發(fā)布日期：2017-10-31 11:02:44
熱擠壓工藝是利用擠壓機(jī)上擠壓桿傳遞的高壓，對(duì)封閉在擠壓筒中的壞料進(jìn)行擠壓成形為與模具形狀相同的制品的一種先進(jìn)塑性加工方法（常見(jiàn)金屬熱擠壓過(guò)程如圖1所示）。其具有提高金屬的變形能力、制品綜合質(zhì)量高、產(chǎn)品范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。鈦及鈦合金屬是難變形金屬，又價(jià)格昂貴，因此熱擠壓工藝對(duì)生產(chǎn)大規(guī)格、厚壁或高要求鈦管、鈦棒、鈦型材（以下簡(jiǎn)稱鈦擠壓材）而言是最有發(fā)展前途的生產(chǎn)方法。
圖1 鋼材熱擠壓過(guò)程簡(jiǎn)圖
一、鈦材熱擠壓成形技術(shù)的發(fā)展
鈦是一種高活性金屬，不僅在空氣中加熱極易污染，而且在一定的溫度、壓力和表面狀態(tài)下具有和模具粘結(jié)的特性。鈦的導(dǎo)熱性差，熱擠壓時(shí)坯料表層與中心易產(chǎn)生較大溫差，促使金屬流動(dòng)不均勻性加劇，這樣表面層就產(chǎn)生較大的附加拉應(yīng)力，在制品表面易形成裂紋。嚴(yán)重時(shí)，在擠壓棒材及管材上可能產(chǎn)生大的中心擠壓縮孔。同時(shí)，擠壓鈦及鈦合金時(shí)熱效應(yīng)顯著，不合適的擠壓工藝對(duì)擠壓品組織和性能有副作用。鈦的彈性模量低，回彈嚴(yán)重，成型困難。因此鈦合金擠壓變形過(guò)程比鋁合金、銅合金等其它有色金屬擠壓變形過(guò)程更為復(fù)雜。鈦材熱擠壓工藝過(guò)程根據(jù)坯料是否包套有所區(qū)別，其主要工藝流程如圖2所示。鈦材熱擠壓技術(shù)發(fā)展至今，中外相關(guān)技術(shù)人員圍繞提高鈦擠壓材質(zhì)量和成材率、降低生產(chǎn)成本在坯料制備、坯料加熱溫度、擠壓比、擠壓速度、潤(rùn)滑及擠壓模具等方面做了大量研究探索工作。
圖2 鈦材熱擠壓工藝流程
（一）鈦擠壓坯錠的制備
鈦及鈦合金的擠壓坯傳統(tǒng)制造工藝一般是真空電弧熔煉鑄錠經(jīng)鍛造或軋制成毛坯，然后經(jīng)切削加工或熱壓力穿孔制成尺寸和表面質(zhì)量符合要求的光坯。不經(jīng)熱穿孔直接擠壓，荒管質(zhì)量好，但成材率低。為提高鈦擠壓材的綜合成材率，研究冶煉直接擠壓的空心鑄錠工藝是未來(lái)擠壓鈦材實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)一個(gè)發(fā)展方向。烏克蘭E.O.Paton電焊研究所已研究出通過(guò)電子束冷床熔煉大型空心錠。目前，寶鈦、寶鋼特鋼已引進(jìn)等離子、電子束冷床爐，下一步應(yīng)積極研究冶煉可直接擠壓的空心鑄錠工藝。
（二）鈦擠壓坯錠的加熱
鈦在空氣中加熱時(shí)易被氣體污染，所以擠壓坯錠加熱時(shí)必須設(shè)法保護(hù)金屬表面不受或少受氣體污染。擠壓坯錠的加熱按其保護(hù)方法可分為包套加熱、涂層加熱、鹽浴加熱、玻璃熔體加熱和常規(guī)加熱等。目前，一般用感應(yīng)加熱。在制定加熱工藝時(shí)，為了便于在最小的壓力下實(shí)現(xiàn)快速擠壓，應(yīng)在能保證產(chǎn)品具有良好力學(xué)性能下用盡可能高的溫度進(jìn)行擠壓。例如：對(duì)于工業(yè)純鈦，即使擠壓溫度高達(dá)1038℃，對(duì)其力學(xué)性能也無(wú)明顯的影響目前，純鈦、α型及α＋β型鈦合金通常在低于合金的α＋β／β相變溫度20℃～100℃擠壓。β型鈦合金通常
采用高于相變溫度擠壓。
（三）鈦擠壓比的確定
