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第三篇金属塑性成形工艺及控制第10章金属挤压及拉拔工艺（塑性部分9节）郑州大学2010年3月3日10.3金属挤压工艺10.3.1管棒型材挤压工艺概述用挤压法生产管棒型材的工艺流程，如图10.41所示。在挤压生产过程中，基本工艺参数的选择对产品的质量有着质量重要的影响，为了获得高质量的产品，必须正确地选择工艺参数。所谓基本工艺参数包括制品设计和锭坯尺寸、挤压温度和速度、润滑条件等。图10.41挤压法生产管棒型材的工艺流程示意10.3.2锭坯尺寸的选择1.锭坯尺寸选择的原则锭坯尺寸选择的原则具体包括以下几点：(1)锭坯质量。对锭坯质量的要求，根据合金、制品的技术要求和生产的工艺而定。(2)变形程度。根据合金塑性图确定适当变形量，一般为保证挤压制品断面组织和性能均匀，应使挤压时的变形程度大于80%，可取90%以上。(计算公式)(3)挤压压余。在挤压定尺和倍尺产品时，应考虑压余的大小及切头尾所需的金属量。(4)设备能力。在确定铸锭尺寸时，必须考虑设备的能力和挤压工具的强度。(5)填充系数。为保证操作顺利进行，在挤压筒与铸锭之间，空心锭坯的内径与穿孔针之间都应留有一定的间隙。在确定这一间隙时，应考虑锭坯热膨胀的影响。△外为挤压筒内径与锭坯外径间的间隙；△内为锭坯（空心的）内径与穿孔针外径间的间隙，根据经验可按表10-2选取。（计算公式）表10-2△外与△内之值合金种类挤压机类型△外/mm△内/mm铝及其合金卧式立式6~102~34~83~4重有色金属卧式立式5~101~21~5稀有金属卧式立式2~41~23~51~1.52.挤压比λ的选择挤压比为制品横断面积与坯料横断面积的比。选择挤压比λ时应考虑合金塑性、产品性能以及设备能力等因素。实际生产中主要考虑挤压工具的强度和挤压机允许的最大压力。为了获得均匀和较高的力学性能，应尽量选用大的挤压比进行挤压，一般要求：一次挤压的棒、型材λ＞10锻造用毛坯λ＞5二次挤压用毛坯λ可不限一般轻金属挤压比λ值的范围为8~60，纯金属与软合金允许的值较大，硬金属较小。挤压型材时λ=10~45，挤压棒材时λ=10~25。为保证焊缝质量，使用组合模挤压时λ≥25。重金属挤压比λ一般在4~90范围内选取，对组织与性能有一定要求的挤压制品，挤压比一般不低于4~6。（变形程度=？）3.锭坯长度的确定按挤压制品所要求的长度来确定锭坯的长度时，可用下式计算：(10-1)式中，L0—锭坯长度；D0—锭坯直径；Dt—挤压筒直径；Kt—填充系数，，一般取为1.05~1.1；Lz—制品长度；LQ—切头、切尾长度；hy—压余厚度。10.3.3挤压温度与速度的选择1.挤压温度的选择确定挤压温度的原则是：在所选择的温度范围内，保证金属具有最好的塑性及较低的变形抗力，同时要保证制品获得均匀良好的组织性能等。挤压与轧制相比，由于挤压变形热效应大，所以一般来说挤压温度要比热轧的温度低些。合理的挤压温度范围，应该是根据“三图”定温的原则：(1)合金的状态图。它能够初步给出加热温度范围，挤压上限低于固相线的温度T0，为了防止铸锭加热时过热和过烧，通常热加工温度上限取（0.85~0.90）T0，而下限对单相合金（0.65~0.70）T0。(2)金属与合金的塑性图。塑性图是金属和合金的塑性在高温下随变形状态以及加载方式而变化的综合曲线图，这些曲线可以是冲击韧性αK、断面收缩率ψ、延伸率δ、扭转角θ以及镦粗出现第一个裂纹时的压缩率等。(3)第二类再结晶图。挤压制品的温度，对制品组织与性能影响很大，参照第二类再结晶图，可以控制制品的晶粒度。挤压终了温度太高会发生聚集再结晶,温度过低金属引起加工硬化和能耗大。总之，“三图”定温是确定热加工温度的主要理论依据，同时还要考虑挤压加工的特点，如挤压的金属与合金、挤压方法、热效应等。常用钢种、轻金属及重金属挤压温度控制范围列于表10-3。