浙江至德鋼業(yè)有限公司對已進行的擠壓不銹鋼管試驗研究結(jié)果，為進一步了解硅酸鹽潤滑劑在不銹鋼管的熱擠壓過程中的作用機理和擠壓不銹鋼管表面缺陷的形成原因提供了可能。在鋼管和型材的擠壓過程中，于擠壓模和加熱坯料之間放置一個潤滑墊，作為坯料金屬變形時擠壓模的潤滑。擠壓開始時，擠壓模前的玻璃潤滑墊和模子接觸的一面具有擠壓模預熱的溫度，而玻璃墊與坯料接觸的表面瞬間被加熱到接近坯料的溫度，并開始熔化。進一步在被擠壓金屬變形壓力的作用下，玻璃潤滑劑的所有熔化層逐漸地被擠出，并以潤滑薄膜層的形式覆蓋在擠壓制品的表面上。
玻璃作為潤滑劑的作用機理在于，玻璃表層連續(xù)不斷地熔化，并隨著被擠壓金屬流出，而且其流出時比變形金屬有著較低的位移極限應力。玻璃潤滑劑的潤滑效應，也即其所降低的摩擦力，取決于摩擦表面屏幕作用的可靠性和潤滑層的流變性能。
如果摩擦表面覆有一層連續(xù)的潤滑薄膜，則接觸中的不銹鋼管表面的面積就會大范圍地減小。此時，其摩擦系數(shù)可以寫成如下形式：
由此可見，當保證潤滑劑處于液態(tài)動力的潤滑制度時，摩擦消耗的最低限度才會出現(xiàn)。
玻璃潤滑劑的作用是使擠壓過程中的摩擦力降低到最低的限度，而擠壓時保證潤滑劑液態(tài)動力制度的重要性，取決于該過程一系列的特點。高溫和高的單位壓力，摩擦表面的連續(xù)更新等都會導致變形金屬與工具的黏結(jié)，使制品表面質(zhì)量惡化。當潤滑劑的“機械阻力”不能適應于擠壓力的增加時，上述對于制品表面質(zhì)量的不利影響就會不可避免地出現(xiàn)。此時，玻璃潤滑劑的黏度就成為該過程的基本技術(shù)指標。
潤滑層的拉斷和制品缺陷形成的最大幾率出現(xiàn)在擠壓模具的出口處，可以觀察到此處變形金屬和工具被熔化的潤滑劑薄膜隔開。由于潤滑層拉斷而引起變形金屬與工具黏附的結(jié)果，使得在接觸變形前區(qū)內(nèi)金屬各個層次的均勻流動遭到破壞，并形成區(qū)域性的“阻滯區(qū)”。金屬各層的流動都繞過停滯區(qū)而形成擠壓不銹鋼管表面層的波浪形的組織。管壁波浪形的波及深度取決于潤滑劑的黏度與擠壓單位壓力不相適應的程度。
對帶有表面波浪形組織結(jié)構(gòu)不銹鋼管的縱向解剖試樣的顯微金相組織進行的觀察表明,甚至當黏結(jié)區(qū)的絕對尺寸并不大（1~2mm)時，也會導致金屬與工具間周期性接觸的特點，而此足以使擠壓力增高。而當?shù)退苄圆牧蠑D壓的情況下，例如離心鑄造的Cr18Ni10Ti和0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti,即會出現(xiàn)橫向拉裂。在各種單位壓力的作用下，潤滑劑黏度的正確選擇能確保潤滑薄膜的致密性，使擠壓不銹鋼管具有直線成行的加工流線型金屬結(jié)構(gòu)。金屬纖維的平行分布說明，變形金屬與工具交界處的位移變形在潤滑劑層內(nèi)是帶區(qū)域性的，并不波及不銹鋼管的深處。其相應于擠壓力的最低點，因為潤滑劑的黏度會產(chǎn)生運動阻力，并且黏度越低，黏度產(chǎn)生的黏性阻力越小。
