1、9.59.5等温成形时的润滑等温成形时的润滑1.等温成形润滑剂的条件等温成形润滑剂的条件 等温成形用润滑剂润滑剂应该满足以下要求：具有良好的成膜性、保证产品易于出模具有良好的成膜性、保证产品易于出模 在整个变形过程中，所采用的润滑剂能在模具与坯料之间形成连续的润滑薄膜，并具有较小的摩擦系数，由此可以降低变形力，使坯料的变形更加均匀。膜厚不一定相同，但需要起到分离模具与坯料表面的作用，防止粘模现象的发生，保证产品易于出模，避免模具损耗，提高产品表面质量。第第9 9章章 金属等温成形金属等温成形 防止坯料氧化防止坯料氧化 良好的润滑剂可以降低甚至防止坯料在成形过程中和成形前加热时的氧化现象，获得表
2、面质量高的等温成形产品。具有良好的绝热性能具有良好的绝热性能 为了减少热毛坯从加热炉中取出移到模具过程中的热量消耗，所选用的润滑剂应具有良好的绝热性能。不与模具和坯料发生化学反应不与模具和坯料发生化学反应 在成形过程中和成形前加热时。润滑剂不能与模具和坯料发生化学反应，否则会影响模具的使用寿命以及成形件的表面质量和使用性能。易于涂敷和除去易于涂敷和除去 为了适应机械化、自动化等温成形的要求，所选用的润滑剂应具有易于涂敷和方便除去的特点。便于贮存及性能稳定便于贮存及性能稳定 润滑剂在贮存与使用过程中，应具有性能稳定、无毒，不受环境温度、氧化、微生物的影响，符合环保要求。价格低廉、货源广价格低廉、
3、货源广 等温成形所选用的润滑剂应满足价格低廉、货源广的要求，这是工业化生产所必须考虑的一个现实问题。2.等温成形常用润滑剂等温成形常用润滑剂 模具润滑是等温成形工艺成败的关键因素之一。根据镦粗试验估计，铝合金成形时所采用的各类润滑剂的摩擦系数大致在0.060.24之间。而不使用润滑剂时的摩擦系数为0.48左右。使用润滑剂可以改善金属流动特性，避免粘模，减少成形件表面缺陷，并可使成形所需要的压力降低。对于等温成形来说，通常变形速度较低，坯料与模具接触时间较长，模具润滑显得格外重要。目前等温成形使用的润滑剂还不像常温成形润滑剂那样成熟，常用润滑剂的主要成分如表9-5所示，有石墨石墨、二硫化钼二硫化
4、钼(MoS2)、聚四氟乙烯聚四氟乙烯、氮化硼氮化硼(BN)、氧化铅氧化铅(PbO)以及玻璃玻璃等。石墨石墨 石墨的润滑作用是由其六方晶系层状晶体结构六方晶系层状晶体结构决定的。在石墨晶体中，层与层之间碳原子的结合力较弱，因而容易滑动。但是，处于同一平面层内的相邻碳原子之间结合力较强，极难破坏，因而石墨的熔点很高，化学性质也很稳定，几乎不受所有有机溶剂，腐蚀性化学药品的侵蚀，还具有不受很多熔融金属或熔融玻璃浸滑的特点。因此，石墨与水、溶剂、油脂、橡胶、树脂以及某些金属混合时不会失去其原有的特性。作为润滑剂使用，石墨在室温时的摩擦系数为0.110.19，摩擦系数随温度的变化如图9-16所示。从图中
5、可以看出，石墨在538时，摩擦系数急剧增大。这是由于在538时与空气中的氧形成了CO2并开始逸散，使润滑性能降低的缘故。为了防止石墨在538时的氧化，可以加人氧化磷或硼化物，则在300700范围内，可保持良好的润滑效果。低熔点的铝合金铝合金和镁合金镁合金等温成形时所采用的润滑剂的主要成分是石墨，也可以在胶体悬浮液中添加一些有机的或无机的化合物，以获得更好的润滑效果。石墨润滑剂的载体载体是矿物油矿物油或水水。石墨与机油按1.5：l比例配成，可以在500600温度下使用。但是油剂石墨润滑剂容易燃烧或产生烟雾，所以通常采用胶体或半胶体的水溶性石墨。石墨系列的润滑剂虽然操作上安全些，但残留的润滑剂难以
