现代材料加工方法.ppt

第9章 金属等温成形 9.1 概 述 热变形的目的是降低材料的变形抗力、提高塑性，有利于成形过程的稳定进行。传统的热变形方法通常是将坯料从加热炉内移至冷模或预热的模具中进行的。在多数情况下，热变形时的模具预热温度远低于坯料温度，在成形过程中，由于坯料与模具之间的温差较大，会使坯料温度急剧降低，导致材料变形抗力增加、塑性降低。尤其是对于小型制品或表面积与体积比很大的带窄筋、薄腹板的制品，薄壁处温度的降低非常快。,在成形过程中，坯料温度的降低会引起材料塑性流动能力降低、变形抗力提高，不仅使设备功率增加，增加成本，降低模具的使用寿命，而且由于材料变形温度的降低，会在坯料中产生不均匀的温度场，形成难变形区或局部变形区，从而引起材料组织与性能的不均匀。虽然通过将坯料加热到实际变形温度以上，或经过多火次成形，可以适当解决坯料在变形过程中温度降低的问题，但是，这样不仅浪费能源，增加坯料的加热时间，引起金属组织粗大，塑性和强度降低，并且制品表面氧化层、脱碳层或缺陷层加厚，需要加大加工余量。不仅使材料利用率降低，而且增加了机械加工的难度，增加了产品的制造成本，这一点对于稀有贵金属材料表现得更为突出。,在另外一些情况下，例如铝及铝合金的热挤压，由于被加工材料的变形温度较低，在高速挤压条件下，容易与挤压工模具形成一个绝热系统，因变形热效应而导致变形过程中坯料的温度上升，不仅引起制品断而上组织与性能的不均匀，甚至产生制品过热、扭曲、裂纹等缺陷。因此，精确地控制变形过程中坯料温度的变化，对于获得形状与尺寸精确、组织性能均匀的制品具有十分重要的意义。等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的，从而避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷的问题。,等温成形与超塑性成形是不同的。典型的微细晶粒超塑性的实现有赖于晶粒细化、适当的变形温度和低应变速率三个基本条件，其中材料的初始内部组织是诱发超塑性，并使之成为持续进行的主要条件之一。超塑性状态一般只能在一个很窄的温度、速度范围内实现。等温成形的概念比超塑性成形要广泛得多，等温成形可以在很宽的温度、速度范围内以及坯料的任意原始组织条件下进行。当然等温成形在降低材料变形抗力、提高材料塑性的效果方面不如超塑性成形那样显著。,9.2 等温成形的特点及适用范围1.等温成形的特点 等温成形由于克服了常规热变形过程中坯料温度变化的问题，因此具有如下一些特点。降低材料的变形抗力 在等温成形过程时，由于坯料与模具的温度基本一致，因此坯料的变形温度不会降低，在变形速度较低的情况下，材料软化过程进行得比较充分，使材料的变形抗力降低。此外，也可以使用具有一系列优良的工艺和使用性能的玻璃润滑剂，进一步降低变形力，可选用占用空间小，节约能源的低功率设备。,提高材料的塑性流动能力 等温成形的突出特点之一是可提高材料的塑性流动能力。由于等温成形时坯料温度不会降低，而且变形速度是比较低的，从而延长了材料的变形时间，可使材料的软化过程充分进行，提高材料的塑性流动能力，并使缺陷得到愈合。这就使形状复杂、具有窄筋、薄腹制品的成形成为可能，也为成形低塑性的难变形材料提供了有效的手段。成形件尺寸精度高、表面质量好、组织均匀、性能优良 等温成形时，由于坯料变形温度基本保持恒定，可以使材料在较低的变形温度下进行成形加工，而且可以采用一火次成形。,等温成形时的坯料加热温度比常规热变形低100400，加热时间缩短23l2，从而减少了氧化、脱碳等缺陷，提高了产品的表面质量。由于坯料内温度分布比较均匀，在良好的润滑条件下，可使坯料的变形均匀，因而产品组织比较均匀，可以得到最佳的使用性能。由于材料变形抗力低，变形温度波动小，从而减少了模具的弹性变形，有利于制品几何尺寸的稳定与控制。