挤压加热和润滑工艺

1、第一节 挤压坯料的加热一、对挤压坯料的加热要求1应保证得到工艺规定的加热温度，因为温度发生波动将破坏设备负荷的均衡和润滑效果，影响产品质量；2加热温度必需均匀，以便减轻不均匀变形，这一点对挤压异型管材尤为重要；3尽可能减少或防止氧化，因坯料表面氧化铁皮存在，将明显降低润滑效果，加快工模具磨损和降低产品表面质量； 4尽可能减少加热时间，提高生产能力。二、加热制度1加热温度 坯料的加热温度应根据热变形温度确定，考虑到坯料由加热炉到挤压机或穿孔机)输送过程中的温降，加热温度应比挤压温度(或穿孔温度)高2050，但需防止产生过热现象。不同钢种晶里粒长大的临界温度见。表10-6。 挤压温度可根据坯料材质

2、的一般热加工温度范围选取，但考虑到由于挤压变形量大而且整个变形过程仅在几秒钟内完成，这将因大量的变形热而使挤压出口处金属温度升高(通常温升约50100)，因此挤压温度选取时应比一般热加工温度低。另一方面在确定挤压温度时，还需考虑制品的机械性能要求和挤压机的能力。各种钢种的挤压温度见表10-7。 2加热制度 挤压坯料加热制度通常分两步进行，第一步慢速预热，普通碳钢预热至650，不锈钢预热至850；第二步快速加热至加热温度。预热和加热可存同一个炉内完成(图10-5，a)，也可在两个炉内分别完成(图10-5，b)。采用此加热制度的优点是： (1)有利于减少坯料表面氧化，铁的氧化过程与温度有关，在低温

3、下氧化缓慢，而在高温下铁的氧化速度很快，但可通过加快加热速度、缩短加热时间来减少表面氧化。若预热后的坯料移入高温无氧化加热炉(如玻璃浴炉、盐浴炉和保护气体加热炉等)，则可实现无氧化加热； (2)有利于提高坯料加热质量，防止加热缺陷的产生。在低温下钢的导热系数小，这对高合金钢尤为明显，而且低温下钢的塑性差，因此在650850以下采用低速加热可减少坯料内部的温差应力，防止产生加热裂纹。在高温下塑性均得到了改善，没有造成加热裂纹的危险，故应采用较大的加热速度，以提高炉子生产能力。 三、坯料加热设备 为了保证挤压坯料的加热质量和提高加热炉的生产能力，挤压车间通常采用预热和加热分开的双炉加热制度，常见的

4、预热炉型式有箱式电炉，斜底连续式加热炉和环形加热炉等几种，这些炉子结构上无特殊要求，仅加热温度较低。由于环形炉的机械化、自动化水平较高，加热温度均匀、氧化少和适应性强的优点，因此现代挤压车间均采用环形炉预热。 挤压车间采用高温加热炉的型式有以下几种： 1盐浴炉 常以氯化钡为加热介质、加热温度可达10001300。盐浴炉的优点是： 1)加热速度快、加热温度均匀； 2)无氧化，同时还能溶解坯料表面原有的氧化铁皮； 8)出炉后坯料表面粘着一层盐膜，可以防止坯料在输送过程中氧化； 它的缺点是： 1)热效率低(O.350.4)，氯化钡消耗大，操作和维修费用大，加热成本高，这一点限制了它的应用范围； 2)

5、加热时氯化钡蒸发，车间环境受到污染； 3)如果坯料在盐浴中待留时间过长，坯料表面产生斑痕。 2连续式玻璃浴炉 图10-6是玻璃浴炉结构型式之一种，炉底有斜底预热段和玻璃浴池组成。采用煤气加热，燃烧废气通过预热段对坯料进行预热。预热后的坯料进入玻璃浴池并由推钢机移送进行连续加热。玻璃浴炉可以加热碳钢、低合金钢和不锈钢等，坯料直径为15175毫米，最高加热温度可达13001250，玻璃成分见表108，部分坯料的加热时间见表10-9。玻璃浴炉的优点是： (1)炉子结构简单，造价和加热费用较低。 (2)坯料加热质量较好，加热温度均匀。 (3)熔融状态的玻璃不仅起到保护作用，而且具有热酸洗能力，可将坯料