6、去除，且质点嵌人坯料表面会形成污点、点蚀等，同时也会使工作条件恶化。为了去除成形件表面上的石墨，可将成形件放人1520铬酸和5NaNO3的水溶液中浸泡13min，或用喷砂法去除。二硫化钼二硫化钼 二硫化钼在金属表面的黏着强度比石墨高，是应用比较广泛的润滑材料。二硫化钼具有黑灰色美丽光泽，与石墨一样具有六方晶系层状结构。二硫化钼摩擦系数随温度的变化如图9-16所示。在约350以上时，有一部分二硫化钼开始氧化成三氧化钼(MoO3)，使摩擦系数增大。在二硫化钼没有完全变成MoO3期间，仍保持一定的润滑性能。MoO3在760开始蒸发，因此，在较高的温度(400以上)，其润滑性能不如石墨。在二硫化钼中加
7、人防氧化剂氧化硼氧化硼作为黏结剂，则在300700范围内，挤压碳钢碳钢、低合金钢低合金钢以及不锈钢不锈钢时，能够保持良好的润滑效果。但是，高镍合金对硫的渗透是十分敏感的，在挤压时，即使少量的硫也会引起晶间破坏。聚四氟乙烯聚四氟乙烯 聚四氟乙烯是四氟乙烯(C2F4)的聚合体，是一种热塑性塑料。作为润滑剂使用，四氟乙烯只是单纯地使两种金属隔离开来，其摩擦系数随温度的变化如图9-16所示。由图中司以看出，聚四氟乙烯只适合于较低温度下的成形过程只适合于较低温度下的成形过程。氮化硼氮化硼 作为润滑剂使用的氮化硼是白色的微细粉末，具有与石墨类似的六方晶系层状结构，氮化硼在700以下时具有良好的耐热性、化学
8、稳定性以及绝缘性能。大气中，氮化硼在900以下的摩擦系数为0.2，因而适合于用作高温润滑剂。但氮化硼与钢铁材料的附着性能相对较差，在应用上受到一定的限制。氧化铅氧化铅 氧化铅熔点888，在室温时比一般润滑剂的摩擦系数高，在538以上时，摩擦系数低，润滑性能比较好。在370480时，氧化成Pb3O4，使润滑效果降低。在538时，Pb3O4又变为PbO，使其润滑性能得到恢复，在300600温度范围内，摩擦系数为0.30.15。PbO虽然具有较好的润滑性能，但有毒，在使用时应给予注意。玻璃玻璃 玻璃润滑剂是高熔点金属与合金高熔点金属与合金等温成形常用的润滑剂。玻璃润滑剂只有在熔融状态才具有良好的润滑
9、性能。润滑剂保持最佳黏度的温度范围越宽，润滑效果越好。黏度的变化与玻璃润滑剂的组成有关。玻璃润滑剂的成分应含有SiO2、K2O、Na2O、A12O3、CaO、Li2O、B2O3、BaO、MgO、PbO等氧化物。等温成形时的最佳黏度在1.51023103Pas。玻璃润滑剂玻璃润滑剂是由玻璃粉玻璃粉、稳定剂稳定剂、固结剂固结剂以及水水组成的悬浮液。稳定剂一般采用黏土或膨润土；固结剂由水玻璃、酪素胶或亚硫酸酒精糟组成。使用时，用水进行稀释，1000g玻璃粉需加水400g。在等温成形时，通过涂敷玻璃润滑剂，可以防止金可以防止金属与周围气氛发生化学反应属与周围气氛发生化学反应，即表面氧化、吸收气体以及表
10、面合金元素的贫化等，减缓金属的氧化速度。为了将润滑剂有效地涂敷到坯料表面上，在涂敷润滑剂之前，要对坯料进行吹砂处理。将坯料加热到120150温度，可以使玻璃润滑剂涂敷到坯料上之后会立即固结，能很好地粘附到坯料表面。玻璃润滑剂的涂敷方法有多种形式：用喷雾器将玻璃润滑剂涂敷到坯料表面的喷涂方喷涂方法法；将坯料浸入悬浮液中进行浸涂的浸涂方法浸涂方法；用刷子将玻璃润滑剂涂敷到坯料表面的刷涂方法刷涂方法。采用喷涂方法虽然可以将润滑剂比较均匀的涂敷到坯料表面上，但该方法劳动条件差，润滑剂损耗大；浸涂和刷涂方法操作简单、润滑剂耗损小，但涂敷不均匀。一般润滑剂的涂层厚度小于0.25mm。在等温成形结束后，必须
11、将坯料表面上的残留玻璃润滑剂层和氧化皮清除掉。在工序之间去除残留玻璃润滑剂层和氧化皮的目的是防止其压入下一成形件中，使下一道成形获得均匀的润滑剂涂层。成形件表面可以采用机械的或化学的方法进行清理。机械清除方法有喷金属砂、氧化铝砂、石英砂、湿喷砂、喷丸清理和滚筒打光等。化学清理方法有酸洗和碱洗两种。9.6 9.6 等温成形用模具材料等温成形用模具材料1.等温成形模具材料的一般要求等温成形模具材料的一般要求 与常规热变形不同，等温成形时的模具预热温度预热温度与坯料的变形温度大致相同，是比较高的。并且，通常等温成形时的变形速度较低变形速度较低，变形时间变形时间比常规热变形时间长。等温成形的特点是：模