但是，潤滑劑黏度的降低存在著某一個界限，因為潤滑劑對于擠壓的阻力在擠壓過程中會減小，結(jié)果導致摩擦表面相互靠近。如果擠壓不銹鋼管和模具之間的最短距離是指以表面的凹凸不平度相比而言，則其潤滑的液態(tài)制度會被破壞。由此，潤滑劑的黏度對于阻止摩擦表面靠近的阻力應該是足夠的。潤滑劑黏度增大到一定的限度時，并不會改變制品表面層的金屬組織，但是會導致擠壓力成比例地增長。潤滑劑黏度的提高是在潤滑層位移阻力達到，形金屬內(nèi)位移阻力數(shù)值時才受到限制。這與母體金屬開始形成環(huán)狀傷痕相關(guān)，也是導致不銹鋼管表面的折疊料劃傷缺陷的原因。在這種條件下，擠壓力大大增加。
擠壓 57mm×7.5mm、63.5mm×5mm、76m×3mm、60mm×3.5mm不銹鋼管時，擠壓力與玻璃潤滑劑黏度相關(guān)的試驗曲線的特點得到了證實。
由圖4-3可知，擠壓力的關(guān)系曲線有兩個相應于最低值和最高值的轉(zhuǎn)折點。隨著玻璃潤滑劑黏度的增大，擠壓力開始增長，然后減小，在此以后又增長。尤其是對大的變形系數(shù)時此特點更加明顯，且此曲線上的轉(zhuǎn)折點隨著伸長率的增加，向玻璃潤滑劑黏度增大一側(cè)移動。
通過對不銹鋼管微觀組織的分析可以看出各曲線相似的特點。因而，對擠壓力的數(shù)值具有影響的是潤滑膜的強度，也即對摩擦表面屏幕化的程度。當潤滑膜的強度不足時，隨著玻璃潤滑劑黏度的增加，擠壓力增大。
隨著黏度的增加，潤滑膜的強度提高，雙相不銹鋼管表面與工具接觸的可能性減少，擠壓力隨之減小。但隨著潤滑劑黏度的增加，擠壓力的減小不可能是無限的。其最低值對應潤滑劑保持摩擦表面充分屏幕化的條件。潤滑劑黏度的進一步提高，相應于流體動力學理論的原則會導致擠壓力的增長。
較高的變形系數(shù)也取決于較大的單位擠壓力。因此，滑動表面的充分屏幕化在利用高黏度的玻璃潤滑劑時，才能得到保障。
分析碳素鋼管擠壓時，擠壓力的參數(shù)表明，擠壓力的最低值相應于使用小黏度的玻璃潤滑劑，因為碳素鋼管擠壓時比不銹鋼管擠壓時的單位壓力低將近一倍半，因此，其潤滑劑潤滑膜的強度在所研究的黏度范圍內(nèi)是足夠的。而為了使用黏度為70Pa·s的玻璃潤滑劑時，在保持較薄的潤滑膜的條件下，也能獲得較好的鋼管表面質(zhì)量。
當擠壓低塑性的鋼種時，采用最佳黏度值的玻璃潤滑劑具有特別重要的意義。潤滑劑最佳參數(shù)的偏差都會導致擠壓雙相不銹鋼管出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。因此，獲得低塑性質(zhì)鋼管的前提之一是采用能保證在橫斷面內(nèi)金屬均勻流動的潤劑。即是采用的保證在斷面內(nèi)，前提是使用最佳黏度的玻璃潤滑劑和將壞料中的α相鐵素體含量控制在足夠低的水平。