表10-3常用金属挤压温度控制范围牌号挤压温度/℃牌号挤压温度/℃牌号挤压温度/℃碳素钢低合金钢滚珠轴承钢铬不锈钢铬镍不锈钢纯铝防锈铝锻铝硬铝超硬铝1200±1001200±701125±251175±251180±30320~480320~480370~520380~450380~450镁合金紫铜(棒)紫铜(管)H96-H80H68H62HPb59-1HSn70-1HSn62-1300~350750~830800~880790~870700~770600~710600~650650~750650~750HAl77-2QAl10-3-1.5QA19-2,QA19-4QSn6.5-0.1B30镍及其合金铅及其合金锌锌合金720~820750~800750~850650~700900~10001000~1200200~250250~350200~3202.挤压速度和金属流出速度的选择挤压时的速度一般可分为三种表示方法：①挤压速度V挤，所谓挤压速度系指挤压机主柱塞运行速度，也就是挤压杆与垫片前进的速度；②流出速度V流，是指金属流出模孔的速度；③变形速度，是指最大主变形与变形时间之比，也称应变速度。一般在工厂中大多采用流出速度，因为它对不同的金属或合金都有一定的数值范围，该值取决于金属或合金的塑性。确定金属流出速度应考虑以下几点：①金属塑性变形区温度范围愈宽，则挤压金属流出速度也愈大；②复杂断面比简单断面的金属流出速度要低，挤压大断面型材的流出速度应低于小断面的；③挤压时润滑条件好，则可提高挤压速度；④当其他条件相同时，纯金属的流出速度可高于合金的，而快速冷硬的合金应更慢些，高温的金属与合金，可用很高的流出速度，例如合金钢、钛合金等；⑤对同一种合金，当挤压温度愈高，则金属流出速度应愈低；⑥挤压管材时金属流出速度应比挤压同样断面棒材时取小些。总之，确定金属流出速度时应对各种因素进行综合分析，不可死套以上原则。表10-4是常见金属挤压流出模孔的速度范围。表10-4常见金属挤压流出模孔的速度金属牌号流出模孔速度/m·min-1金属牌号流出模孔速度/m·min-1纯铝防锈铝锻铝硬铝超硬铝镁合金紫铜H62、H6840~25025~1003~901~3.51~20.5~518~30012~60HSn70-1HA177-2QSn6.5-0.1B30镍及其合金铅及其合金锌锌合金2.4~6.02.4~6.01.8~9.018~7.218~2206.0~602.0~232.0~1210.3.4挤压润滑1)挤压润滑的目的为使挤压时金属流动均匀，提高制品表面质量，延长挤压工具的使用寿命和降低挤压力，减少能量消耗，在挤压时应对挤压筒、挤压模、穿孔针进行润滑。但是，为了防止和减小挤压缩孔的形成，挤压时对挤压垫片不能进行润滑。挤压润滑的另一目的是防止粘性较大的金属粘结挤压工具，以提高制品质量。如挤压铝合金管材时，对穿孔针就应该进行润滑，否则管材内表面质量就无法保证。2)挤压铝合金的润滑挤压铝合金用的润滑剂有以下几类：①70%~80%72号汽缸油+30%~20%粉状石墨；②60~70%250号苯甲基硅油+40%~30%粉状石墨；③65%汽缸油+15%硬脂酸铅+10%石墨+10%滑石粉；④65%汽缸油+10%硬脂酸铅+10%石墨+15%二硫化钼。一般对铝合金挤压时，为了防止把锭坯表层的油污、氧化物带进制品内部或表面，保证制品质量，一般不使用润滑剂，有时在模子上涂上极少一点润滑剂。3)铜合金及其他重金属的润滑重金属大多用45号机油加20%~30%片状石墨作润滑剂；而青铜、白铜挤压时，用45号机油30%~40%的片状石墨。在冬季为增加润滑剂的流动性，往往加入5%~9%煤油，在夏季则加适量的松香，可使石墨质点处于悬浮状态。铜及铜合金在挤压时都要进行润滑，在模子和穿孔针上薄薄地涂上一层，挤压筒在挤压后也用蘸有上述润滑剂的布简单擦一下。4)钢、镍、钛等合金的润滑钢、镍、钛等合金目前大多采用玻璃润滑剂，这种润滑剂在挤压时能起到润滑与绝热作用。玻璃润滑剂的使用方法有涂层法、滚玻璃粉法以及玻璃布包锭法等，以润滑挤压筒与锭坯的接触面。