当采用较低的变形速度进行成形时，由于材料的软化过程比较充分，故成形件内部残余应力小，从而使成形件在冷却以及热处理过程中的变形减小，提高了制品的尺寸精度。,模具使用寿命长 虽然等温成形，尤其是等温模锻时所用模具材料及加工费用较高，加工精度的要求也较高，但是在等温成形过程中，由于模具是在准静载荷、低压力、无交变热应力条件下进行工作的，并且可以使用一系列具有优良的工艺和使用性能的润滑剂，因此模具的使用寿命比常规热变形模具高。等温成形零件通常采用一道工序进行成形，只需要一套模具，而常规热变形一般需要多道工序，需要多套模具。因此，总体来说，采用等温成形可提高模具使用寿命，降低模具成本。,材料利用率高 等温成形可以通过减少加工余量、提高产品尺寸精度来减少金属消耗。例如，生产同一涡轮发动机零件，等温锻造所用的原料只有常规热模锻的l3左右。,2.等温成形的适用范围 根据等温成形的特点以及常规热变形的不足，等温成形的适用范围主要包括以下几个方面。低塑性材料的成形 采用等温成形方法，可以成形用常规变形方法不能加工的低塑性、难变形材料。例如钛合金、耐热合金以及许多高合金钢，其变形温度范围比较窄，采用等温条件下的变形显得非常重要。采用等温成形方法，在变形温度为900，应变速率为5103s的无润滑的条件下，可将钴铬钨钼合金单向压缩至60，坯料未产生裂纹；在变形温度为900，应变速率为2102s的条件下，可将灰口铸铁单向压缩至53，坯料未产生裂纹。,目前，等温成形工艺已广泛地应用到合金钢、钛合金、铝合金、金属间化合物、复合材料以及粉末材料的成形加工方面。随着材料科学的发展，等温成形工艺将在新型、难变形材料制备与加工方面发挥重要的作用。优质或贵重材料的成形 随着宇航工业的发展，对结构材料的要求也越来越高。为了提高飞行器以及各种现代控制器件的功能，需要采用优质或贵重的材料，例如钛及钛合金、铜及铜合金，以及高温合金、复合材料等。采用常规热变形方法成形这些优质或贵重的材料，通常需要加大加工余量，使材料成本和机械加工成本大为提高，造成不必要的浪费。,例如某些飞机用钛合金零件，由于形状复杂，对产品质量的要求非常高，材料的利用率仅为515左右，大部分材料均因机械加工而成为废屑。同时由于钛合金的机械加工难度较大，机械加工费用和工具费用比其他材料高出510倍。而采用等温成形工艺，可以成形小拔模斜度或无拔模斜度的锻件，以及有明显阶梯截面、过渡半径较小的锻件，大大减小加工余量，节约材料，降低成本。例如，采用等温成形方法制造的带叶片的盘形件，成形后不需要进行切削加工，与常规热变形方法相比，节约材料50以上。,形状复杂的高精度零件的成形 采用等温成形方法，可以成形具有高窄筋、薄腹板以及形状复杂的高尺寸精度的结构零件，而这些零件采用常规的塑性加工方法进行成形往往是非常困难的，甚至是不可能的。等温成形技术使以往以机械加工为主要制造方法的铆接与螺钉紧固的组合件，被大型整体结构件所代替提供了可能性，为降低威本、减轻构件重量提供了有效的手段，对航空、航天器的设计与制造产生巨大的影响。,采用低压力成形大型结构零件 等温条件可以扩大材料成形的工艺参数范围，例如通过降低应变速率，可以使材料在较低的变形温度下具有较高的塑性，降低成形压力。例如，在缺少所需要的大功率设备时，降低应变速率，利用坯料在模具中的保压，可以实现大型结构零件的成形。,研究材料的塑性变形规律 对于常规热变形来说，由于在变形过程中，变形温度是不断变化的，物理模拟试验与实际加工过程存在较大的差异。等温成形是塑性成形的一种特殊情况，等温物理模拟试验与实际等温成形时的条件相差较小，物理模拟试验的结果可以有效地指导实际等温成形工艺的设计，并且可以研究材料在特殊条件下的塑性变形规律。,9.3 等温成形的发展概况 由于常规热变形工艺中存在着因变形过程中坯料温度降低而产生的一系列影响产品质量的问题，使其发展和应用受到某种程度的限制。解决坯料在变形过程中温度降低的问题大致有两种方法，即坯料保温和提高模具的预热温度。