( 图2 - i a ) 和空心件正挤压( 图2 1 b ) 。挤压件的断 面形状可以有圆形、扇形、椭圆形、矩形或棱柱形，也可以是不对称的等断面 挤压件或型材。 2 反挤压 金属的流动方向与凸模的运动方向相反的挤压方法，称为反挤压( 图2 - 2 ) 。 反挤压适用于制造断面是圆形、方形、长方形、多层圆形、多格盒形的空心件 以及各种断面形状的杯形件，例如万向节轴承套和仪器罩壳等。 3 复合挤压 挤压时，一部分金属坯料的流动方向与凸模的运动方向相同，而另一部分 6 口lq i 窜豳 ，i j lq i目1 窜窜卓 图2 4 减径挤压图2 - 5 径向挤压 5 径向挤压。挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直( 图2 - - 5 ) 。 径向挤压又分为离心和向心径向挤压法；该方法主要用于制造十字轴类挤压件， 7 岛 第二章低碳钢冷挤压加工的基本原理 也可以制造花键轴的齿形部分以及直齿和螺旋齿小模数齿轮的齿形部分 6 镦挤法。冷镦与冷挤压相结合的一种加工方法汹“1 。 2 3 冷挤压工艺的优缺点 冷挤压加工具有如下优点。 1 采用冷挤压加工可以降低原材料消耗。如用切削法加工金属零件，材料 的利用率一般为4 0 6 0 ，而用冷挤压法加工材料利用率可以达到7 0 阶9 0 。 2 采用冷挤压加工可以提高生产率。冷挤压是在压力机上进行的，压力机 每一次行程就可以完成一道工序，因此与切削加工比较，冷挤压可以大幅度提 高生产率，生产成本也随之降低。 3 采用冷挤压加工可以提高零件的力学性能。挤压过程中，金属坯料处于 三向压应力状态，挤压后金属坯料的晶粒组织更加细小而密实；同时，由于冷 挤压加工过程中金属坯料经过冷加工后会产生加工硬化，使冷挤压零件的强度 大为提高，从而可以用低强度钢代替高强度钢。此外，冷挤压还可以通过强大 的压力来熨平坯料表面，从而获得具有较高尺寸精度和较低表面粗糙度的冷挤 压件。 4 冷挤压工件表面质量好冷挤压加工时由于坯料的温度低，坯料表面一 般不产生氧化皮，所以工件的表面质量良好。 5 可以降低零件的制造成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产 率、减少零件的切削加工量，可用较差的材料代替优质材料的优点，从而使零 件成本大大降低； 6 可加工形状复杂的零件。难以切削加工的零件，如异型截面、复杂的内 腔、内齿等。 但是冷挤压加工也具有如下缺点。 i 变形抗力高。冷挤压时，被挤压材料的变形抗力较高。例如钢的冷挤压 的变形抗力可达1 9 6 0 m p a 以上。这样的超高压要求模具材料具有很好的耐磨性 能、较高的结构强度，对模具的加工制造提出了更高的要求。 2 模具的使用寿命短。由于冷挤压模具承受着极大的单位压力，模具易被 g 山东大学硕士学住论文 挤裂，因此与冲压模具相比，冷挤压模具的寿命较短。 3 对坯料的要求较高。冷挤压加工对坯料的要求要比其他塑性成形工艺都 高。它不仅要求坯料具有精确的几何形状和较高的尺寸精度，还要求在冷挤压 前对坯料进行严格的软化退火处理。 4 由于冷挤压时，单位接触压力很大，坯料流动时与模具的摩擦力也很大， 所以在进行冷挤压时要采取强有力的润滑措施。 5 需大吨位压力机。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千 吨的压力机溉4 “。 2 4 冷挤压变形过程及受力分析 冷挤压的变形过程，大体上可分为充满阶段、开始挤压阶段、稳定挤压阶 段和终了挤压阶段。 冷挤压变形时，变形区内任一点的应力状态和应变状态，皆可用主应力简 图和主应变简图来表示。对于正、反挤压应力与应变状态在整个变形区的不同 区域中，应力和应变状态的顺序是不同的，但是共同的特点是冷挤压变形区的 基本应力状态皆为三向压应力。 穗区直铲 正挤压 变形区主应力图变形区主应变图 图2 - 6 正挤压时变形区主应力和主应变图 舷区冉冉 反挤压 变形区主应力图 变形区主应变图 图2 - 7 反挤压时变形区主应力和主应变图 挤压力是挤压加工中最重要的参数之一，它决定了挤压过程的能量消耗， 9 第二章低碳铜冷挤压加工的基本原理 是确定挤压机的吨位，进行挤压模具及工具的设计和制造，确定挤压速度及挤 压温度的重要因素之一。 