6、表面的氧化物溶解掉，因此加热后坯料表面无氧化铁皮存在。 玻璃浴炉的缺点是： (1)由于加热过程中坯料表面氧化铁皮被溶解、玻璃液中的FeO含量增加和某些成分的挥发，玻璃熔液的粘度增加结果不仅使粘着在坯料表面的玻璃增加，熔液消耗增加，而且影响挤压时的润滑效果，加热后必须设法去掉粘着在坯料表面上的玻璃； (2)加热温度控制较困难，机械化自动化水平低。 3感应加热炉 (1)感应加热炉型式：感应加热炉的型式有卧式(图10-7)和立式(图10-8)两种。卧式可以进行连续加热，具有较高的生产能力，但由于炉内滑道存在，造成加热温度不均，一般用于小直径坯料的加热。立式是单根进行加热，当在炉子结构和电气控制上采取

7、适当措施，可使加热温度均匀。另外从采用加热电流的频率又可分为工频炉(5060周秒)、中频炉(100010000周秒)和高频炉(10000周秒以上)三种。加热不同直径的坯料推荐按表10-10选取频率。但由于工频感应加热炉可省去变频设备，坯料尺寸范围的适应性较宽，故挤压车间采用得较多。 (2)感应加热的原理：加热时，把坯料置于感应圈内(图10-9)，坯料在交变磁场作用下，内部产生涡电流使坯料加热。由于集肤效应使坯料内产生的最大电流集中在坯料的表面，频率愈高此现象愈严重。其最大电流在坏料表面的深度 可用下式计算 式中、坯料材质的电阻率和导磁率；f感应圈中通电频率。由于最大电流集中在层内，中部加热依靠

8、表面热量向内传导，当电流频率f一定时，层的厚薄与电阻率和导磁率有关，而随温度是变化的，当坯料温度超过磁性转变温度(即居里点)时，1，电阻力也增高，层增大。因此感应加热开始时，通电功率不宜取大，加热速度不能太快，以免产生加热缺陷；而当变超过磁性转变温度后，通电功率可加大，以缩短加热时间。另外由于感应圈磁场端部效应，即线圈两端磁力线扩散，磁场强度减弱，造成坯料的轴向温差，因此必须采用补偿电容或感应圈分段控制，其电气原理见图1010。(3)感应加热的优缺点感应加热炉的优点：(i)加热速度快，减少了氧化铁皮，另外可以方便地通入惰性气体，实无氧化加热；(ii)可以方便、灵活地改变加热温度，很快适应挤压产

9、品的调换； (iii)停炉时热损失少，只影响几根坯料； (iv)占地面积小，易实现机械化自动化加热。 缺点是： (i)设备复杂、造价高。为了改善电网功率因素需要大量补偿电容器； (ii)坯料加热温度沿径向和轴向不均。图10-11是在600kW立式工频感应加热炉实测加热温度曲线，由于炉底密封不佳造成轴向温差达105；(iii)需要高灵敏度、可靠性好的测温仪表，否则容易引起过热、过烧缺陷； (iv)需要配有与挤压筒直径规格相同数目的感应圈，以提高炉子的热效率。第二节 钢热挤压用润滑剂 一、钢热挤压时对润滑剂的要求 钢的热挤压是在高温(1200左右)、高压(挤压筒内的比达40120公斤毫米2)下进行

10、，采用合适的润滑剂对挤压来说有着特别重要的意义。它不仅影响到能量和工模具的消耗，影响到产品的质量，而且是能否实现挤压变形的先决条件，因此世界各国对挤压润滑剂进行大量的研制工作。对挤压润滑剂的要求是： (1)导热系数小，润滑剂存在于坯料与工具接触面间形成一层绝热层，以减少坯料表面温降和工模具的温升； (2)在挤压条件下，润滑剂本身具有合适的机械阻力，即润滑剂能在整个挤压过程中存在于金属与工模具之间，并具有小的摩擦系数； (3)润滑剂与热坯表面具有一定的结合能力，便于涂敷，但又能方便的从产品表面去除； (4)润滑剂对坯料及工模具无化学作用，不引起产品组织缺陷； (5)润滑剂对人体无害，且资源丰富。

