俄羅斯巴爾金中央黑色冶金科學(xué)研究院曾進行了關(guān)于玻璃潤滑劑成分對擠壓工藝過程中力學(xué)參數(shù)、金屬流動特點、摩擦系數(shù)和擠壓不銹鋼管性能影響的研究。研究曾采用以下4組玻璃潤滑劑成分,見表4-12。試驗用玻璃潤滑劑的化學(xué)成分和黏度值列于表4-13。
為了試驗潤滑墊和滾涂的玻璃粉對擠壓過程工藝參數(shù)的影響程度,分別采用各種潤滑劑種類安排專門的試驗,試驗方法如下。
在兩種施加潤滑劑方法共同使用的條件下,首先,改變用于制作潤滑墊的玻璃潤滑劑的黏度,而用于坯料表面滾涂的玻璃粉的黏度始終保持不變,黏度η為80~100Pa·s。
其次,改變潤滑劑用于表面滾涂的玻璃的黏度,采用在1180℃時黏度η=100Pa·s的玻璃潤滑墊。
將黏度變化方案,結(jié)合施加潤滑劑的方式包括在內(nèi)總共試驗了7種擠壓方案,詳見表4-14。
在方案中也列入了無潤滑擠壓工藝。為了確定采用玻璃潤滑劑的效果,引入“有效系數(shù)”的概念。有效系數(shù)被定義為:無潤滑劑擠壓時的最大擠壓力p與采用潤滑劑時的最大擠壓力Pm的比值。
除了潤滑劑對擠壓過程力學(xué)參數(shù)的影響之外,還評定了潤滑劑對擠壓不銹鋼管表面質(zhì)量的影響。為此,采用表面光潔度儀M-201測量不銹鋼管表面的顯微不平度值。測量在不銹鋼管10°的圓周表面上進行,計算顯微不平度的平均值,并應(yīng)用坐標網(wǎng)格法觀察金屬的流動特點。
試驗結(jié)果所顯示的黏度對有效系數(shù)的影響(對應(yīng)于表4-14)結(jié)果如下。在單獨使用潤滑墊的情況下(表4-14中方案I),玻璃潤滑劑的黏度從5Pa·s增大到20000Pa·s,對有效系數(shù)沒有明顯影響。隨著玻璃墊黏度的增加,棒材表面的顯微不平度值有下降的趨勢(圖4-10(b)).此時,有效系數(shù)具有最小值,在K=1.00~1.04范圍內(nèi)變化(圖4-10(a)).擠壓力的示波圖與無潤滑擠壓時相同。其特點是:從流動開始到過程結(jié)束,壓力急劇下降(圖4-11),這表明,在擠壓筒中有極大的接觸摩擦力。在擠壓帶有坐標網(wǎng)格的壞料時,所得到的金屬流動圖像證明了這一結(jié)論(圖4-12(a))。
由圖4-12(c)可看出,變形區(qū)域擴展到坯料的整個深度。坯料表層由于沒有潤滑劑在擠壓筒中受到阻滯,因此發(fā)生金屬內(nèi)層的強烈流動。由于金屬流動的不均勻性,使擠壓制品的性能惡化,并導(dǎo)致形成很深的“擠壓縮孔”。
在單獨用于滾涂的情況下(表4-14中方案II)在低黏度(η=5~15Pa·s)范圍內(nèi),滑劑的有效系數(shù)比方案I要高,達到K=1.3~1.4。隨著黏度的增加,K開始強烈降低,當η≈300Pa·s時,K≈0.9~0.95,小于方案I的K值,表示玻璃潤滑劑喪失了本身的減摩性能而成為磨料。從示波圖形的變化可以看出,在很大黏度下的示波圖顯示,壓力從開始到穩(wěn)定過程的結(jié)束急劇下降(圖4-11).金屬流動圖形的特點是存在有停滯區(qū),發(fā)生金屬的剪切。在這種情況下的擠壓棒材表面的顯微不平度值具有最大值(圖4-10(b))。
滾涂玻璃粉和潤滑墊一起使用(表4-14中方案II),得到相當高的有效系數(shù),改善了表面質(zhì)量和金屬流動。在這種情況下,變形區(qū)集中在擠壓模附近,并具有最小尺寸(圖4-10(b)).同樣的圖像在方案IV~方案VI中也可觀察到。在這些方案中,在任何的玻璃潤滑劑黏度值下,停滯區(qū)都沒有形成。隨著玻璃墊的黏度從5Pa·s增加到20000Pa·s,潤滑劑的有效系數(shù)從1.7降低到1.5。因此,擠壓力因玻璃墊黏度不同而變化在12%的范圍內(nèi)。從擠壓制品表面質(zhì)量的角度來考量,最好是采用黏度η=100Pa·s的玻璃潤滑劑(圖4-10(b)).使用黏度低于50Pa·s的玻璃潤滑劑時,在擠壓制品的表面上引起“斑點”缺陷,這是由于變形區(qū)內(nèi)多余數(shù)量的熔化玻璃而形成的。當玻璃黏度增加到100Pa·s以上時,基本上不會引起擠壓制品表面質(zhì)量的變化。
在穩(wěn)定擠壓過程階段,在所有的玻璃潤滑劑值的條件下,擠壓力卻保持恒定并大致相同。隨著玻璃潤滑劑黏度的增加,出現(xiàn)擠壓過程開始時的壓力峰值趨向(圖4-11)。