擠壓加工中，變形程度一般用擠壓比（λ）表示。為了改善制品的組織和性能，很多文獻(xiàn)都認(rèn)為，擠壓鈦及其合金時(shí)應(yīng)該采用較大的擠壓比，其實(shí)，鈦的擠壓比相對(duì)較小，一般小于30。研究表明：TC4鈦合金在兩相區(qū)加熱，采用3～10的擠壓比，可得到綜合性能良好的產(chǎn)品；而用相同溫度加熱，用28的擠壓比時(shí)，由于變形熱效應(yīng)而使溫度升高到α＋β／β相變溫度以上，使產(chǎn)品出現(xiàn)網(wǎng)狀組織，材料綜合性能變差。除考慮金屬本身特點(diǎn)以外，還必須考慮設(shè)備能力和工模具的強(qiáng)度因素。同時(shí)，擠壓比還受鈦的潤(rùn)滑方式影響。一般采用玻璃潤(rùn)滑選用的擠壓比包套擠壓小。
（四）鈦擠壓速度的范圍
與擠壓溫度、擠壓比一樣，擠壓速度不僅影響擠壓件的性能和表面質(zhì)量，還影響擠壓力。擠壓時(shí)可達(dá)到的實(shí)際擠壓軸速度根據(jù)鈦合金成分、擠壓溫度和擠壓比而變化。一般選用80～130毫米／秒中等速度擠壓。速度對(duì)擠壓的熱效應(yīng)的影響可用來(lái)保持?jǐn)D壓件的溫度恒定。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，擠壓速度級(jí)根據(jù)擠壓件擠出的溫度變化進(jìn)行校正，溫度用精密儀表記錄。通過(guò)溫度信息反饋，調(diào)節(jié)擠壓速度。此外，還可通過(guò)理論模擬－程序控制擠壓速度。通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)先計(jì)算出溫升規(guī)律，根據(jù)不同的產(chǎn)品，選擇相應(yīng)的程序進(jìn)行等溫?cái)D壓。
（五）鈦擠壓潤(rùn)滑劑的選用
潤(rùn)滑問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外鈦及鈦合金熱擠壓技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，使用的潤(rùn)滑劑主要有潤(rùn)滑脂、玻璃潤(rùn)滑劑和金屬包覆三種類型。
潤(rùn)滑脂一般為加有稠化劑的礦物油。用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑劑方便、實(shí)用，可以擠出表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的鈦材，但往往擠壓制品的長(zhǎng)度受到限制。擠壓型材的最大長(zhǎng)度限于3～4.5米。長(zhǎng)擠壓材末端易出現(xiàn)粘結(jié)缺陷。現(xiàn)在該方法多為小批量生產(chǎn)或與下面兩種方法連用。
玻璃潤(rùn)滑擠壓是目前世界上最先進(jìn)的潤(rùn)滑工藝。自1941年發(fā)明至今已得到廣泛應(yīng)用。與其它潤(rùn)滑材料相比，玻璃潤(rùn)滑劑具有導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱性能好，高溫附著性能好，耐壓能力高，化學(xué)性能穩(wěn)定性好，與金屬不起反應(yīng)，能防止金屬被氣體污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，它是最具有發(fā)展?jié)摿Φ臐?rùn)滑材料。目前，世界上普遍采用玻璃潤(rùn)滑擠壓。我國(guó)雖然也很早開(kāi)展玻璃潤(rùn)滑劑的研究，但還未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平。
鈦及鈦合金熱擠壓還可以采用金屬包覆潤(rùn)滑。主要是在坯料外面包覆銅、軟鋼或其它金屬，也可噴涂銅。采用銅包覆擠壓，當(dāng)金屬加熱溫度超過(guò)850℃時(shí)，在鈦與銅的界面上會(huì)生成一種Ti－Cu共晶組織，該組織為脆性物質(zhì)，不僅起不到潤(rùn)滑的作用，反而會(huì)破壞正常的擠壓。因此，該方法一般只限于純鈦擠壓。此外，金屬包覆擠壓工序復(fù)雜，成本高，酸洗過(guò)程環(huán)境污染嚴(yán)重。
（六）鈦擠壓工模具的使用