12、具预热温度高模具预热温度高、变形速度较低变形速度较低、变形时间长变形时间长。由于等温成形时模具是在高温长时间条件下服役，模具材料选择是非常重要的。等温成形用模具材料需要满足以下要求：在高温下具有较高的强度、硬度、韧性高温下具有较高的强度、硬度、韧性以及耐磨性耐磨性能能，并且在长期服役过程中，组织与性能热稳定性好组织与性能热稳定性好，模具不易产生变形。等温成形用模具虽然不是在周期性的温度急剧变化下服役的，但对其材料的耐热疲劳性能耐热疲劳性能也应有一定要求。等温成形时，模具往往是在较高的温度下工作，与变形坯料、空气以及润滑剂等其他介质接触，因而要求所使用的模具材料具有在高温下抗氧化性能在高温下抗氧
13、化性能与抗腐蚀性能抗腐蚀性能。为了充分发挥等温成形工艺在加工复杂形状、高尺寸精度产品的优势，所选用模具材料应具有线膨胀系散小线膨胀系散小、导热性能好导热性能好的特点。为了便于制造模具，要求等温成形用模具材料具有具有良好的可锻性良好的可锻性、可切削性可切削性、可磨削性可磨削性、可焊性可焊性以及热处理热处理变形小变形小的特点。材料来源广材料来源广、成本低廉成本低廉。2.等温成形常用模具材料等温成形常用模具材料 等温成形用模具材料的选择，主要依据等温成形件的材料种类材料种类、形状尺寸形状尺寸、工作条件工作条件以及变形温度变形温度、变形速度变形速度和所要求的尺寸精度所要求的尺寸精度等。表9-8给出了常
14、用金属材料的等温变形温度范围。（1 1）热作模具钢热作模具钢 对于铝铝、镁镁等熔点较低的金属等温成形，模具材料一般采用热作模具钢40Cr5MoSiV1、3Cr2W8V，硬度为HRC4550左右。铜合金铜合金由于变形温度较高，可以采用3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V，硬度为HRC45左右。3Cr2W8V定型较早，是最早使用的钨系热作模具钢，由于含铬量较低，使其高温下的抗氧化和抗熔融金属冲击性能仅约为高铬含量的热作模具钢的一半。当模具型腔工作温度小于小于600600时，通常采用4Cr5MoSiVl代替3Cr2W8V；当模具型腔工作温度高于高于600600时时，可采用钨钨钼系钼系或钼系钼系热作模
15、具钢4Cr3Mo3SiV、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVAl、5Cr4W2Mo2SiV等代替3Cr2W8V。（2 2）钛合金和高温合金等温成形用模具材料钛合金和高温合金等温成形用模具材料 钛合金和高温合金的等温成形温度大多在800800以上以上，由于模具工作温度较高，要求模具材料具有较高的高温强度、抗氧化性、抗热疲劳性、抗蠕变性、耐磨性、冲击韧性、淬透性以及导热性能。目前，钛合金和高温合金的等温成形模具一般采用铸造镍基高温合金镍基高温合金制造。如IN100、IN718等高温合金、MAR-M200、)KC6K、K3、K5，以及钼基难熔合金TZM等。钼基难熔合
16、金TZM在高温下极易氧化，要求在真空条件下进行锻造，使得锻造工艺和装备极为复杂，投资大，并且生产效率很低。9.7 9.7 等温成形用设备等温成形用设备 虽然等温成形可以在通用的压力机、挤压机上进行，但是，从提高生产效率，便于机械化、自动化生产的角度出发，最好使用专用等温成形设备专用等温成形设备。等温成形用设备需要满足以下基本要求：具有加热装置具有加热装置 等温成形时，需要将模具加热到坯料的变形温度，因此，等温成形用设备应配备加热装置。可以采用感应加热、电阻加热等方式预热模具。模具的固定模具的固定 等温成形设备的工作空间尺寸应能够可靠地安装模具装置，其闭合高度应能保证很方便地更换模具装置。为了充
