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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。2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；3(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：4(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。53．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6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。7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。8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；9(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10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。111213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