擠壓不銹鋼管坯料的加熱工藝及溫度的確定

 眾所周知不銹鋼管擠壓過程中，坯料的加熱有以下兩種工藝情況：1. 穿孔前，實心坯料與預(yù)鉆孔的空心坯料的加熱； 2. 擠壓前，穿孔或鉆孔空心坯料的加熱與再加熱。經(jīng)以上兩種工藝加熱后的實心坯料和空心坯料，在穿（擴(kuò)）孔和擠壓時都必須滿足坯料金屬變形溫度均勻分布的要求。因為在穿（擴(kuò)）孔和擠壓的工藝過程中，任何坯料金屬變形溫度的不均勻，都會引起金屬變形抗力不均勻，從而導(dǎo)致其變形分布的不均勻，最終導(dǎo)致擠壓制品缺陷的產(chǎn)生。擠壓不銹鋼管坯料加熱方式的選擇取決于產(chǎn)品的品種。而不同的坯料（空心坯或?qū)嵭呐鳎┑募訜?，都必須適應(yīng)其不同變形特點(diǎn)和由此提出的不同的工藝要求。擠壓坯料變形前加熱的一個共同要求是坯料表面的無氧化。

 不銹鋼管坯料無氧化加熱的方法很多，如鹽浴爐加熱、玻璃浴爐加熱、無氧化表面涂層加熱、保護(hù)氣氛下加熱等。經(jīng)過長期的從實際可操作性和經(jīng)濟(jì)性兩個方面考量后，目前普遍采用的是：低溫?zé)o氧化預(yù)熱和感應(yīng)爐快速加熱的兩步法無氧化加熱工藝。這一工藝特別適用于不銹鋼管和高合金鋼管的坯料加熱。因為，從可操作性和經(jīng)濟(jì)性兩個方面來考慮，不銹鋼和高合金鋼坯料的高成本及其產(chǎn)品的高附加值，使采用感應(yīng)爐加熱的高運(yùn)行成本的影響不甚明顯，尤其是對于各類不銹鋼管及高鎳合金管，快速加熱后，在坯料的表面上形成的氧化膜并不嚴(yán)重，擠壓時無需清除。

 對于碳素鋼和低合金鋼坯料，采用環(huán)形煤氣爐進(jìn)行微氧化加熱后，再以高壓水除鱗的工藝是“工藝上簡單，經(jīng)濟(jì)上合理”的加熱工藝。曾經(jīng)有統(tǒng)計顯示，采用煤氣不完全燃燒形成的微氧化氣氛保護(hù)加熱爐加熱時，其運(yùn)行費(fèi)用有一些降低，但投資費(fèi)用增加20%~25%.采用感應(yīng)加熱爐加熱時，雖然可以從根本上改善勞動條件，實現(xiàn)自動化操作，但會使投資費(fèi)用增加60%~70%,運(yùn)行費(fèi)用增加1.5~2.0倍。立式工頻感應(yīng)加熱爐最適合于奧氏體不銹鋼實心坯料和空心坯料的加熱，尤其適合于空心坯料的再加熱。其完全可以滿足空心坯料對再加熱溫度的特殊要求，確保以高度的準(zhǔn)確性將空心坯加熱到指定的擠壓溫度。

  穿孔前和擠壓前坯料加熱的溫度應(yīng)選擇在材料的最高塑性溫度范圍之內(nèi)，可按“塑性一溫度關(guān)系圖表”來確定。材料的塑性圖表一般是在實驗的條件下，采用加熱至不同溫度的試樣進(jìn)行的力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上繪制而成的。這些力學(xué)試驗包括高溫拉伸試驗、熱扭轉(zhuǎn)試驗、熱頂鍛試驗，以及模擬各種壓力加工方法的坯料在受力條件下的試驗設(shè)備上進(jìn)行的高溫試樣的軋制、擠壓、拉伸等試驗。圖中所示為材料進(jìn)行熱扭轉(zhuǎn)試驗時的塑性圖。試驗條件：試樣直徑8.5mm,試樣工作部分的長度40mm;試驗時試樣的扭擰轉(zhuǎn)速130r/min;相應(yīng)的變形速度（擠壓速度）10~20mm/s。圖中陰影部分所示為1Cr18Nil0Ti不銹鋼管材料的最高塑性溫度范圍。在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行材料的熱加工時，材料的塑性最高，變形抗力最低。

 最適合于擠壓工藝條件下確定材料“塑性一溫度關(guān)系圖表”的試驗方法，是在專用的液壓試驗擠壓機(jī)上，采用圓錐形芯棒進(jìn)行擠壓試驗的方法。試驗時，根據(jù)試樣材料的變形抗力，按規(guī)定的純擠壓時間或規(guī)定的試樣擠壓長度上，停止擠壓過程，可得到不同厚度的壓余，從而可測量出擠出試樣不銹鋼管后端的不同截面上的壁厚，并可以計算出擠出的試樣管在最小壁厚時的延伸系數(shù)，即為達(dá)到的延伸系數(shù)。沿擠出試樣管的軸線方向解剖鋼管，清除潤滑劑，檢查鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量情況，確定鋼管金屬連續(xù)性開始遭到破壞的位置的試樣長度，并計算出相應(yīng)長度位置截面上的延伸系數(shù)，此為材料開始破壞時的臨界延伸系數(shù)，即材料在該溫度速度條件下的臨界變形量。小于臨界變形量以及相應(yīng)變形抗力較低的溫度區(qū)間，即為材料擠壓加工的溫度范圍。

  俄羅斯全蘇管材科學(xué)研究所在5MN液壓試驗擠壓機(jī)上裝置采用圓錐形芯棒擠壓管材的專用工具，可以保證在同一支試驗鋼管上的延伸系數(shù)在 6~85 的范圍內(nèi)變化。試驗時擠壓筒內(nèi)襯的直徑為85mm,擠壓模?？椎闹睆綖?9mm,錐形芯棒和擠壓坯料的尺寸如圖2-7所示。

  在圖2-7所示的擠壓工模具配置的條件下，擠壓時作用于坯料金屬上的擠壓力可以達(dá)到11MPa。通過擠壓和研究具有變化壁厚的不銹鋼管，可以建立起臨界延伸系數(shù)與坯料加熱溫度的關(guān)系圖表，確定最佳塑性溫度范圍和在該溫度允許的變形量。在進(jìn)行具有變化壁厚鋼管的擠壓試驗時，芯棒尺寸的確定應(yīng)考慮到在擠壓時能夠得到亞臨界、臨界和超臨界變形程度的鋼管。因為擠壓時鋼管金屬連續(xù)性的破壞，只有在臨界和超臨界變形程度的條件下才會發(fā)生。即在采用圓錐形芯棒擠壓不銹鋼管時，金屬完整性的破壞只是在當(dāng)材料的塑性非常低的情況下出現(xiàn)。

 如對于變形的1Cr18Ni10Ti不銹鋼管坯料，在一定的溫度下，當(dāng)延伸系數(shù)達(dá)到35~50時，也未出現(xiàn)完整性遭到破壞的現(xiàn)象。因此，采用圓錐形芯棒進(jìn)行擠壓試驗，確定材料“塑性一溫度關(guān)系圖表”的方法，特別適合于高合金等低塑性、難變形的材料。圖2-8所示為擠壓有變化壁厚的不銹鋼管時，計算指定時刻的延伸系數(shù)，得到的所擠出鋼管的長度L,與錐形芯棒相應(yīng)的半徑r,及其與延伸系數(shù)λ 的關(guān)系。