纯钛挤压管坯内孔铜包套破裂成因分析及预防措施.pdf

纯钛挤压管坯内孔铜包套破裂成因分析及预防措施纯钛挤压管坯内孑Ｌ铜包套破裂成因分析及预防措施ＦａｃｔｏｒｓＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｖｅＭｅａｓｕｒｅｓｏｆＰｕｒｅＴｉｔａｎｉｕｍＴｕｂｅＢｌａｎｋＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｐｐｅｒＣａｎｎｉｎｇＣｒａｃｋｉｎｇ谢狲博，王成长，朱梅生，马建明，陈贵曾，晁鸿涛（西北有色金属研究院稀有金属材料加工国家工程中心，西安７１００１６）————ＸＩＥＣｈｏｎｇｂｏ，ＷＡＮＧＣｈｅｎｇｚｈａｎｇ，ＺＨＵＭｅｉｓｈｅｎｇ，ＭＡＪｉａｎｍｉｎｇ，——ＣＨＥＮＧｕｉｚｅｎｇ，ＣＨＡＯＨｏｎｇｔａｏ（ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｒｅｆｏｒＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，’ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ。Ｘｉａｎ７１００１６．Ｃｈｉｎａ）摘要：针对纯钛挤压管坯内孔铜包套破裂现象，通过金相、能谱及ＸＲＤ分析对破裂铜包套表面的第二相进行了成分、物相和成因分析。结果表明：铜包套和纯钛锭坯相接触表面的第二相是ＣｕＴｉ；包套破裂的主要原因是挤压比增大（从１４．２提高到２２．９）引起摩擦热和变形热增大，原半流体油基润滑剂的润滑效果不良，导致铜包套和纯钛管坯局部温度升℃高（＞８５０），并在短时间内（＜１Ｏｓ）发生Ｔｉ－Ｃｕ反应，导致铜包套撕裂脱落。通过实验确定了预防铜包套破裂的关键措施。关键词：纯钛管坯；挤压；铜包套中图分类号：ＴＧ３７９文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１２）０９０００１０６—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｐｐｅｒｃａｎｎｉｎｇｄｕｒｉｎｇｐｕｒｅｔｉｔａｎｉｕｍｔｕｂｅｂｌａｎｋｅｘｔｒｕｄｉｎｇｗａｓｓｔｕｄｌｅｄ．ＴｈｅｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅｏｎｔｈｅｃｒａｃｋｅｄｃｏｐｐｅｒｃａｎｎｉｎｇｓｕｒｆａｃｅＷ３Ｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｅｔａ１ｌｏｇｒａｐｈｙ，ｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄＸＲＤ．Ｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｃｏｐｐｅｒｃａｎｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇｗａｓａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓｏｎｔｈｅｃｏｐｐｅｒｃａｎｎｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｗｈｉｃｈｃｏｎｔａｃｔｔｏｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｓｕｒｆａｃｅｏｆｐｕｒｅｔｉｔａｎｉｕｍｅｘｔｒｕｄｅｄｔｕｂｅｂｌａｎｋａｒｅＣｕ３Ｔｉ．