同時對Cr18Ni10Ti和0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti不銹鋼管擠壓采用離心澆注坯和軋坯進行了比較，軋坯的塑性指標要比離心澆注坯高3倍。結(jié)果表明，離心澆注坯擠壓時，金屬外層流動不均勻，并且由于α相含量過高，導致雙相不銹鋼管表明拉裂，而當正確的選擇玻璃潤滑劑時，能夠獲得直線成條的金屬微觀顯微組織的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。
不銹鋼管縱向解剖試樣的金相觀察表明，當潤滑劑不適當時，α相以波紋狀層次存在，而且，裂紋的端部為α相成條狀分布(圖 4-4）。
由圖 4-4 可以看出，輕微變形的，處于波谷的被擠壓的金屬，局部的黏結(jié)到工具上。當受阻的金屬粒子繞過局部的黏結(jié)區(qū)流動時，在金屬中產(chǎn)生了局部的破碎應力導致不銹鋼管表面裂紋的形成。
從上述擠壓不銹鋼管表面裂紋形成的機理可以看出，擠壓鋼管表面裂紋的形成與擠壓坯料的狀態(tài)有關(guān)。當擠壓不銹鋼管缺陷處的α相分布鑄態(tài)金屬時過低的塑性和過高的α相含量能導致缺陷的形成（圖 3-10b ），而擠壓較高塑性的軋制坯料時，在同樣的金屬流動條件下沒有裂紋形成(圖 3-10a)。因此，從液體動力學理論的觀點來分析擠壓雙相不銹鋼管的結(jié)果指出，擠壓效果僅在摩擦表面充分屏幕化的條件下才有意義。當沒有液態(tài)動力摩擦制度時，黏度不是決定潤滑劑效果的因素，而金屬與工具實際的接觸面積成為其主要的特性因素。
試驗和理論研究表明，潤滑膜的強度主要決定于單位擠壓力，所使用的玻璃潤滑劑的黏度、金屬的流動速度和模具的形狀。
當采用硅酸鹽類潤滑劑時，擠壓不銹鋼管具有特點的表面缺陷之一是“斑痕”－可觀察到的不平度和微小的斜棱。“斑痕”發(fā)展的程度主要取決于變形區(qū)內(nèi)熔化潤滑劑的數(shù)量。
在液態(tài)潤滑制度下，不銹鋼管表面質(zhì)量的改變與潤滑層的變化有關(guān)。這種現(xiàn)象在于，處于工具和變形體之間的潤滑介質(zhì)的作用下，實現(xiàn)塑性變形。由于潤滑介質(zhì)本身的不可壓縮性，而將實現(xiàn)塑性變形所需要的壓力傳遞給變形體。綜合結(jié)晶力學性能的各自異性，該壓力會導致斑痕的形成。由于多晶體受外力系的作用，則塑性變形不是同時所有的晶粒內(nèi)開始。首先其在滑移平面方位取向最有利的晶粒內(nèi)發(fā)生。
如上所述，可以設(shè)定，由不同取向的品粒成的多晶體的受壓變形圖如圖 4-5 所示。
可能的滑移平面與圖面相交在每一個晶粒內(nèi)部，以斜線表示。在與受力方向呈45°布置的滑移面中的晶粒（品粒Ⅰ)中首先建立滑移塑性變形條件，因為在這些平面內(nèi)切向應力達到最大值。在與受力方向垂直和平行的滑移面附近的品粒（晶粒Ⅱ和Ⅲ）中塑性變形的條件不存在，因為在這些平面內(nèi)的切應力等于0。具有滑移面過渡取向的晶粒同樣將沒有塑性變形。由于晶粒I開始塑性變形的結(jié)果，而其余晶粒將引起彈性變形。
當無潤滑劑變形時，晶粒的相互影響會消除其過早的變形。而當帶潤滑劑變形時，則變形情況可能取決于潤滑層的厚度?？拷鼭櫥瑢拥膫€別晶粒的選擇性變形的程度取決于晶粒的類型，即滑移系的數(shù)目。