17、分发挥等温成形工艺的近终成形的特点，应将模具牢固地安装在设备上，并且安装与调整方便。对于钛合金和高温合金的等温成形，由于变形温度较高，模具夹持器以及螺钉通常采用镍基高温合金制造，以保证模具装置在变形温度下长期工作时的性能不变。良好的热绝缘性能良好的热绝缘性能 为了提高等温成形设备的稳定性和使用寿命，等温成形设备的工作部分与加热至高温的模具之间应具有可靠的热绝缘性能。扼流型铝合金波导法兰(如图9-17所示)是微波组件中不可缺少的重要联结件，其端面具有深槽和薄筋，中心为矩形通孔，几何形状复杂，尺寸精度要求很高(0.05m)，表面粗糙度为1.52.3m以内，并且要求具有良好的焊接性能。9.8 9.8
18、 等温成形工艺的应用等温成形工艺的应用1.铝合金波导法兰的等温成形铝合金波导法兰的等温成形 由于铝合金波导法兰是标准件，需要保证零件的批量一致性，以保证互换性。采用机械加工方法生产铝合金波导法兰，需要车、铣、插以及钳修等多道加工工序，不仅材料利用率低，而且不能保证产品的批量一致性，给微波组件的调试带来相当大的难度。针对采用机械加工方法生产铝合金波导法兰时所存在的问题，并考虑到铝合金波导法兰几何形状复杂、尺寸精度要求高的特点，采用等温成形工艺代替繁杂的机械加工方法，既可以保证产品的尺寸精度，又可以实现产品的批量一致性，提高生产效率，降低成本。铝合金波导法兰等温成形的工艺参数如表9-15所示，模具
19、结构如图9-18所示。采用等温成形制造的铝合金波导法兰的尺寸偏差小于0.020.03mm，接近于冷挤压件的尺寸精度水平。2.钛合金的等温成形钛合金的等温成形 虽然钛合金重量轻，比强度高，低温韧性优异，耐腐蚀性能突出，但由于钛合金价格昂贵，因而其用途主要限于航空、航天以及化工等重要领域。对于飞机以及航天器等零部件，从减轻重量的角度出发，其几何形状往往是非常复杂的。过去在制造航空、航天用钛合金零件时，是将铸锭经锻造后切削而成的，某些复杂零件的材料利用率仅为515左右，大部分材料均因机械加共而成为废屑。同时由于钛合金的机械加工难度较大，加工费用和工具费用比其他材料高出510倍。等温成形技术以其终形终
20、形、近终形近终形的加工特点，为飞机以及航天器等钛合金零部件的成形提供了非常有效的手段。例如+型的TC4钛合金板材，在超细晶粒(约3n)，温度为900左右，应变速率约为l.310-3s-1的条件下进行单向拉伸试验，其伸长率可达1000。图9-19为采用等温成形工艺生产的火箭发动机部件、飞机舱门、火箭部件、发动机叶片等零件。3.高温合金的等温成形高温合金的等温成形 高温合金高温合金主要用于制造航空涡轮发动机热端部件和航天火箭发动机高温部件，是现代航空、航天发动机必不可少的关键材料。在航空、航天发动机中，高温合金在6001200温度、复杂应力状态下长期工作，其工作条件非常恶劣，对材料的物理、化学以及
21、力学性能的要求非常严格。所采用的高温合金必须具有足够高的耐热强度、良好的塑性、抗高温氧化和燃气腐蚀的能力以及长期组织稳定性。在航空涡轮发动机上，高温合金主要用于制造燃烧室、导向叫片、涡轮叶片和涡轮盘等零件；在火箭发动机上，高温合金主要用于制造涡轮盘、燃烧室搁板等零件。由于航空涡轮发动机和火箭发动机性能不断提高，对涡轮盘材料的要求也越来越高。因此，制作涡轮盘合金的合金元素含量也逐渐增多，随之而来的合金偏析加重，变形抗力增大，采用常规的冶金生产非常网难。即使是最小的涡轮零件来说，由于所采用的高温合金属于难变形材料，不管是锻锤还是液压机，都要采用重型昂贵的锻造设备。某些难变形高温合金在特定的条件下具
