挤压坯料的制备

第三章挤压坯料的制备本章内容：挤压常用材料挤压坯料的制备方法

冷挤压时，坏料成分、形状尺寸和坯料软化、表面及润滑处理规范的正确选择，将有利于金属的流动，并对挤压产品的质量及模具使用寿命的提高有极大的帮助。

第一节冷挤压常用材料

一、对冷挤压材料的要求1、冷挤压材料应具有一定的塑性。冷挤压时金属处于三向压应力状态，虽然此时金属的塑性得到提高，但由于附加应力的存在，在挤压低塑性金属时往往容易产生裂纹，造成产品报废。2、冷挤压材料的机械强度低，变形抗力小，所需的挤压力也越小，同时模腔中的单位挤压力也小，模具使用寿命较高。3、冷挤压材料的感化敏感性低，体现在材料的真空应力应变曲线上。材料塑性变形部分的曲线斜率越小，冷挤压力的升高就比较平衡，冷挤压性能就越好。

二、冷挤压常用材料随着冷挤压技术的发展，新型模具材料的采用，冷挤压材料从铅、锡等软金属发展到目前的材料种类越来越多，许多低塑性高强度的材料也可以在一定变形程度内进行挤压。表3-1冷挤压常用材料(续表)三、冷挤压常用材料的形态

1、线材

线材主要用于镦挤螺栓之类的标准件或火花塞壳体等大批量的小型挤压件。一般线材的直径为3-25mm，个别情况可达35mm。线材料表面进行特殊的表面及润滑处理，用于多工位自动冷镦机成形，材料利用率高，生产效率极高。螺栓火花塞壳体2、棒材

冷挤压坯料采用棒料较多，一般用于单工序的挤压设备。与线材相比其生产效率较低，如果需要多道挤压时，有时要进行中间退火。棒料的材料利用率也比较高，采用锯切备料可达70%-90%，采用压力机截切备料几乎可达100%。坯料长径比一般大于1，如小于1时，用压力机截料较为困难。当坯料还需镦粗制坯时，长径比过大会引起镦粗失稳，一般控制在2以下。钢的棒料分热轧圆棒与冷精拉圆棒。后者外径尺寸较准确。3、管料

管料为无缝钢管或热挤铝管、铜管等，可以作为空心件的正挤压或反抗压坯料使用。某些形状尺寸冷挤压件，采用管料作为冷挤压坯料比用实心棒料更加经济，同时挤压力也有较大的降低。

4、板料

当坯料的长径比较小时，或者在挤压有色金属零件外形为非圆形时，可以采用板料作为坯料，板料采用冲床落料。

第二节冷挤压坯料的制备

一、坯料的形状和尺寸冷挤压坯料的形状应该根据零件相应横断面的形状来确定。

(1)一般旋转体及轴对称多角类零件可以选用圆柱形坯料；

(2)矩形横截面零件可采用矩形坯料。

(3)有时在挤压塑性较好的有色金属板料时，为了提高材料利用率，可以采用六方或其它凹模内腔形状不一致的多边形坯料。

正挤压一般采用图3-1所示的四种坯料形状。其中图a、图b直接用原材料制成；图c、图d由原材料反挤制成。图a用于正挤实心件，其余三种用于正挤压空心件。反挤压一般采用图3-2所示两种坯料形式，均由原材料直接制成。图3-2反挤压坯料形状a)实心坯料b)空心坯料

有时在大批量挤压零件时，为了降低制坯成本，往往采用棒料经截切备料后，再用整形平板模在压力机上进行镦粗成鼓形坯料，见图3-3，作为正挤压实心件和反挤压实心件坯料使用。

由于金属流动的不均匀性，正挤压件杆部的端面、反挤压件杯壁的端面不可能是平面，一般均需放一定的机加工余量予以切除，因此计算坯料体积时还应加上修边余量，即V0=Vp+Vx式中，V0是坯料体积(mm3)；Vp是挤压件体积(mm3)；Vx是修边余量体积(mm3)，一般为挤压件体积的3%-5%。旋转体的修边余量Δh可查表3-2。挤压件体积的确定一般将冷挤压件形状分解成若干个简单的几何体，分别计算出这些几何体的体积，然后相加其和，即为挤压件的体积。

