純鈦管坯熱擠壓工藝改進(jìn)

□ 郭 玲 □ 謝翀博

1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司 西安 710201

2.西北有色金屬研究院 稀有金屬材料加工國家工程中心 西安 710016

工業(yè)純鈦有著優(yōu)異的耐蝕性能,其各種規(guī)格的無縫管材在航空、航天、化工、石油、原子能發(fā)電、海水淡化、建筑等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1-6］。鈦具有極高的化學(xué)活性，在空氣中加熱易被氣體污染。熱擠壓是純鈦無縫管材生產(chǎn)中的重要工序,在擠壓過程中鈦強(qiáng)烈粘結(jié)擠壓工模具，導(dǎo)致鈦比鋼鐵材料加工性差，所以純鈦熱擠壓生產(chǎn)中通常采用紫銅包套加熱+油基石墨潤(rùn)滑工藝［7］。采用紫銅包套不但能減少錠坯的吸氣污染，而且能防止鈦錠坯和擠壓工模具的粘結(jié)，同時(shí)起到一定的潤(rùn)滑作用。擠壓后管坯內(nèi)外的紫銅包套采用酸洗去除。

我院工程中心的16.3 MN雙動(dòng)臥式油擠壓機(jī)自安裝調(diào)試后，共采用φ120 mm擠壓筒擠壓各種規(guī)格鈦管坯500多噸，產(chǎn)品質(zhì)量良好。為進(jìn)一步提高純鈦管坯的生產(chǎn)率和成材率，試驗(yàn)采用φ150 mm擠壓筒擠壓φ45×6 mm純鈦管坯，導(dǎo)致擠壓比從14.2升高至22.9。隨著擠壓比的提高，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了許多質(zhì)量問題，如：擠壓針粘銅粘鈦（如圖1所示），管坯內(nèi)表面銅包套破損（如圖2所示），管坯內(nèi)表面凹坑（如圖3所示），頻繁悶車（如圖4所示），壓余超厚等（如圖5所示）。并出現(xiàn)了批次性的管坯報(bào)廢問題，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

▲圖1 擠壓針粘銅粘鈦

▲圖2 管坯內(nèi)表面破損的銅包套

▲圖3 管坯內(nèi)表面凹坑

▲圖4 悶車料

▲圖5 厚壓余

本文主要對(duì)熱擠壓工藝中的潤(rùn)滑和包套工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用一種新型水基潤(rùn)滑劑，對(duì)潤(rùn)滑工藝進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而對(duì)銅包套工藝進(jìn)行改進(jìn)，得到一種經(jīng)濟(jì)效果良好的純鈦管坯熱擠壓工藝。

1 分析與討論

由于擠壓過程中鈦及其合金有強(qiáng)烈粘結(jié)擠壓工模具的特點(diǎn)，因此必須正確選擇熱擠壓用潤(rùn)滑劑。對(duì)熱擠壓潤(rùn)滑劑的要求是：在使用溫度下，摩擦因數(shù)小，附著能力強(qiáng)，高壓下摩擦表面保留一定厚度的潤(rùn)滑層而不被擠掉，隔熱性好，能防止金屬溫降過快和工具過熱，擠壓后易去除，無公害［7］。

稀有金屬鈦及其合金管坯擠壓潤(rùn)滑普遍采用半流體油基潤(rùn)滑劑［7］。現(xiàn)擠壓生產(chǎn)中使用的油基潤(rùn)滑劑成分配比為15%～25%（體積含量）石墨+汽缸油。石墨是一種優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑，摩擦因數(shù)較大，通常為0.05～0.19，其粘結(jié)膜最大可承受70 MPa的負(fù)荷，在空氣中短時(shí)間使用的最高溫度可達(dá)1 000℃［8］。汽缸油的缺點(diǎn)是耐壓性差，閃點(diǎn)低，其作用主要是粘合固體潤(rùn)滑劑。汽缸油雖然能起到粘結(jié)作用，但將其涂抹在預(yù)熱后的擠壓筒和擠壓工模具表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒煙霧。