11、 二、润滑剂的种类 1石墨润滑剂 钢的热挤压通常使用石墨和玻璃两种润滑剂。在玻璃润滑剂应用之前，主要使用石墨润滑，即使在目前大量采用玻璃润滑剂的情况下，仍有些工厂使用石墨润滑。石墨润滑剂为片状石墨与机油、焦油或油脂等混和成的涂料，能比较容易地涂敷在工具和坯料的表面上。由于片状石墨剪切强度和硬度较低，石墨片的滚动和撕裂能吸附气体形成润滑膜，因而能产生良好的润滑作用。当坯料表面具有氧化铁皮的情况下，其润滑效果较玻璃润滑剂好。但石墨润滑剂的缺点是： (1)导热系数较大，隔热差、工模具温升大(图10-12)，磨损快，挤压长产品困难。 (2)容易引起产品增碳，当挤压不锈钢时容易产生晶间腐蚀，故挤压后必须

12、去除渗碳层，结果增加了金属消耗。 (3)往往会使环境污染。 2玻璃润滑剂与石墨润滑剂比较 玻璃润滑剂与石墨相比，其优点是： (1)玻璃的导热系数小，能防止坯料表面过快冷却，造成产品缺陷，同时也能起到保护工模具作用；(2)具有良好的润滑性能(摩擦系数约0.02O.05)，可采用大的挤压比(最大可达200)和提高挤压速度(挤压模出口速度可达20米秒)，从而可扩大挤压机生产的产品范围； (3)玻璃润滑剂化学稳定性好，不会引起产品组织缺陷； (4)可以方便地改变玻璃润滑剂的配比，获得不同的物理性能(如软化点、粘度等)，以适应挤压不同材质的产品需要； (5)玻璃润滑剂对车间无污染作用； (6)挤压型材和

13、管材时，可得到产品断面上比较清晰的棱角。 其缺点是： (1)玻璃润滑剂的成本较高； (2)挤压产品表面玻璃膜去除较困难； (3)对坯料的表面质量要求高，热坯表面不允许有氧化铁皮，否则润滑效果明显变坏； (4)玻璃粉末的沉积，使挤压机滑动部件磨损加快。 总之，玻璃润滑剂优点显著，被广泛采用，而石墨润滑剂只在特殊情况下采用。 3挤压用其他润滑剂 (1)软金属润滑，挤压某些难变形或易氧化产生污染的材料(如钛、锆、铍、铀、钽及其他合金)时，采用一般挤压润滑剂，将产生表面缺陷和引起污染，若采用软金属如铅、铜、镍和低碳钢等包套或喷镀在被挤压材料的表面(图10-13)，这些软金属包套或喷镀层能够吸收挤压时金

14、属与工模具间切向力，起到润滑效果，同时还可防止挤压金属在加热时氧化。 (2)矿物油、沥青和食盐的混合润滑剂，其配比各占13，使用时涂敷在工具上。这种润滑剂发烟多、减摩性差，适用于小型挤压机和穿孔时的润滑。 (3)石墨、亚麻子和锯末混合润滑剂，其中石墨占12，亚麻子和锯末适量，这种润滑剂遇热后爆炸，形成一股气流，可减小坯料与工模具间的摩擦。 (4)二硫化钼(或二硫化钨)、石墨混合润滑剂。石墨占80以上，润滑效果较好，产品表面质量光洁，但价格昂贵，且有表面增硫的危险，同时二硫化钼遇热后产生有害的SO2气体影响人身健康。 (5)石墨、云母、钙、铝粉和二硫化钼混合润滑剂，用在小变形量进行挤压时，润滑效