多相合金的選擇性變形幾率更大，因為這類合金的結(jié)晶不僅區(qū)別于取向，而且還區(qū)別于化學組成以及強度特性，而且時常區(qū)別于晶間結(jié)合力的強弱。如前所述，潤滑劑密實性未遭破壞時，將不均勻地被擠壓進塑性金屬，在其表面上形成與薄膜厚度成比例的印痕。因此，潤滑膜的厚度應該是最薄的。這可以借助于提高潤滑劑的黏度，或者靠提高擠壓速度來減少金屬與潤滑墊接觸的持續(xù)時間來達到。在許多情況下，這取決于潤滑劑與金屬的熱物理性能，以及其間的熱交換條件。而擠壓結(jié)果在實際上并不取決于玻璃潤滑劑的化學成分，僅要求其在擠壓過程中不會引起黏度值的改變。采用同樣的黏度值，而具有不同化學成分的玻璃潤滑劑擠壓后，得到相應于大致相同的鋼管表面上的微觀凹凸不平度和條狀微觀組織的彎曲程度。
擠壓不銹鋼管表面上的“水紋”來源于坯料在擠壓筒內(nèi)鐓粗時，車削刀痕形成的微小疊痕。疊痕特別明顯地表現(xiàn)在擠壓模的圓錐形部分。從擠壓模擠出的不銹鋼管在?？谔幣髁媳砻骈_始劇烈地伸長，疊痕被拉長，并取決于其原始深度，在不銹鋼管表面上以“水紋”的形式留下痕跡。當潤滑劑熔化的薄膜越厚時，疊痕也越大，并在通過模子后變得平滑，在管子表面形成更粗的水紋。采用合乎要求的潤滑劑，當黏度系數(shù)n=70Pa·8時，可以很大程度地減輕上述缺陷形成的機理作用 （圖 4-7）。
曾經(jīng)采用表面粗糙度R.=2.5~5μm(V5)的離心鑄造管坯擠壓成管子后，檢查其表面質(zhì)量，結(jié)果由于不銹鋼管表面粗糙度和疊痕嚴重而報廢。對于擠壓管坯金屬的試驗研究表明，鑄坯具有相對于坯料的軸心徑向取向的粗大樹枝狀奧氏體柱狀晶的獨特結(jié)構(gòu)，導致其在變形時對金屬流動產(chǎn)生很大的影響。
軋坯圓柱形試樣鐓粗之后擁有表面光滑正確的鼓形試樣（圖 4-8 a）。鑄坯圓柱形試樣鐓粗之后則具有中心樹枝狀奧氏體拉長的橢圓形狀。在鑄造金屬的側(cè)面，得帶微小疊痕的粗糙表面當變形程度提高時，疊痕擴大。
上述軋坯和離心鑄坯的鐓粗試驗結(jié)果可以揭示離心鑄坯擠壓時，形成制品表面粗糙的原因。
鑄態(tài)金屬化學成分的不均勻性和粗晶結(jié)構(gòu)引起金屬微觀組織的不均勻性，導致其力學性能的不均勻。在鐓粗過程中，金屬充滿擠壓筒時，導致管坯表面粗糙。坯料表面的粗糙度不取決于玻璃潤滑劑的選擇。擠壓前空心坯表面的粗糙同樣會惡化鋼管的表面質(zhì)量。
鐓粗過程中較小的鐓鍛比可減小鐓粗后空心坯的表面粗糙程度。
當擠壓鑄態(tài)金屬時，采用具有更薄潤滑膜的結(jié)晶型潤滑劑取代玻璃潤滑劑以取得較好的效果。擠壓鋼管表面的最普遍的缺陷是斑痕和劃傷，其產(chǎn)生是由于對擠壓過程參數(shù)中玻璃潤滑劑黏度的選擇不當造成的。同樣，如坯料前端棱角倒圓半徑不足，會導致由于擠壓時校緣過冷，在擠壓模旁出現(xiàn)停滯區(qū)，并將其拉入變形區(qū)內(nèi)而導致鋼管表面拉痕缺陷。