22、有超塑性，利用高温合金的超塑性，可以采用等温超塑性成形技术，加工高温合金零件，达到满足航空、航天发动机对高温合金零件的需求。普拉特-惠特尼公司(PWA)成功地开发了带叶片的等温超塑性APK1APK1合金合金(1717Co-15Co-15Cr-5Cr-5Mo-4Mo-4Al-3 5Al-3 5Ti-0.03Ti-0.03C C，余量余量NiNi)整体涡轮盘制造技术。主要的工艺方法是先将铸造高温合金在低于固溶温度下进行挤压加工，获得非常细小的晶粒，制备出超塑性材料；然后在变形温度为10001000，变形速度为5mm/min条件下进行等温成形，获得带叶片的整体涡轮盘；将成形后的整体涡轮盘进行适当的热
23、处理，可以达到涡轮盘所要求的使用性能。图9-20为带叶片的整体涡轮盘。为了避免铸造高温合金中存在的偏析等缺陷，也可以采用高温合金粉末进行成形。粉末高温合金具有以下特点：粉末高温合金颗粒细小，凝固速度较快，从而消除了合金元素的偏析，改善了高温合金的热加工性能；粉末高温合金的组织均匀，性能稳定，使高温合金材料在应用过程中的可靠性得到大幅度提高；粉末高温合金组织细小，可以显著地提高合金的中、低温强度和抗疲劳性能；粉末高温合金在一定条件下具有超塑性效应，采用等温超塑性成形粉末高温合金，可以提高材料的利用率，节约原材料。将具有微细组织的雾化粉加工成预制坯后，在超塑性条件下进行热等静压(HIP)成形。通过
24、变形使粒子结合在一起，可以获得接近于理想密度的烧结体。该方法由于可以实现在低温度、低压力条件下成形难变形材料，受到普遍关注。将通过热等静压成形所得到的坯料进行等温成形，可以制成涡轮盘或者带有叶片的涡轮盘。表9-17给出了APK1合金粉末等温成形件的力学性能。热挤压成形也是粉末材料固化的有效方法。将通过热挤压高温合金微细粉末所得到的坯料进行超塑性锻造，可以制成涡轮盘或者带有叶片的涡轮盘，这种方法被称为Gatorizing方法。该方法表明，采用2道工序就可以得到具有所要求形状的高温合金涡轮盘产品。目前，采用等温超塑性成形的IN00粉末高温合金涡轮盘已经用在F100发动机上。9.9 9.9 展展 望
25、望 等温成形技术是通过使模具与坯料在成形过程中保持同一温度来实现的，从而避免了坯料的热量损失和表面激冷。目前的研究结果表明，等温成形从理论上可以制造出任何尺寸精度高、形状复杂程度高的高质量零件，并且使零件的后续机械加工量减少，甚至达到无切削加工，提高材料，尤其是贵重材料的利用率。通过优化等温变形温度、应变速率等工艺参数，可以对金属的显微组织进行精确的控制，由此可以提高等温成形零件特定的力学性能。等温成形技术对于应变速率敏感性材料的成形有着非常好的效果。对于应变速率敏感性材料进行普通热变形加工时，由于坯料的热量损失，使应变速率难以得到有效的控制，因而成形件的尺寸精度较差。对于小型成形件或表面积与
26、体积比很大的带窄筋、薄腹板的成形件，由于薄壁处的变形温度急剧降低，使金属的塑性流动能力降低，难以充满模腔，并且会在金属死区与流变区之间的界面上有出现裂纹的可能。从实际生产的角度上看，由于等温成形所需要的变形力较低，可以采用小功率的设备进行成形，因而等温成形设备的投资要低于普通热变形加工设备。等温成形的主要成本在于模具模具，尤其是镍基高温合金模具材料及其制造上面。但是，由于等温成形是在静载荷、低压力、无交变热应力条件下工作的，模具的使用寿命高。在等温条件下，流动金属与模具之间接触面上的散热量比较小，使模具工作性能得到改善。等温成形工艺是将金属在近超塑性区域里的流变特性配合以高于超塑性变形时的应变速率下进行成形的，与其他成形技术相比，能更经济地加工产品。与普通热变形加工方法相比，等温成形时的应变速率比较低，这势必会影响到产品的生产率。但是，由于等温成形加工工序少、成形件尺寸精度高、后续机械加工量减少，甚至可以达到无切削加工，由此可以弥补应变速率低所带来的不足。等温成形在提高产品尺寸精度、提高材料的利用率、控制金属件组织、提高性能方面具有明显的优势。随着宇航工业的发展，等温成形在难难变形材料变形材料和贵重材料贵重材料以及新型材料新型材料的成形方面将发挥重要的作用。