與擠壓其它金屬一樣，擠壓鈦管材時(shí)一般用平面模具。為提高模具的使用壽命和改善潤(rùn)滑條件，模具一般預(yù)熱到300℃～400℃。正常情況下每副擠壓模的使用壽命在20次左右。模具材料和加工成本非常高，因此為降低鈦擠壓材的加工成本必須對(duì)模具材料和模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。對(duì)于型材擠壓，為提高薄壁型材尺寸精度和工模具耐磨性，俄羅斯輕合金研究院曾研究在擠壓模具工作表面用氣體火焰法和等離子法涂敷了不同金屬的碳化物和氧化物涂層，結(jié)果表明普通工具鋼上涂敷0.05～0.1毫米厚的鉬底層，再以等離子法涂敷二氧化鋯涂層的模具性能最佳，制出了斷面單元厚度為2毫米，公差為0.5毫米的高強(qiáng)鈦合金型材。采用帶陶瓷涂層的模具配合使用玻璃潤(rùn)滑劑，成為了成批生產(chǎn)是薄壁型材的一個(gè)重要因素。
表 鈦及鈦合金棒材的擠壓參數(shù)
需要指出的是，鈦及鈦合金優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的擠壓，要求在保持工具有滿意壽命的條件下制定正確的生產(chǎn)工藝，即要求溫度、擠壓速度、擠壓比及潤(rùn)滑方式的配合。上表列舉了典型鋼種擠壓棒材的參數(shù)。
二、鈦擠壓材的生產(chǎn)與應(yīng)用
20世紀(jì)50年代，伴隨著鈦開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)，熱擠壓成形技術(shù)在鈦材生產(chǎn)中得以快速應(yīng)用和發(fā)展。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家用擠壓法除了可以生產(chǎn)鈦及鈦合金管、棒材以外，還可擠壓種類繁多的鈦及鈦合金型材。這些型材不僅是角材、丁字形材、槽形管材，還包括各種各樣的異型材、變斷面型材，甚至尺寸公差，表面質(zhì)量達(dá)到可不進(jìn)行機(jī)械加工的程度。
俄羅斯的鈦合金的試驗(yàn)工作始于1953年，在上世紀(jì)60年代為迅速發(fā)展的航空技術(shù)提供各種各樣的薄壁型材、翼翅型材、空心型材、大型型材和壁板等。自此俄羅斯鈦擠壓型材技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。其生產(chǎn)的鈦合金牌號(hào)達(dá)十幾種，規(guī)格達(dá)兩千多種。例如：生產(chǎn)的OT4、OT4－1、BT20、BT14、BT15合金薄壁型材，其腹板厚度為1.5～5毫米，腹板厚度公差為0.5毫米。俄羅斯上薩爾達(dá)冶金聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)（VSMPO）擠壓管、棒和型材除國(guó)內(nèi)使用外，也大量出口美國(guó)和歐洲飛機(jī)制造和供應(yīng)廠家。除航空航天外，VSMPO公司生產(chǎn)的含Pd，Ru的合金Ti－6Al－4V合金管還用于了石油開(kāi)采。
美國(guó)的大直徑鈦合金擠壓管生產(chǎn)居世界領(lǐng)先水平。美國(guó)將直徑(48～610)毫米×26毫米×2600毫米的Ti－6Al－4V－Ru合金管用做地?zé)帷⒑Ｉ香@井管道。美國(guó)RMI公司生產(chǎn)的直徑650毫米×(22～25)毫米×35000毫米超長(zhǎng)Ti－3Al－2.5V－Ru合金管用于海底石油開(kāi)采。此外，在挪威北海鉆井支撐平臺(tái)立管用的是直徑600毫米×25毫米×15000毫米的Ti－6Al－4V ELI合金管。國(guó)際上對(duì)鈦型管的研發(fā)比較遲緩，只有美國(guó)Titanium Sports Technology公司采用擠壓和拉伸法，生產(chǎn)出正方形、長(zhǎng)方形、三角形、橢圓形、五角形、六角形和八角形等多種形狀的型管，成為世界上唯一一家生產(chǎn)鈦型管的公司。目前鈦型管的應(yīng)用還不夠廣泛，用量不大，但在建筑、體育休閑及特殊工程等領(lǐng)域，存在較大的潛在市場(chǎng)。