在制品表面去除玻璃润滑剂的方法，一般采用喷砂法、急冷法及化学法等。对低碳钢的冷挤压，广泛采用磷化-皂化处理润滑方法。磷化处理：是将经过表面洁净处理的钢放入磷酸锰铁或磷酸二氢锌的水溶液中，通过磷酸与铁相互作用，生成不溶于水的、牢固地粘附在钢表面的磷酸盐膜层的过程，膜层厚度约为十几微米，主要成分为磷酸铁或磷酸锌，呈多孔状，对其他润滑剂具有很强的吸附作用。由于磷化膜层本身摩擦系数并不很低，为提高润滑效果，通常磷化后再进行皂化处理。皂化是利用硬脂酸钠或肥皂作润滑剂，与磷化层中的磷酸锌反应生成硬脂酸锌，俗称锌肥皂或金属肥皂的过程。典型的磷化-皂化处理工艺包括除油-酸洗-磷化-中和-皂化-干燥等工序。10.5拉拔理论及工艺10.5.1拉拔的基本理论1.拉拔工艺概述1)拉拔的分类在拉力的作用下，使金属坯料通过模孔，从而获得相应形状和尺寸制品的塑性加工方法称之为拉拔，如图10.42所示。拉拔是金属管材、棒材、型材及线材的主要加工方法之一。图10.42拉拔工艺示意按拉拔时金属的温度分，在再结晶温度以下的拉拔是冷拔，在再结晶温度以上的拉拔是热拔，在高于室温低于再结晶温度的拉拔是温拔。冷拔是金属丝、线生产中应用最普遍的拉拔方式。热拔主要用于高熔点金属如钨、钼等金属丝的拉拔。温拔主要用于难变形的合金如高速钢丝、轴承钢丝的拉拔。按拉拔制品的断面形状，可将拉拔分为实心材拉拔和空心材拉拔。实心材拉拔主要包括棒材、型材及线材的拉拔。空心材拉拔主要用于圆管和异型管材的拉拔。按拉拔过程中金属同时通过的模子数分，只通过一个模子的拉拔是单道次拉拔，依次连续通过若干(2~25)个模子的拉拔是多道次连续拉拔。2)拉拔的特点与其他塑性加工方法相比较，拉拔工艺法有以下特点：(1)拉拔制品尺寸精确、表面质量高。由于拉拔一般在冷状态下进行，与热轧材相比，拉拔制品有较高的尺寸精度和表面光洁度。(2)拉拔制品力学性能高。在拉拔过程中，会产生加工硬化，从而使材料的强度提高。(3)拉拔生产的工具和设备简单，维修方便。在一台拉拔设备上只需要更换模具即可生产多种规格和品种的制品。拉拔方法也很适合用于连续高速生产断面尺寸很小而长度很长的制品，生产效率高。(4)道次变形量和两次退火间的总变形量受到限制。拉拔时的变形量一般较小，这使得拉拔道次一般较多。2.拉拔的变形指数与拉拔实现条件1)拉拔时的变形指数拉拔时坯料发生塑性变形，其形状和尺寸发生改变。以Fq和Lq表示拉拔前金属坯料的断面积及长度，Fh和Lh表示拉拔后金属制品的断面积和长度，根据体积不变的条件可得到以下的变形指数和它们之间的关系式。（1）延伸系数λ。表示拉拔后金属材料长度与拉拔前金属材料长度之比，也等于拉拔前后横断面的面积之比，即：(10-2)（2）断面减缩率ψ。表示拉拔后金属材料横断面积减小量与初始面积之比，即：(10-3)2)实现拉拔过程的基本条件拉拔过程是借助于在被加工的坯料前端施以拉力实现的，变形区的受力特点为二向压缩一向拉伸状态，如果拉应力过大，超过材料出模口的屈服强度，则可引起制品出现细径，甚至拉断，因此必须满足以下基本条件：(10-4)式中，σl——作用在被拉金属出模口横断面上的拉拔应力；Pl——拉拔力；Fl——被拉金属出模口横断面积；σs——金属出模口后的变形抗力；在拉拔过程中，因为变形抗力随变形的大小发生变化，确定起来比较困难，另外金属拉拔时产生加工硬化，变形抗力与抗拉强度σb相近，故式(10-4)也可以表示为σlσb。为定量表示被拉金属出模口的抗拉强度与拉拔应力之间的关系，引入安全系数K：(10-5)因此，实现拉拔过程的基本条件是安全系数K大于1。拉拔时的安全系数与被拉拔金属的直径、状态（退火或硬化）以及变形条件（温度、速度、反拉力等）有关。K值一般在1.4~2.0之间。有色金属拉拔时的安全系数见表10-5。对钢材来说，主要考虑断头问题，一般安全系数K1.1~1.25。表10-5有色金属拉拔时的安全系数拉拔制品的品种与规格厚壁管材、型材及棒材薄壁管材和型材不同直径的线材/mm