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｈｅａｔ——ｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｗｈｅｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｒａｔｉｏｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｏｉｌｂａｓｅｌｕｂｒｉｃａｎｔ，ｔｈｅｔｉ—ｔａｎｉｕｍｒｅａｃｔｓｗｉｔｈｃｏｐｐｅｒｔＯｙｉｅｌｄＣｕ３Ｔｉｗｉｔｈｉｎ１０ｓｄｕｅｔｏｔｈｅｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（￣８５Ｏ￣Ｃ），ｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｐｐｅｒｃａｎｎｉｎｇ．Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏａｖｏｉｄｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｃａｎｎｉｎｇｃｒａｃｋｉｎｇａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｐｉｔｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｒｅｔｉｔａｎｉｕｍｔｕｂｅｂｌａｎｋ；ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ｃｏｐｐｅｒｃａｎｎｉｎｇ工业纯钛具有优异的耐蚀性能，其各种规格的无缝管材在航空、航天、化工、石油、原子能发电、海水淡化、建筑等行业中得到广泛应用］。热挤压是纯钛无缝管材生产中的重要工序。由于钛比钢铁材料加工性差，所以热挤压生产中通常采用紫铜包套＋油基石墨进行润滑］。紫铜包套能减少锭坯的氧化和污染，并能阻止金属钛粘接挤压模具。紫铜包套在挤压后采用酸洗容易去除，酸液中的铜还可以回收利用，因此该工艺在国内得到广泛应用。西北有色金属研究院工程中心的１６．３ＭＮ双动卧式油挤压机自２００６年安装调试后，采用＋１２０ｍｍ挤压筒生产￣４５ｒａｍ×６ｍｍ纯钛管坯５００多吨，挤压后铜包套壁厚均匀变薄为１Ｏ～２０ａｍ，并和钛管坯紧密贴合，完全包覆钛管坯内外表面，酸洗后钛管坯内外表面质量良好。为了提高产品成材率和生产效率，从２００８年开始采用ｌ５０ｍｍ挤压筒生产￣４５ｍｍ×６ｍｍ纯钛管坯，使挤压比从１４．２提高到２２．９。生产中发现管坯内孔铜包套在挤压后破裂脱落严重。管坯酸洗后内表面出现大量点状和条形凹坑缺陷，严重者深度可达０．４ｍｍ以上，如图１所示。较深的凹坑通过轧制不能消除，导致大量管坯报废。在内孔铜包套破裂脱落的同时还伴有挤压针粘铜粘钛、闷车和压余超标等质量问题发生。本工作以挤压过程中破裂脱落的铜包套为主线，通过金相、能谱及ＸＲＤ分析对破裂铜包套表面银白色异物进纯钛挤压管坯内孔铜包套破裂成因分析及预防措施５２．３挤压过程中铜包套破裂的原因分析及预防措施—℃—ＴｉＣｕ的最低共晶温度为８５０，远低于ＴｉＦｅ的℃最低共晶温度１０８５，因此在温度上升的过程中当局℃部的温升超过８５０时纯钛锭坯和紫铜包套优先发生——ＴｉＣｕ液相反应。在ＴｉＣｕ反应最强处和摩擦力最大处铜包套就很容易被撕裂，拉断的包套边缘接触到高温的油基润滑剂和空气，污染后呈现出氧化色，其余部位由于液相反应产物的存在使油基润滑剂和空气难以进入，呈现出银白色。３改进措施及实验验证３．Ｉ改进措施３．１．１降低挤压速率减少变形热原挤压速率为１３０～１５０ｍｍ／ｓ，而资料中对于钛及其合金由于其导热性差，变形热效应又大，当采用过高的速率进行挤压时可能使制品表面质量和性能劣化，因此推荐采用５Ｏ～１２０ｍｍ／ｓ的速率进行挤压。