15、果较好，其成分配比如下： (i)鳞状石墨35、云母5、钙60； (ii)二硫化钼25、云母5、钙70； (iii)鳞状石墨25、二硫化钼15、铝粉55、云母5。 三、玻璃润滑剂 1玻璃性质 玻璃是一种流体，其没有明显液态转变温度，在常温下其粘度无限大，故类似于固体，性质硬而脆，且导热系数小。当玻璃受热后温度升高，粘度逐渐降低，当玻璃软化到容易产生变形而不破坏时的温度称为软化点。当玻璃温度超过软化点后，随着温度升高逐渐变成粘胶体，粘度降低流动性增加。玻璃的粘度除了随温度变化外，还与其化学成分有关，表10-11表1017为各种玻璃润滑剂的化学成分与粘度。 玻璃润滑剂在常温做成各种形状，如玻璃板、玻

16、璃棉、玻璃布以及玻璃粉等，由于玻璃粉便宜，并能压制成戌不同的形状，故目前主要采用玻璃粉。为了提高润滑效果，应根据使用场合选用不同粒度的玻璃将，如供模子润滑的玻璃垫采用2080目70、80180目30的混合玻璃粉；坯料内外表面(即挤压筒与芯棒)润滑，采用200300目细粒度玻璃粉。2玻璃润滑剂润滑机理 当将一厚度的玻璃垫置于挤压模与热坯料之间(图10-14，)，玻璃垫受热后内部热平衡曲线如图10-15，与坯料接触的那部分玻璃吸收坯料的热量一方面使其温度升高，另一方面向内层传导，但由于玻璃的导热系数小，热量向内传导的热阻大，因而接触表面的玻璃温度迅速上升至接近坯料温度，而首先软化成粘胶体(润滑液膜

17、)，在相当大的挤压压力作用下，玻璃粘胶体粘着在金属表面，并被金属带动流出模孔，从而改变了金属与模子接触面间的摩擦条件(此时可视作液体摩擦状态)，使摩擦系数明显下降。由于玻璃被金属带出，玻璃垫与金属接触面不断更新、软化，以同样方式流出模孔，而使挤出的产品表面粘着一层薄薄的玻璃膜(图10-14，b)。 为了使玻璃垫能在挤压过程中的高压下起到有效的润滑作用，重要的是在挤压温度下玻璃应具有一定的散热性和合适的粘度。玻璃的散热性可用玻璃的比重与比热c的乘积与导热系数的比值c表示，要求作为润滑剂的玻璃具有一定的散热性，以传导热量来不断加热和软化下面的玻璃层，使润滑过程持续进行。实际证明各种不同的玻璃润滑剂

18、的散热性相近似，因此玻璃涧滑剂在挤压温度下，与坯料接触表面软化后的粘度对润滑效果起着决定性的作用，要求玻璃的软化点不允许低到接触钢坯后粘度过小，使之在挤压开始就全部流失。但软化点又不应过高，以保证在高挤压速度下有足够的玻璃相继软化成具有合适的粘度。从理论上可计算出在一定挤压条件下，所需玻璃润滑剂的最适宜的粘度，但是在实际生产中，-由于坯料加热温度的波动、模具温度以及操作时间的变化等原因，要得到正确的挤压温度是困难的，因此要求作为挤压润滑剂的玻璃粘度，在挤压温度范围内比较稳定，以增加对温度波动的适应能力，提高润滑效果。据此，对于图10-16所示的两种玻璃A、B的粘度曲线，虽然均处于预期的粘度范围

19、，但是选A玻璃作为润滑剂较好。 3工艺参数的变化对润滑的影响 (1)挤压速度的影响：挤压速度的大小决定着金属与玻璃垫接触时间(一般接触时间为0.015一O.025秒)，挤压速度愈高，接触时间愈短，这将影响到玻璃垫表面层玻璃的软化过程和热传导，因此要求玻璃的粘度相应减小。试验表明，当玻璃滑润剂粘度小于830泊时，挤压速度提高，产品表面质量改善；当粘度在1240泊时，中速挤压表面质量变坏，高速挤压时挤不出来。挤压速度高时，玻璃粘度采用800900泊为好。 (2)挤压比的影响：挤压比对挤压力的影响较大，如当挤压比增加25倍，挤压力增加5055，而粘度增加(由150增至830泊)5倍，挤压力只增加10