在金属由挤压筒挤出的全过程中，挤压力是变化的。其基本变化特征如图 2 8 的挤压力f 与挤压行程s 的f - s 曲线所示。在制定挤压工艺时，稳定挤压阶 段的挤压力是最重要的一个工艺参数。 图2 - 8 正挤压时的压力一行程曲线 2 5 冷挤压力的计算 冷挤压中总挤压力的计算，可采用一般锻压工艺中计算变形力的通式，即： f = c p a ( 2 - 1 ) 式中严挤压力，烈； 。口- 平均单位挤压力，也称单位挤压力，m p a ； 凸模与坯料直接接触表面在水平面上的投影面积，衄2 ； 萨安全系数，考虑到挤压件的材质变化、软化、表面润滑处理的质量等 意外因素的影响，一般取c 1 1 3 。 由上式可知，计算冷挤压力f 的关键是如何确定冷挤压的平均单位挤压力 西应该指出，在正挤压和反挤压中，作用在凸模与凹模上的单位挤压力p 的最 大值是不同的，如图2 - 9 所示。 i o 山东大学硕士擎住论文 器戮 a ) 正挤压b ) 反挤压 图2 - 9 作用在模具上的压力状态 正挤压时，作用在凸模上的单位挤压力： p t ：三 ( 2 2 ) 2 石 昭- z 作用在凹模上的单位挤压力： 儿：上 ( 2 3 ) p 2 百百 皑。” 式中a o ，a l 一挤压前坯料与挤压后的截面积。 很显然，p 。 p ，即作用在凹模上的单位挤压力大于作用在凸模上的单位 挤压力。此时，作用在凹模上的单位挤压力最大。 反挤压时，作用在凸模上的单位挤压力： p ：旦 ( 2 4 ) r 2 i 2 4 作用在凹模上的单位挤压力： 以；旦 ( 2 5 ) p 45 百 、 心呻 很显然，p 。 p t ，即作用在凹模上的单位挤压力小于作用在凸模上的单位 挤压力。此时，作用在凸模上的单位挤压力最大口“1 。 2 6 影响挤压力的因素 影响挤压力的因素很多，主要有以下几个方面。 1 金属的化学成分对挤压力有很大的影响。钢含碳、铬量的多少对挤压力 的影响较大。而且碳的影响远比铬大得多。铬的影响只相当于碳的1 2 左右。 即变形程度较大时，对中碳钢以上的钢材进行冷挤压比较困难。 第二章低碳钢冷挤压加工的基本原理 2 被挤压坯料的力学性能是决定单位挤压力的基本因素、它对单位挤压力 的影响也很大。强度极限口。和屈服极限口，高的材料，其单位挤压力较大。金属 坯料经过软化热处理后，其强度指标和硬度都能够显著下降，从而降低变形抗 力。因此，在冷挤压前，要对变形抗力较大的坯料进行软化热处理。 3 金属坯料的冷作硬化敏感性对挤压力也有影响。金属坯料的冷作硬化敏 感性越大，在挤压时需要的变形力就越大。各种材料的冷作硬化敏感性是不同 的，随着变形程度增加，挤压力显著提高。 4 挤压方式的影响。因为复合挤压时金属流动所受的约束要少，所以复合 挤压时的总挤压力比单纯反挤压或单纯正挤压时所需的总挤压力要小或相等。 复合挤压时单位挤压力的大小与单纯正挤压或反挤压时单位挤压力的关系，取 决与正，反两个方向的挤压比。 5 模具几何形状对单位挤压力也有很大的影响。模具几何形状是指模具工 作部分的几何形状。合理的模具几何形状便于金属流动，可以改善摩擦状况， 减少金属流动阻力，可以在很大程度上减小金属的变形抗力。现就正、反挤压 两种情况分别讨论。 正挤压时，在成形零件形状允许的情况下，正挤压凹模一般都做成锥形。 锥形凹模的锥角。对单位挤压力的影响很大。一般说来，随着a 减小，金属流 动阻力减少。但是随着锥角d 的减小，被挤压坯料在凹模锥角处所经过的距离 加长，真实接触面积增大而导致摩擦阻力增加。因此，当。减小到某一临界值 后，a 再减小，单位挤压力就会增加。必须指出，挤压变形程度会影响单位挤 压力与凹模锥角的关系。当变形程度增大时，对应于最小挤压力的凹模锥角就 会增大。由图2 - 1 0 可得出变形程度越大，凹模锥角对变形力的影响也越大。空 心件正挤时得出的试验结果表明，当凹模锥角q 在6 0 。附近时，挤压力最小。 但当a 较小时，挤压余料会增加，这会增加后续机械加工工序的工时及增加材 料消耗。目前在设计正挤压凹模锥角a 时，其锥角范围一般为6 0 。