实心坯料外径尺寸的确定

坯料的尺寸由凹模型腔尺寸来确定。冷挤压时，为了能使坯料顺利地放入凹模型腔内，坯料的外径尺寸应满足下式要求：

d坯=d凹-(0.1～0.2)mm式中，d坯为坯料外径(mm)；d凹为凹模型腔内径(mm)。空心坯料内径尺寸的确定

在挤压空心零件时，空心零件坯料的内径尺寸由凸模芯棒直径来决定。当零件内径尺寸精度要求不高时：

d坯=d芯+(0.1～0.2)mm

当零件内径尺寸精度要求高时：d坯=d芯+(0.01～0.05)mm式中，d坯为坯料内径(mm)；d芯为凸模芯棒直径(mm)。坯料径向尺寸确定后，就可以计算出横断面积。坯料高度H0可由下式确定：H0=V0/A0式中，V0为坯料体积(mm3)，A0为坯料横断面积(mm2)。

例1计算毛坯尺寸例1计算毛坯尺寸例2计算毛坯尺寸

二、坯料制备方法坯料制备方法有截切下料、冲裁下料、切削下料、锯切下料等多种方法。1、棒料或管料的截切下料

在机械压力机上用专用的截切模对棒料或管料进行截切下料是应用得最为广泛的方法。截切模有全封闭式和半封闭式两种。2、板料冲裁下料

板料冲裁下料一般用于坯料长径比小的圆柱体坯料，或者非圆形有色金属扁平状坯料。该方法的主要优点是生产效率高，坯料尺寸精度高，端面平整。缺点是材料利用率，一般只有60%左右。对于黑色金属冷挤压件，用一般的正常间隙对坯料进行冲裁。对于有色金属的冷挤压件，特别是纯铝或纯铜的薄壁零件的冷挤压件，如果坯料的断面不光洁，挤压时会在挤压件表面上出现裂纹，因此一般用光洁冲裁法进行下料。3、棒料锯切下料锯切能切断横断面积较大的坯料，断面平整，尺寸精度较高，但锯切口处材料损耗较大。锯切如采用往复锯或圆盘锯下料，生产效率较低；如采用高速带锯下料，生产效率高，且坯料形状规则，是一种先进的锯切下料方法。目前，大直径的棒料均采用高速带锯下料。4、车床切削下料如坯料端面有特殊形状要求或细而长的坯料，可以采用车床下料。这种下料方法坯料尺寸精度较高，形状规则，但生产效率较低，而且材料利用率也不高。第三节坯料的软化处理、表面处理及润滑

一、坯料的软化处理为了改善冷挤压坯料的挤压性能和提高模具的使用寿命，大部分材料在挤压前和多道挤压工序之间必须进行软化处理，以降低材料的硬度，提高材料的塑性，得到良好的显微组织，消除内应力。对于钢来说，材料显微组织中的珠光体形态对挤压性能影响较大。从挤压性能来说，球化退火组织最佳。球化退火组织不仅硬度、强度低，而且塑性较高。除了考虑改善其挤压性能外，也要改善挤压后的机加工性、热处理质量及力学性能，故均应采用球化退火。

表3-4常用冷挤压金属材料的软化处理规范

二、坯料的表面处理冷挤压时，金属材料产生剧烈的塑性变形，单位挤压力很大。如果没有良好的润滑，坯料的微粒就会与模具型腔焊合而导致工件表面严重刮伤，使挤压力急剧增加，模具使用寿命大大下降，甚至碎裂。此外，润滑还能改善挤压时的不均匀流动，避免因为金属材料与模壁之间产生剧烈的摩擦而形成较大的附加拉应力。在很高的单位压力下，一般所涂刷的润滑剂会被完全挤掉，起不到润滑作用。因此，在冷挤压之前必须将坯料进行表面处理，以取得表面支承层，以便在后道的润滑处理时起到储存润滑剂的作用。(一)碳钢和合金钢坯料的表面处理

碳钢和合金钢坯料冷挤压前的表面处理为磷化处理。磷化处理又叫磷酸盐处理，也就是把钢坯料放在磷酸盐中进行处理。处理时金属表面发生溶解和腐蚀。由于化学反应的结果，在金属表面上形成一层很薄的磷酸盐覆盖层。根据磷化处理配方的不同，该薄层分别呈暗灰色、浅灰色和褐色。磷酸盐薄膜的硬度略高于铜与黄铜，而低于钢，其导热性很差，是不良导体。经磷化处理后，可减少坯料与模具间的接触摩擦，降低单位挤压力，提高冷挤压件的表面质量和模具使用寿命。1、磷化处理具有以下特点

