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挤压加热和润滑工艺
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20—50℃,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50~100℃),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650~850℃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1000~1300℃。
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.35~0.4),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)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Φ15~175毫米,最高加热温度可达1300~1250℃,玻璃成分见表10~8,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(50~60周/秒)、中频炉
(1000—10000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ρ、μ——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ρ和导磁率μ有关,而ρ·μ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,μ≈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10-10。
(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40~120公斤/毫米2)下进行,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。
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0.02~O.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1/3,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1/2,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10-17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20~80目70%、80~180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200~300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,α),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),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γ与比热c的乘积与导热系数λ的比值λ/γ·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,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800~900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2.5倍,挤压力增加50~55%,而粘度增加(由150增至830泊)5倍,挤压力只增加10%。
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700~12000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250~500泊。
(4)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5~10%。
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3~5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20~50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4~8%.
玻璃垫的制作过程如下:
玻璃粉+粘结剂(水玻璃、黄胶或水等)5~10%→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1.2~2.O公斤力/分米3或玻璃密度的50~70%,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涂敷在内表面。
斜台式涂敷粉装置,由振动筛在斜台上筛上一层玻璃粉,坯料在进入斜台前内孔先由撒粉勺加入玻璃粉,坯料进入斜台靠自重滚动,并使坯料表面粘上一层玻璃。
3.芯棒的润滑挤压钢管时,芯棒的工作条件十分恶劣,它处于坯料内孔中,受热的面积大而散热条件又极差,芯棒的表面温度可达800℃,另外挤压时的镦粗阶段,芯棒首先被模孔和挤压垫附近的金属包紧,随着坯料镦粗变形的增大,其他部分金属与芯棒间隙逐渐减小(图10-22,a),此时芯棒承受着径向和切向压缩应力,而模孔和挤压垫处的压应力最大。
当镦粗阶段结束,金属挤出模孔时与芯棒问的相对滑动所产生的摩擦力,使芯棒内产生轴向拉应力(图10-22,b)。
因此实际生产中在挤压垫附近的芯棒往往出现“缩颈”。
在这样的工作条件下,如果不对芯棒进行有效的润滑和冷却,即使采用耐热工具钢制的芯棒,它的使用寿命也是很低的。
在挤压高合金钢或耐热钢时,当挤压速度为60~150毫米/秒,芯棒表面涂敷玻璃润滑层的厚度:
对直径小于25毫米无内冷芯棒为1.2~1.5毫米;对于直径为25~35毫米内冷芯棒为O.8~1.2毫米;对于直径大于85毫米内冷芯棒为0.6~0.8毫米。
对于挤压碳素和低合金结构钢时玻璃层厚度可比以上厚度减小1/3~1/2。
芯棒润滑方法除了采用涂粉装置在坯料内孔加入玻璃粉外,还有以下几种方法:
(1)将玻璃布条绕在芯棒上,为防止玻璃带散开,可采用水玻璃或二硫化钼作粘结剂(图10-23,a)。
这对小直径芯棒能起到良好的隔热和润滑作用,但操作费时。
(2)用玻璃纤维织成的套缠在芯棒上(图10-23,b),这种方法操作简便,效果良好,但需专门的织套生产。
(3)将玻璃管套在芯棒上(图10-23,c),为防止玻璃管进入坯料因受急热而崩碎,应先将玻璃管缓慢预热接近其软化温度,然后套在芯棒上进入坯料内孔。
玻璃套管制作方便、润滑效果好,但操作要求高。
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