本工作拟采用５Ｏ～５５ｍｍ／ｓ的挤压速率进行实验。３．１．２改善润滑条件减少摩擦热由于钛、锆及其合金在挤压过程中有强烈黏结工具的倾向，因此正确选用润滑剂就显得非常重要。对热挤压润滑剂的要求如下：在使用温度下摩擦因数小，附着能力强，高压下摩擦表面保留一定厚度的润滑层而不被挤掉；隔热性好，能防止金属温降过快和工具过热；挤压后易去除；无公害］。稀有金属钛及其合金管坯挤压润滑普遍采用半流体油基润滑剂］。目前采用的油基润滑剂主要组分为３Ｏ～４ＯＶ００（质量分数，下同）石墨＋汽缸油或耐热脂，其中石墨的体积分数为１５～２５，其余为汽缸油或耐热脂。石墨是一种优良的固体润滑剂，摩擦因数较大，通常为０．０５～０．１９，其黏结膜最大可承受７０ＭＰａ的负荷，在空气中短时间使用的最高温度可达℃１０００＿】。汽缸油和耐热脂闪点低，耐压性差，一般用作固体润滑剂的黏合剂，虽然仅起粘接作用，但涂抹℃在３００￣４００的挤压筒、模和针表面会发生不完全燃烧，产生大量有害烟雾。采用４１５０ｍｍ挤压筒挤压￣４５ｍｍ×６ｍｍ纯钛管坯导致挤压比大幅增加，挤压力也随之增大，管坯内表面与挤压针表面的摩擦力也大幅增高，需要解决更苛刻条件下的润滑问题。由于挤压时挤压锭坯和挤压针之间的间隙很小（一般为０．２～０．５ｍｍ），而油基润滑剂中石墨的体积分数仅为１５～２５，约相当于０．Ｏ３～Ｏ．１２５ｒａｍ的石墨润滑膜，加之基体油在高温下变稀被挤出，实际的润滑膜层很薄，加上挤压针难以避免的轻微弯曲变形使局部的油基润滑膜更薄，导致润滑效果不能满足要求。文献表明＿ｇ］通过改善润滑条件可以进一步提高挤压比。本工作拟采用一种水基润滑剂口替代现有的油基润滑剂进行实验。每次挤压前用喷枪快速均匀喷涂在预热的挤压针表面，其中的水分在冷却挤压针的过程中迅速蒸发。在几秒钟内其中的固体组分就在工模具表面形成一层致密、连续的混合固体润滑剂膜，在同等条件下，引入的润滑剂数量是油基润滑剂的４～６．７倍，有望大幅改善润滑条件。为了降低摩擦力，该水基润滑剂中含有一定比例的ＭｏＳ。和石墨相比，ＭｏＳ的摩擦因数小，为０．０６左右，与金属表面的结合力很强，能形成一层很牢固的膜，２．５ｍ厚的薄膜能承受２８００ＭＰａ以上的接触压力，同时能承受住４０ｍ／ｓ的摩擦速率，但在大气中，当温度升至３５０～℃４００时即发生氧化，生成硬质颗粒，附着于摩擦表面℃成为磨粒，尤其当温度高于５６０时，其氧化作用急剧进行，使润滑性能明显变差＿１。但钛管坯挤压生产中单个挤压过程在１０ｓ之内，实验发现在此过程中ＭｏＳ仍能起到良好的改善润滑作用口。该水基润滑剂综合了石墨的廉价性、成膜牢固性、耐温性和ＭｏＳ的低摩擦性、耐压性、耐高摩擦速率性，采用固体润滑膜替代半流体润滑膜，最大限度地引人固体润滑剂，使其在挤压锭坯与挤压针之间连续延展，降低两者间的摩擦力。３．２实验验证３．２．１降低挤压速率减少变形热采用５０～５５ｍｍ／ｓ的挤压速率进行挤压实验未能改善铜包套破裂现象，实验结果表明降低挤压速率虽然能减少变形热，但不能阻止Ｔｉ－Ｃｕ反应和铜包套破裂。３．２．２改善润滑条件减少摩擦热将水基润滑剂（８石墨＋１４ＭｏＳ＋粘接剂和水）喷涂在预热的挤压针表面，挤压后铜包套和钛管坯内表面紧密贴合，内包套表面光滑，并完全包覆钛管坯内表面（图１１），内包套破损、挤压针粘铜粘钛、闷车和压余超标等质量问题一并消失，酸洗后钛管坯内表面质量良好，无凹坑缺陷。图１２为采用水基润滑剂润滑挤压针的挤压力曲线，和图１０比较可以看出它有正常的镦粗阶段，挤压过程中挤压力平稳，这是润滑良好的表现。实验表明改善—润滑是防止ＴｉＣｕ反应和铜包套破裂的关键措施。经过一年多的生产考核，共采用４１５０ｍｍ挤压筒生产￣４５ｍｍｘ６ｍｍ纯钛管坯２００余吨，产品质量稳定，内铜包套包覆完好率达１００。