為了獲得良好的不銹鋼管內(nèi)表面質(zhì)量，必須使用較小粒度（0.4mm以下）的玻璃潤滑劑，但對于帶通制冷卻芯體和金屬變形高流速的擠壓工序，雖然其對鋼管內(nèi)表面有導致刮傷和氣孔缺陷的危險，其潤滑的原始參數(shù)可不必像玻璃墊那樣選擇在潤滑層內(nèi)具有溫度區(qū)別的雙層擠壓玻璃潤滑墊。
為了獲得優(yōu)良的鋼管內(nèi)表面，在擠壓前向管坯內(nèi)孔精確地計量和均勻地供給潤滑劑具有很大的意義。
一般向管坯內(nèi)孔供給玻璃潤滑劑粉末的分量借助于半圓形長勺盛滿玻璃潤滑劑粉未后伸入并傾倒在坯料內(nèi)孔內(nèi)，然后通過坯料在鋪滿玻璃粉的斜臺板上滾動或在一個旋轉(zhuǎn)的裝滿玻璃粉的布料裝置下轉(zhuǎn)動時，玻璃潤滑劑即均勻地分布并熔化在內(nèi)孔表面上。
當送入到坯料內(nèi)孔的玻璃潤滑劑不能做到均勻地覆蓋在坯料的內(nèi)表面時，就會導致管材內(nèi)表面的一側(cè)由于潤滑劑過量而引起擠壓鋼管內(nèi)表面產(chǎn)生氣泡和巨大的斑痕缺陷。而另一側(cè)則因為潤滑劑的不足而出現(xiàn)劃傷帶。為了避免上述缺陷的產(chǎn)生，必須根據(jù)擠壓鋼管的不同規(guī)格，采用不同尺寸的送粉長勺，控制送入管坯內(nèi)孔的玻璃潤滑劑數(shù)量。
控制對不同規(guī)格鋼管擠壓坯料內(nèi)孔的布粉數(shù)量，建議通過以下經(jīng)驗公式計算送粉半圓形長勺的直徑：
潤滑劑的噴涂均勻度還取決于磨碎程度（玻璃粉的粒度）。粉塵狀的潤滑劑（顆粒直徑小于0.1mm)沿管坯內(nèi)表面分布的均勻程度要比粗粉差一些。當采用玻璃粉的粒度為0.25~0.40mm 時，能得到最佳內(nèi)表面質(zhì)量的擠壓不銹鋼管。
非常重要的一點是，要采用內(nèi)孔直徑不超過擠壓芯棒直徑5~7mm的空心管坯。否則在鐓粗時，潤滑墊的材料會擠入管坯和芯棒之間的縫隙，而導致擠壓鋼管內(nèi)壁的氣孔和刮傷缺陷。并且，隨著管坯和芯棒間縫隙的增大，不銹鋼管內(nèi)表面缺陷的數(shù)量和范圍增加。當采用爐渣和結(jié)晶型潤滑劑制作潤滑墊時，這一點尤為重要。嚴格地講，這類潤滑劑不適合管坯內(nèi)表面的潤滑。
此外，當滾涂玻璃粉時，如在坯料外表面上聚集厚厚的一層玻璃粉，將會導致擠壓鋼管外表面嚴重的“樺樹皮痕”缺陷。為了消除這一缺陷，曾研究使用天然礦物質(zhì)作為潤滑劑，促使其形成薄薄的一層潤滑膜，而無需復雜地修補失去連續(xù)性的坯料表面潤滑層。
對各種礦物質(zhì)黏度及熱物理參數(shù)的研究表明，在1150~1250℃溫度范圍內(nèi)，用于坯料外表面滾粉的在每硼石和硅鈣硼石一鈣鐵輝石一石榴石完全符合潤滑劑的要求。而采用這類潤滑劑的實際效果在于潤滑劑能均勻地滾涂到環(huán)料的外表面。但操作時，粗糙地撒粉到斜滾板上，引起在坯料上玻璃層薄的地方先熔化而成斑點覆蓋在其表面上。穿孔或擠壓時，變形區(qū)的潤滑膜失去連續(xù)性，不僅導致空心坯和擠壓鋼管的內(nèi)表面缺陷，而且引起管坯和鋼管的壁厚不均，同時也降低了穿孔筒和擠壓筒內(nèi)襯的使用壽命。只有均勻地滾涂潤滑劑時，才能滿足穿孔和擠壓對潤滑劑的工藝要求。