1 2 6 4 ，常 用的d 为9 0 。和1 2 0 。凹模锥角设计也可能超出这个范围，a 甚至设计至1 8 0 。，即平底凹模。但d = 1 8 0 。时，会形成较大的金属死区，此时挤压力最大。 所以只适用于变形抗力不大的金属材料挤压。 反挤压时，不同形状的凸模对单位挤压力的影响见图2 1 l 。由图可知，平 1 2 山东大学硕士学位论文 底凸模的单位挤压力最大，球形凸模的单位挤压力最小。但随着变形程度的增 加( 大于6 0 ) ，球形凸模的单位挤压力便急剧上升。因此，球形凸模仅适用于 浅孔反挤压。锥形凸模的单位挤压力比平底凸模小，且加工制造比球形凸模容 易，当变形程度超过7 0 时，锥形凸模比球形凸模的单位挤压力还小，但锥形 凸模容易造成制品壁厚不均。因此，在生产实际中常用带平底的锥形凸模。 图2 - 1 1 反挤凸模形状对单位挤压力的影响( 1 0 钢) 6 坯料相对高度对单位挤压力的影响可以用修正系数表示，见图2 一1 2 和 图2 1 3 所示。图2 - 1 2 表示1 5 钢、坯料直径为巾2 5 4 m m ，正挤压时坯料相对高 度仇国对单位挤压力的影响。所用正挤凹模的凹模锥角口= 1 2 0 。修正系 数 扣旦( 2 6 ) p o 式中p 一坯料相对高度h j d 在某一定值时的实际单位挤压力。 西一坯料相对高度为i 时的单位挤压力。 1 3 第二章低碳钢冷挤压加工的基本原理 由图可见，在正挤压时，随着坯料相对高度h j d o 的增加，单位挤压力也随 之增加。图2 一1 3 给出了反挤压时坯料相对高度对单位挤压力的影响( 所用凸模 为平底凸模) 。由图可见，当坯料相对高度儡 1 0 以后，随着坯料相对高度增加， 单位挤压力就不再增加“”。 图2 1 2 坯料相对高度对正挤压时单位图2 - 1 3 坯料相对高度对反挤压时单位 挤压力修正系数的影响挤压力修正系数的影响 ( i s 钢，磷化一皂化) ( 1 5 钢，磷化一皂化) 2 7 冷挤压中的冷作硬化、热效应 2 7 1 冷作硬化 金属材料在低于静态回复、静态再结晶温度以下进行冷挤压变形时，随着 变形程度的增加，所有的强度指标( 弹性极限，比例极限、流动极限及强度极 限) 以及硬度不断地提高，塑性指标( 延伸率、断面收缩率及冲击韧性) 相应 的降低，这种现象称为冷作硬化。 冷挤压可以利用“冷作硬化”来强化金属的，这是冷挤压加工越来越得到 广泛应用的原因之一。冷作硬化与合金化、热处理一样，都是提高金属性质的 重要手段，特别是对那些采用热处理方法无法使其强化的无相交的金属材料， 冷作硬化就成了唯一的强化手段。 冷作硬化可用位错理论来解释：冷挤压n t 时，金属的变形主要是以滑移 的形式进行的，而滑移又都是通过位错运动进行的。一切阻碍位错移动的因素 都会使滑移阻力增加，从而使金属晶体的变形抗力增大。位错运动形成的位错 塞积和位错割阶，均会引起变形抗力的增加，即金属晶体在塑性变形过程中会 1 4 山东大学硕士学住论文 发生加工硬化现象。 2 7 2 热效应 在冷挤压变形过程中，消耗于塑性变形功的一部分能量变成了热能，当变 形速度较大时，特别是在高速挤压的情况下，热量来不及散失，被挤坯料的温 度就会升高，从而使强度降低，塑性升高。这种现象称为热效应。 须注意的是，加工硬化现象中，实验结果表明，面心立方金属加工硬化曲 线比较典型，出现三个阶段，具备三个特征( 如图2 - 1 4 ) 所示。在晶体变形的 第1 阶段，位错在平行的滑移面内移动，表现出轻微的硬化，即硬化系数口：宰 口占 较小，这是由于位错应力场的相互作用引起的。当滑移在几个滑移系统同时进 行时，单晶体变形进入第阶段，这时晶体的加工硬化系数很大。在第阶段 的特征是，加工硬化速率降低，曲线呈抛物线型，变形温度和层错能对第i 阶 段有影响。c o t t r e l l 和s t o k e 发现，加工硬化第m 阶段有加工软化现象观察 第阶段内部组织变化的特征是，出现了滑移带随着变形量的增加，滑移都 集中于滑移带内，在滑移带之间不再出现新的滑移痕迹，而在滑移带内可以看 到交滑移。 