在潤滑墊的玻璃黏度不變(η=100Pa·s)時,滾涂玻璃的黏度變化(方案IV)比方案II在更大程度上影響到有效系數(shù)。隨著玻璃黏度增加到50Pa·s時,潤滑劑有效系數(shù)仍保持本身的數(shù)值,為K=1.8;而隨后開始急劇地下降,且在黏度達到6000Pa·s時,K值變?yōu)樾∮?.總之,方案IV中的曲線K=f(7)和方案II中的曲線形狀是相同的,而且在此兩種情況下,K值變化的這一特點的原因是相同的。因此,滾涂玻璃的黏度變化比起玻璃墊的黏度變化,在更大程度上明顯影響到擠壓力的數(shù)值。表面顯微不平度的最小值,發(fā)生在滾涂玻璃粉黏度為10~50Pa·s內(nèi)。當玻璃黏度更大時,表面質(zhì)量惡化。
方案VI屬于坯料外表面進行了雙重潤滑,即涂有懸浮液并隨后在加熱的坯料上滾涂最佳黏度(η=30Pa·s)的玻璃潤滑劑,本質(zhì)上改變了圖像的狀況。玻璃潤滑劑的黏度在3~540Pa·s范圍內(nèi)玻璃懸浮液的采用,給予降低擠壓力的可能性,并得到與其他方案相比較的最大有效系數(shù)(K=1.0~2.0).在試驗的潤滑劑黏度的范圍內(nèi),這一方案確保獲得高的表面質(zhì)量。這一最佳結(jié)果是在采用玻璃黏度為30Pa·s的玻璃懸浮液時得到的。
采用以上潤滑劑的施加方法,獲得擠壓制品的表面質(zhì)量絕不會比其顯微不平度值為20~30μm的坯料表面原始狀態(tài)更惡化。因此,在擠壓具有很窄的加工溫度范圍的低塑性合金以及擠壓高質(zhì)量要求制品時,可以采用這種方法。
為了確定在有玻璃潤滑劑的熱變形時的摩擦因數(shù),采用圓環(huán)鐓料的方法,其依據(jù)是,鐓粗時,圓環(huán)的內(nèi)直徑的變化與接觸摩擦的大小有關(guān)。
玻璃潤滑劑的研究曾用碳素鋼CT3、不銹鋼06Cr18Ni11Ti和高溫合金Ni55WMoTiCoAl試樣的熱鐓粗試驗來進行。為了比較,還進行了無潤滑的和帶石墨一油潤滑劑的圓環(huán)試樣的鐓粗試驗。試驗結(jié)果表明,摩擦系數(shù)取決于玻璃潤滑劑的黏度和化學(xué)成分,以及變形材料的性質(zhì)。
在最小摩擦系數(shù)時的玻璃潤滑劑的黏度值,對不同材料的試樣如下:
同時,在4組玻璃系列中黏度系數(shù)值從最小到最大變化時,引起的摩擦系數(shù)值在30%的范圍內(nèi)變化。
玻璃潤滑劑的摩擦系數(shù)取決于其化學(xué)成分,在鋼的熱擠壓過程中,玻璃潤滑劑借助于其特有的高溫下的減摩性能,對過程的力學(xué)參數(shù)和金屬流動特點施加有直接的影響,確定了變形金屬與工具之間的接觸狀況,并影響到擠壓制品的表面質(zhì)量。因而,通過以上玻璃潤滑劑的化學(xué)成分對摩擦系數(shù)的影響試驗研究可以得到以下結(jié)論:摩擦系數(shù)的最大值是在采用三元系玻璃時得到的。在三元系組分的玻璃中,摩擦系數(shù)的最小值依次為:CT3鋼試樣鐓粗時為0.1,06Cr18Ni11Ti不銹鋼試樣鐓粗時為0.14,而Ni55WMoTiCoAl合金為0.2.在三元系玻璃中加入B2O3(II系列),使摩擦系數(shù)平均減小30%~50%.在四元系玻璃中加入Al2O3,以部分取代其中的SiO2(II系列),引起摩擦系數(shù)的明顯下降。在多元玻璃中加入BaO(IV系列),對摩擦系數(shù)的下降影響最明顯。在采用以上系列玻璃的條件下,記錄到摩擦系數(shù)的最小值,對CT3鋼為0.05;1Cr18Ni10Ti為0.08;而合金Ni55WMoTiCoAl為0.1。
雖然各組材料的摩擦系數(shù)的水平有某些差異,但由于玻璃潤滑劑的采用,其數(shù)值的降低基本上是相同的,約為80%。
加入氧化物B2O3和BaO時,摩擦系數(shù)明顯下降與這些玻璃潤滑劑在金屬表面上的“潤濕性”和“流動性”的提高有關(guān),這是因為其有利于形成完整的連續(xù)的隔離膜。
與石墨一油潤滑劑相比較,幾乎所有的玻璃潤滑劑都表現(xiàn)出更高的減摩性能。三元系玻璃潤滑劑在鐓粗合金Ni55WMoTiCoAl時,則是例外。采用多元系玻璃潤滑劑代替石墨-油潤滑劑的結(jié)果,摩擦系數(shù)的降低依次為:碳素鋼CT3鐓粗時達65%;不銹鋼06Cr18Ni11Ti為55%; 鎳合金Ni55WMoTiCoAl為45%.