采用φ150 mm擠壓筒擠壓生產(chǎn)φ45×6 mm純鈦管，使擠壓力大幅增高，導(dǎo)致擠壓管坯內(nèi)表面銅包套和擠壓針表面之間的摩擦力也大幅增高。由于擠壓錠坯內(nèi)孔和擠壓針表面之間的工藝間隙很小，而油基潤(rùn)滑劑中石墨的體積含量?jī)H為15%～25%，加上擠壓針的輕微彎曲變形，使局部的潤(rùn)滑膜更薄，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果不能滿足要求，因此需要解決更苛刻條件下的擠壓潤(rùn)滑問題。

2 改進(jìn)措施

2.1 采用新型水基潤(rùn)滑劑改善潤(rùn)滑條件

文獻(xiàn)［7］表明，通過改善潤(rùn)滑條件可以進(jìn)一步提高擠壓比。本文擬采用一種新型水基潤(rùn)滑劑（8wt%石墨+14wt%MoS2+粘結(jié)劑和水）［9］替代現(xiàn)有的油基潤(rùn)滑劑進(jìn)行試驗(yàn)。在擠壓前用噴槍均勻噴涂在預(yù)熱300～400℃的擠壓針表面，潤(rùn)滑劑中的水分蒸發(fā)后剩余的固體潤(rùn)滑劑就在擠壓針表面形成一層致密的雙組分固體潤(rùn)滑膜。為盡量減小摩擦力，向該水基潤(rùn)滑劑中摻雜一定數(shù)量摩擦因數(shù)更小的固體潤(rùn)滑劑MoS2。與石墨的摩擦因數(shù)0.1～0.2相比，MoS2的摩擦因數(shù)更小，僅為0.06左右，與金屬表面的結(jié)合力更強(qiáng)，能形成一層很牢固的膜，2.5 μm厚的薄膜能承受2 800 MPa以上的接觸壓力，同時(shí)能承受40 m/s的摩擦速度［8］。在其它條件不變時(shí)，這層致密的雙組分固體潤(rùn)滑膜含有的潤(rùn)滑劑量是油基潤(rùn)滑劑的4～7倍，取代了半流體潤(rùn)滑膜。最大限度引入固體潤(rùn)滑劑，將對(duì)改善潤(rùn)滑條件起到非常重要的作用。

2.2 銅包套工藝改進(jìn)

銅板是擠壓純鈦管坯所采用的一種主要輔助材料，在擠壓成本中占有很大的比重。目前純鈦管坯擠壓生產(chǎn)中通常采用銅包套進(jìn)行防氧化和潤(rùn)滑，對(duì)銅板的消耗很大，每擠壓100 t鈦管約需7 t包套用銅板，價(jià)值約為40～50多萬元。目前擠壓錠坯外包套采用0.8 mm壁厚的純銅板卷筒焊接而成，該銅包套擠壓后，延伸變薄并包覆在管坯內(nèi)外表面，不能回收，需酸洗去除。銅包套在擠壓過程中除了防氧化的功能外，最大的作用就是改善潤(rùn)滑，既然已通過使用水基潤(rùn)滑劑使?jié)櫥瑮l件大幅改善，銅包套的壁厚就應(yīng)該能適當(dāng)減薄，這對(duì)節(jié)能降耗具有重要意義。

表1是內(nèi)、外包套擠壓前后壁厚的計(jì)算數(shù)據(jù)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用0.8 mm壁厚的銅板制作外包套時(shí)，擠壓后外表面銅包套壁厚明顯比內(nèi)表面銅包套偏厚，但如果改用0.5 mm壁厚的銅板制作外包套，則內(nèi)、外包套擠壓后壁厚相近，因此擬采用0.5 mm壁厚銅板進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 內(nèi)、外銅包套擠壓前后壁厚數(shù)據(jù)表