多晶体因为有晶界等的约束，塑性变形一开始就出现第1 i 阶段的硬化，不 久就进入第阶段“删 t 图2 1 4 面心立方金属单晶体加工硬化的三个阶段 2 8 冷挤压对金属组织和机械性能的影响 2 8 1 对金属组织的影响 ( 1 ) 显微组织的变化。冷挤压时，在巨大的三向压应力作用下，金属晶粒被压 碎，原来晶粒较大的金属，冷挤压后变为晶粒较小的金属，冷挤压的变形程度 1 5 第二章低碳钢冷挤压加工的基本原理 愈大，晶粒形状的改变也愈大。 在冷挤压变形的金属中，存在削弱金属强度的夹杂物时，由于冷挤压加工 是属于“二压一拉”的主应变状态，因此，夹杂物顺着拉伸的方向被拉长，金 属晶粒也被拉长形成纤维组织。随着变形程度的增加，纤维组织越细越长，它 在降低金属强度方面的作用就越小，从而使金属强度相应提高。 ( 2 ) 产生内应力。经冷挤压成形的零件，放置一段时间后，可能会自动发 生变形，这是由于零件内部存在着内应力而造成的。内应力可分为三种类型： 乱宏观内应力。由被挤坯料各部分之间的变形不均匀而引起的；b 微观内应力。 由于各晶粒取向不一致，产生了不均匀变形引起的；c 晶格畸变。冷挤压变形 使原子在晶格中偏离其平衡位置而引起的。 ( 3 ) 亚结构细化。在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致， 而是存在着许多尺寸很小、位向差也很小的晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称 为亚结构。经过冷挤压等冷塑性变形以后，亚结构将细化。亚结构的边界是晶 格畸变区，堆积有大量的位错。因此，亚结构细化可以强化金属。 。 2 8 2 对机械性畿的影响 ( 1 ) 机械性能出现方向性。冷挤压时，金属朝着一定方向流动。因此，冷 挤后挤压件的机械性能出现了方向性；与流线方向相垂直和平行的方向上的强 度是不相同的。 ( 2 ) 硬度分布不一致。冷挤压时，因各部分的变形程度不同，使各部分的 硬化程度有较大的差异，这些差异可以用各处的硬度分布来表示。 ( 3 ) 机械性能的变化。材料的强度极限、屈服极限以及硬度都随变形程度 的增加而发生变化瞄兕明。 山东大学项士学位论文 第三章低碳钢冷挤压加工中的摩擦与润滑 在挤压加工工艺中，摩擦不仅对金属的流动和总挤压力有很大的影响，而 且还对挤压制品的质量起着决定性的作用。因此，必须深入研究挤压过程中的 摩擦问题。只有对挤压时的金属流动规律、摩擦力分布情况、金属挤压时的摩 擦系数、摩擦规律及其影响因素以及摩擦在挤压过程中的有益作用等进行深入 的了解，才能正确地制定挤压工艺和选择合适的润滑剂。 3 1 冷挤压过程中的表面接触 3 1 1 表面形貌 著名的学者鲍登( b o w d e nf p ) 和泰伯( t a b o rd ) 在摩擦学入门一 书中写道：。如果我们不知道两个表面放在一起时的接触情况，我们将永远也弄 不清摩擦时怎么产生的。为了弄清这一点，我们必须研究摩擦表面的形状和轮 廓”。材料表面经过轧制等工序，肉眼感觉表面平整，但实际上微观组织却凸凹 不平。由于所有固体的表面都是租糙的和波纹状的，当它们相互接触时，并不 是沿整个名义面积接触，只是在一个个小面积上发生接触，也就是说，表面问 的接触时不连续的。考虑到这种情况，接触面积可分为名义的、轮廓的和实际 ( 真实) 的三种。 图3 - 1 两表面间接触的空间示意图 图中：a ，一名义接触面积； 。真实接触面积； 广轮廓接触面积； a ，b _ - 接触面的长、宽度。 ( 1 ) 名义( 几何) 接触面积凡是指在其接触面外边界范围内的面积，即 1 7 第三章低碳钢冷挤压加工中的摩擦与润滑 a 。= a b ； ( 2 ) 轮廓接触面积a 。是波纹形不平度受压后形成的那些斑点的面积，如图 3 1 中虚线范围内面积的总和。凡的大小与表面所承受的载荷有关； ( 3 ) 实际( 真实) 接触的那些点就分布在这些斑点范围内。实际( 真实) 接触面积a ，是指真正接触的许多小块( 点) 的总面积，如图3 一l 中虚线圈内有 黑点表示的各接触点面积的总和，亦即4 = 孰( 缇，其中 ，为际接触面积的点 h 数。 在通常的接触情况下，当两个固体表面接触时，由于表面凹凸不平，真实 接触面