在擠壓時，擠壓筒內(nèi)襯的直徑對于擠壓坯料表面潤滑用的潤滑墊的致密度的要求具有重要意義。使用結(jié)晶型潤滑劑和使用玻璃潤滑劑的情況不同。結(jié)品型潤滑劑在使用時，其和高溫坯料接觸后沒有逐漸軟化的過程，而是當其表面層達到熔化國度時，瞬時地熔化。并且熔融態(tài)的結(jié)晶型潤滑劑具有很低的黏度。一般認為，在高溫下潤滑劑的低黏度會導致高壓下擠壓時的不良效果。
但正是由于這類潤滑劑在擠壓時迅速地由固態(tài)過渡到液態(tài)，以及當溫度降低時又迅速地由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的特性，使擠壓鋼管的質(zhì)量得到了改善，消除了不銹鋼管上的裂紋缺陷。這是由于當潤滑劑的表層達到熔化溫度時，即瞬時的熔化并由被擠出的金屬帶出模孔，均勻地覆蓋在鋼管表面上，在擠壓模的出口處已不存在潤滑墊，而熔化的覆蓋在制品表面上的潤滑劑薄膜與冷態(tài)的工具相接觸，并迅速地凝結(jié)成極薄的制品表面覆蓋層，急劇地提高了潤滑層的屏幕特性。雖然結(jié)晶型潤滑劑的熔化溫度有很大的差別，而對得到的無裂紋缺陷的不銹鋼管來看其潤滑層的強度已是足夠的了。
結(jié)晶型潤滑劑對于擠壓不銹鋼管表面質(zhì)量具有的較實質(zhì)性的影響的是潤滑劑的數(shù)量。當潤滑劑的熔化溫度與擠壓過程溫度相適應時，獲得了最佳結(jié)果。即潤滑劑的熔化溫度與擠壓過程坯料金屬溫度之差取決于變形材料，其最佳值應為80~150℃.當上述溫差增大時，會導致鋼管表面質(zhì)量惡化，這可在采用低黏度的玻璃潤滑劑時能觀察到。而當該溫差減小時會導致劃傷缺陷。
曾采用高爐爐渣來制作在1150~1200℃溫度范圍內(nèi)使用的潤滑墊。但高爐爐渣的潤滑機理與玻璃和結(jié)晶型潤滑劑相比較的主要區(qū)別在于，高爐爐渣的熔化溫度高達1280~1320℃,相應的擠壓溫度為1180~1200℃。
從?；母郀t爐渣加熱時的放熱效應（圖 4-9）可以看出，在實驗室爐內(nèi)慢速加熱時爐溫和渣溫的變化特點在850~950℃溫度下，爐渣發(fā)生玻璃狀成分的再結(jié)晶和使?jié)櫥瑒┭a充加熱的放熱反應。
在850~950℃溫度下，預焙燒過的爐渣無放熱效應。高爐爐渣的潤滑作用是當潤滑墊的表面與變形金屬接觸時被加熱到接近金屬變形時的溫度。而同時發(fā)生的再結(jié)晶放熱反應，導致潤滑墊的表層溫度提高到1300~1320℃,在此溫度下，潤滑墊表面熔化，并使拼壓過程正常地進行。
應該指出，使用在950℃下專門焙燒的高爐爐渣潤滑墊時，由于爐渣來不及熔化，擠壓不銹鋼管表面出現(xiàn)嚴重的擦傷?？梢姼郀t爐渣與熱環(huán)料緊密接時，在爐渣再結(jié)晶的放熱效應和變形熱的同時作用下才會有效。而當沒有放熱效應或無變形熱的情況下，達不到爐渣熔化所需要的溫度時，也起不到潤滑劑的作用。因為爐渣再結(jié)晶熱在變形開始前來不及傳遞開，所以爐渣作為不銹鋼管坯內(nèi)表面的潤滑劑是不合適的。
