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）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）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，從而導致其變形分布的不均勻，最終導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?，都必須適應其不同變形特點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、保護氣氛下加熱等。經(jīng)過長期的從實際可操作性和經(jīng)濟性兩個方面考量后，目前普遍采用的是：低溫無氧化預熱和感應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，使采用感應爐加熱的高運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加熱爐加熱時，其運行費用有一些降低，但投資費用增加20%~25%.采用感應加熱爐加熱時，雖然可以從根本上改善勞動條件，實現(xiàn)自動化操作，但會使投資費用增加60%~70%,運行費用增加1.5~2.0倍。立式工頻感應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行的力學試驗的基礎上繪制而成的。這些力學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備上進行的高溫試樣的軋制、擠壓、拉伸等試驗。圖中所示為材料進行熱扭轉(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“塑性一溫度關系圖表”的試驗方法，是在專用的液壓試驗擠壓機上，采用圓錐形芯棒進行擠壓試驗的方法。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研究所在5MN液壓試驗擠壓機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。在進行具有變化壁厚鋼管的擠壓試驗時，芯棒尺寸的確定應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，當延伸系數(shù)達到35~50時，也未出現(xiàn)完整性遭到破壞的現(xiàn)象。因此，采用圓錐形芯棒進行擠壓試驗，確定材料“塑性一溫度關系圖表”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,與錐形芯棒相應的半徑r,及其與延伸系數(shù)λ 的關系。