(1)

磷酸盐薄膜由细小片状结晶组织构成，单个结晶之间存在着孔隙或小孔，比起较光滑的钢表面能吸收与储存更多的润滑剂，成为储存润滑剂的“仓库”。

(2)磷酸盐薄膜与钢表面结合牢固，且有一定的塑性，可以与基体金属一起伸长变形。

(3)在钢冷挤压时温度可高达300℃，而磷酸盐薄膜仍然具有与高粘度润滑剂相类似的性质。

(4)磷酸盐薄膜使变形金属与模具型腔隔离开来，避免了它们之间的直接接触。

(5)经磷酸盐处理的坯料浸入润滑剂时，其覆盖层还进一步与润滑剂发生化学反应。2、磷化处理的具体工艺

为了使磷酸盐溶液与坯料表面直接接触，在磷化处理前要进行酸洗去锈及化学去油，在磷化处理后还要进行中和处理。

(1)化学去油。(NaOH60-100g/L，Na2CO360-80g/L，Na3PO425-80g/L，水玻璃Na2SiO310-15g/L，处理温度≥85℃，处理时间15-25min)(2)流动冷水洗。

(3)酸洗。(H2SO4120-180g/L，NaCl8-10g/L，处理温度65-75℃，处理时间5-10min)(4)流动冷水洗。

(5)热水洗。为磷化处理预热。

(6)磷化处理。

(7)流动冷水洗。

(8)中和处理。3、磷化处理的配方

比较常用的一种配方：ZnO9g/L，H3PO423mg/L，水1L。温度为85-95℃，处理时间30-40min。(二)奥氏体不锈钢坯料的表面处理

奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)因与磷酸盐基本上不发生化学反应，所以不能用磷化处理，故用草酸盐处理代替。其配方如下：草酸(H2C2O4)50g，钼酸铵((NH4)2MoO4)30g，氯化钠(NaCl)25g，氟化氢钠(NaHF2)10g，亚硫酸钠(Na2SO3)3g，水(H2O)1L。处理温度为90℃，处理时间15-20min。处理后坯料用热水洗涤。草酸盐处理后的坯料表面呈绿黑色。为不使不锈钢坯料能与草酸盐溶液直接接触，坯料在草酸处理前应进行酸洗，配方(质量分数)为：盐酸(HCl)40%，硝酸(HNO3)40%，水(H2O)20%。酸洗时间约5min，然后用热水洗，洗净后进行草酸盐处理。(三)有色金属坯料的表面处理

硬铝坯料2A11(LY11)、2A12(LY12)塑性差，在挤压过程中，为了避免产生裂纹，应使硬铝坯料表面形成一层氧化膜或磷化膜。这是一层多孔、致密的结晶膜，呈灰黑色，可用氧化处理、磷化处理或氟硅化处理来获得。由于这层薄膜中可以充填大量的润滑剂，所以在冷挤压时能取得较好的润滑效果。1、氧化处理其工艺流程如下：

(1)汽油清洗，以去除油污。

(2)热水清洗(60-100℃)。

(3)流动冷水清洗。

(4)酸洗。(工业硝酸400-800g/L，2min)(5)冷水清洗2次。

(6)氧化处理(工业氢氧化钠NaOH40-60g/L，温度50-70℃，时间1-4min。以表面呈均匀细致的多孔灰黑色结晶膜为宜)。

(7)流动热水洗。2、磷化处理配方为：磷酸二氧锌(Zn(H2PO4)2)28g，磷酸(75%)，铬酸(H2CrO4)10g，十二烷基硫酸钠(湿润剂)0.5g，水1L。处理温度为55-60℃，处理时间2-3min。

纯铜、黄铜在挤压中为了获得较高的表面质量，往往进行钝化表面处理，以便在坯料表面形成一层钝化膜作为润滑剂的支承层。钝化处理工艺流程如下：

(1)汽油清洗，以去除油污。

(2)热水清洗(60-100℃)。

(3)冷水清洗(2次)。

(4)钝化

(5)冷水清洗。

(6)干燥钝化液配方为：铬酐200-250g/L，硫酸8-16g/L，硝酸30-50g/L。处理温度20℃，时间5-10s。

三、坯料的润滑处理(一)黑色