20、。由于挤压比增加挤压筒内的比压增加，玻璃润滑剂的粘度应相应增加。通过挤压试验证明在玻璃粘度为830泊的条件下挤压钢管时，当挤压比低于23时，钢管的内外表面质量随挤压比的增加而得到改善，但当挤压比超过23时表面质量下降。 (3)挤压材质高温强度的影响：应根据挤压材质的高温强度来选择具有合适粘度范围的玻璃润滑剂，如0Cr18Ni9Ti在挤压速度和挤压比变化范围较大对，合适的粘度范围为70012000泊；0Cr23Ni28Mo3Ti的高温强度比0Cr18Ni9Ti大1.5倍，合适的粘度范围可增加到1400泊；10号钢的高温强度比0Crl8Ni9Ti小1.5倍，合适的粘度可小到250500泊。 (4)

21、加热温度的影响：坯料加热温度愈高，玻璃垫与坯料接触表面的温度愈高，玻璃软化后的粘度愈小，因此为了保证挤压时玻璃润滑剂具有合适的粘度，对不同加热温度的坯料采用不同软化点的玻璃，如高温挤压采用高软化点的玻璃润滑剂。 (5)坯料准备质量对润滑的影响：坯料表面质量对润滑效果和成品表面质量有很大影响，坯料表面和端面光洁度应不小于4级，表面质量好的坯料挤压力可减小510。另外坯料端部的形状(与玻璃垫接触端)应采用圆弧倒角，以避免端部锐棱冷却过快，压碎玻璃垫，或使玻璃垫软化不佳影响润滑过程的顺利进行。 四、挤压时的润滑方法 挤压钢管时必须进行润滑的部位有挤压模、挤压筒和芯棒三个部位(图10-17)。 1模子

22、的润滑 模子润滑常用将玻璃粉压制成玻璃垫的方法(图10-17)，即在挤压前把玻璃垫置于模子与坯料之间，为了保证玻璃垫能连续软化在摩擦表面上，要求玻璃垫在镦粗和挤压时不被压碎，因此玻璃垫的形状应与模孔入口锥和坯料端部形状相吻合。玻璃垫外径D1应保证放入顺利，一般比挤压筒直径小35毫米。玻璃垫内孔直径d小于或等于模孔直径。玻璃垫厚度h1，应保证挤压时整根产品表面覆盖一层2050微米的玻璃膜，和放置后位置稳定根据经验玻璃垫厚度一般取坯料长度的48. 玻璃垫的制作过程如下：玻璃粉+粘结剂(水玻璃、黄胶或水等)510搅拌称量 在压力机上压制成型烘干存放。玻璃垫的密度约为1.22.O公斤力分米3或玻璃密度

23、的5070，玻璃垫的密度太小容易破碎。 2挤压筒的润滑 为了使挤压筒得到良好的润滑，玻璃润滑剂应均匀地覆盖在坯料表面，并在与低温的挤压筒接触时不致变硬(处于粘胶状态)。否则将增加挤压筒内表面的摩擦力，以使钢不能挤压，同时对挤压筒内衬寿命和挤压机的基础均有严重影响。因此应选用软化点低、粒度小的玻璃粉，一般认为粘度为250泊的玻璃较合适。挤压筒润滑方法通常采用以下两种： (1)将玻璃布缠包绕在坯料表面上(图10-19)：根据坯料尺寸和玻璃布缠的层数将玻璃布裁剪成条，平铺在操作台架上，需要时可在玻璃布上再撒上玻璃粉。加热后的坯料从玻璃布上滚过去，以便将玻璃布缠包在坯料表面。 (2)将玻璃粉涂在坯料表面上：坯料涂粉装置有回转式(图10-20)和斜台式(图10-21)两种。此两种装置均可同时进行坯料内外表面玻璃粉的涂敷。回转式涂粉过程是由夹持装置夹住坯料，通过传动装置带动坯料转动，此时由玻璃粉振动箱撒出玻璃粉进行外表面涂敷。内表面涂敷由盛有玻璃粉的撒粉勺，通过夹持装置进入坯料内孔，然后将撒粉勺转动180。将玻璃粉撒入内表面，并通过坯料转动使玻璃粉均匀的