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 新型水基潤(rùn)滑劑的使用

大批量生產(chǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴涂水基潤(rùn)滑劑后，每次擠壓結(jié)束擠壓針表面烏黑發(fā)亮（如圖6所示），無粘銅粘鈦現(xiàn)象，不用修磨，去除了原有的頻繁修磨和更換擠壓針這一工序，節(jié)省了大量人力和時(shí)間。

噴涂水基潤(rùn)滑劑后徹底消除了管坯內(nèi)孔壓坑缺陷和內(nèi)包套破損現(xiàn)象，內(nèi)孔銅包套完好率達(dá)100%。產(chǎn)品內(nèi)、外表面質(zhì)量良好（如圖7、圖8所示）。與油基擠壓力曲線（如圖9（a）所示）相比，噴涂水基潤(rùn)滑劑擠壓過程中擠壓力曲線由波動(dòng)變?yōu)槠椒€(wěn)（如圖9（b）所示）。

▲圖6 光滑的擠壓針表面

▲圖7 光滑的管坯外表面

▲圖8 光滑的管坯內(nèi)表面

▲圖9 兩種潤(rùn)滑劑的擠壓力曲線

▲圖10 薄壓余

▲圖11 表面有熱疲勞裂紋的擠壓針

以往壓余平均約為1.3 kg，且必須采用熱鋸鋸切后才能出料，造成管坯的定尺不夠，既降低了成材率，又降低了生產(chǎn)效率?，F(xiàn)在壓余明顯減薄 （如圖10所示），質(zhì)量穩(wěn)定在0.1～0.3 kg之間，實(shí)現(xiàn)了100%頂斷出料，這使管坯成材率提高3%，生產(chǎn)效率提高近一倍，節(jié)約能耗約30%。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，使用水基潤(rùn)滑劑后，由于潤(rùn)滑效果好，徹底消除了擠壓針的粘銅和彎曲、拉斷等早期失效現(xiàn)象。擠壓針經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用后表面出現(xiàn)正常的熱疲勞裂紋（如圖11），但仍能正常使用，最終以疲勞開裂失效。這充分發(fā)揮了擠壓針材料的潛力，使擠壓針的使用壽命至少提高4倍以上，制作費(fèi)用下降75%以上。

表2 采用0.5 mm壁厚銅板制作外包套試驗(yàn)結(jié)果

采用水基潤(rùn)滑劑和采用油基潤(rùn)滑劑相比，潤(rùn)滑劑成本下降80%以上，并且無油煙污染。工藝過程簡(jiǎn)單易行、操作快捷簡(jiǎn)便，可完全代替現(xiàn)用的油基潤(rùn)滑劑。

3.2 銅包套工藝改進(jìn)

試驗(yàn)中隨機(jī)抽取了5個(gè)不同批號(hào)的擠壓錠坯，并通過不同裝爐部位（爐前部錠坯先出爐擠壓，爐后部錠坯后出爐擠壓，保溫時(shí)間多2.5～3 h）考核加熱時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表2。由表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，采用0.5 mm壁厚銅板制作外包套擠壓后包套完好率達(dá)100%，管坯內(nèi)、外表面銅包套光滑良好。

4 結(jié)論

（1）將一種水基潤(rùn)滑劑噴涂在擠壓針表面后，徹底消除了擠壓針表面粘銅粘鈦現(xiàn)象，進(jìn)而消除了內(nèi)孔銅包套破損現(xiàn)象和擠壓管坯內(nèi)孔壓坑缺陷，使成材率提高3%，生產(chǎn)效率提高近一倍，節(jié)約能耗約30%。

（2）在采用水基潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑擠壓針的基礎(chǔ)上，采用0.5 mm壁厚的薄銅板代替0.8 mm的厚銅板制作外包套，生產(chǎn)的管坯內(nèi)外表面質(zhì)量良好，工藝穩(wěn)定可行，可節(jié)約銅材37.5%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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