我國(guó)鈦及鈦合金擠壓生產(chǎn)開(kāi)始于20世紀(jì)60年代末。當(dāng)時(shí)，寶鈦公司和長(zhǎng)城鋼廠分別從德國(guó)引進(jìn)了一臺(tái)3150噸可擠壓鈦合金的熱擠壓機(jī)。經(jīng)過(guò)近40年發(fā)展，寶鈦公司可擠壓鈦及鈦合金的各種規(guī)格的管、棒材及簡(jiǎn)單斷面的型材及復(fù)合材，牌號(hào)達(dá)幾十種。這些產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航空、航天、衛(wèi)星以及能源、化工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。但是還應(yīng)該看到，我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家相比，還存在較大差距，較復(fù)雜斷面的型材還不能生產(chǎn)。近幾年，隨著化工等民用領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量鈦管需求劇增，西部鈦業(yè)、浙江五環(huán)等公司先后引進(jìn)了主要用于擠壓鈦管的擠壓機(jī)。2009年10月，寶鋼特鋼從德國(guó)引進(jìn)的世界先進(jìn)水平的6000T擠壓機(jī)投產(chǎn)（如圖3），為我國(guó)生產(chǎn)大規(guī)格鈦管和型材提供了必需的裝備，標(biāo)志著我國(guó)鈦材擠壓設(shè)備上了一個(gè)新臺(tái)階。
圖3 寶鋼6000T熱擠壓機(jī)
三、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)鈦熱擠壓技術(shù)發(fā)展緩慢，和國(guó)外存在較大差距。開(kāi)發(fā)有競(jìng)爭(zhēng)力的鈦擠壓材，提高我國(guó)鈦擠壓材整體水平，建議應(yīng)首先從以下四個(gè)方面著手解決：
（一）利用冷床爐進(jìn)行空心鑄錠管坯的研究。如前所述，按照目前的管坯制造方法，已不適應(yīng)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展要求，為此要積極開(kāi)展冷床爐冶煉空心管坯工藝研究，簡(jiǎn)化工序，降低成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，勢(shì)在必行。
（二）高溫潤(rùn)滑劑的研究。潤(rùn)滑劑對(duì)于熱擠壓成形產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本有著重要影響，因此，研究適合于不同材料的潤(rùn)滑劑，以提高產(chǎn)品的綜合質(zhì)量，減輕模具磨損是目前迫切需要解決的問(wèn)題。
（三）模具材料和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。熱擠壓時(shí)，模具承受高溫高壓和強(qiáng)摩擦復(fù)合作用，嚴(yán)重影響了模具的使用壽命、產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。因此，對(duì)模具材料和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究，也是今后需要解決的問(wèn)題之一。
（四）積極開(kāi)拓鈦擠壓材市場(chǎng)。鈦擠壓材將在飛機(jī)制造、海洋工程、體育休閑等行業(yè)有非常大的需求潛力。現(xiàn)在鈦擠壓材生產(chǎn)與設(shè)計(jì)應(yīng)用單位結(jié)合并不緊密，大家應(yīng)共同努力提高我國(guó)鈦擠壓材整體水平。