坯料保温 坯料保温方法很多，如可将成形件待变形一端用绝热材料包覆起来，以减慢其冷却速度。这种方法对于大型长轴类合金钢的自由锻造是比较有效的，采用该方法可以使金属的冷却速度降低6622。,坯料在变形过程中的保温，还可以采用在坯料表面涂敷玻璃、石墨等保温润滑层的方法。例如，在挤压高温合金时，将加热到7001050的钢垫，或加热到1500的石墨垫放到挤压坯料上，由此可以补偿挤压坯料损耗的热量，并且可以起到降低挤压力的目的。利用变形的热效应也可以维持变形区的相对温度不变。该方法是在挤压型材时，通过自动调整变形速度，使金属的变形温度在挤压模口保持不变，这样可以使整个挤压件长度方向上的性能均匀。但是，它无法解决金属挤压坯料与冷模接触时的降温以及压力的目的。,为了解决坯料变形的均匀性问题，可以采用使坯料各部位加热温度不均匀的方法。该方法是使坯料的中心温度低于边部温度，从而在成形过程中使坯料中心与边部的变形趋于一致，达到使坯料变形均匀的目的。采用该方法需要采用合理的加热方式，并且需要控制加热温度、加热速度以及加热时间等工艺参数。利用坯料保温方法，虽然在某种程度上解决了坯料温度降低的问题，但是，在保持坯料温度、变形的均匀性以及变形过程的控制方面尚未取得实质性的进展，不能获得最佳的变形条件。尤其是对于复杂零件的成形，坯料的保温是非常困难的，甚至是不可能的。,提高模具的预热温度 提高模具的预热温度，使模具温度接近或等于坯料的变形温度，并且在整个变形过程中始终保持这一温度，这就是等温成形工艺。考虑到模具的耐热性问题，等温成形工艺首先在那些热变形温度比较低的金属或合金的成形中得到应用，例如铝及铝合金、镁及镁合金、锌及锌合金等零件。金属等温成形工艺的研究是从20世纪60年代开始的。前苏联提出了一种金属热变形方法，是将坯料直接放入高温熔融盐、熔融玻璃或熔融金属内进行模锻，这是等温成形的雏形。但是这种方法由于熔融盐实际应用时所存在的问题而没有得到推广应用。,1962年，美国伊利工艺研究所首先采用耐高温合金制造模具，模具预热温度为870，钢坯加热温度为l200，在模锻过程中发现金属流入窄而深的模腔内的量得到明显增加，从而引起世界各国对等温成形工艺的普遍重视。高温模具材料的发展，极大地推动了等温成形工艺的发展。1968年至1971年间，前苏联先后公布了钛及钛合金叶片等温锻造的发明专利和等温成形设备的发明专利。1972年美国也发表了相似的专利。前苏联敖德萨水压机制造厂制造的2.5、6.3、16MN的等温锻造专用设备，为等温锻造工艺的实际应用提供了条件。,目前采用高温等温成形工艺方法可以制造各种形状复杂、尺寸精度高的合金钢、钛合金、高温合金以及复合材料和粉末零件。我国对金属等温成形工艺的研究也得到了迅速的发展，并已进入实用化阶段，如铝合金叶片的等温模锻，可以使锻出的叶片最薄处只有0.8mm，只需经过打磨即可交付使用。目前我国采用等温模锻方法制造出了钛合金整体涡轮及薄壁的铝合金、镁合金舵翼、锌合金槽筒等。,从理论上讲，等温成形工艺能够生产出任何尺寸精度高的无缺陷的复杂形状的零件，可以大幅度提高材料的利用率，降低后续的机械加工费用，并且可以通过改变应变速率和锻造温度的方法对金属组织进行精确控制，达到提高材料力学性能的目的。尤其是等温模锻工艺为成形难变形材料提供了可靠的手段，在宇航工业中受到相当高的重视。,9.4 材料的等温成形性 对于确定的材料，影响等温成形工艺的因素:变形温度;应变速率;变形程度;润滑条件等。合理的等温成形工艺热力规范可以保证材料具有较高的塑性和低的变形抗力，有利于等温成形过程的稳定进行。,材料的等温成形性可由塑性图和应力-应变曲线确定。完整的塑性图给出了压缩时的变形程度，拉伸时的抗拉强度、伸长率和断面收缩率，扭转时的扭转角度和转数，冲击韧性以及其他工艺性能和力学性能随变形温度的变化规律。由材料的塑性图可以得到塑性区和脆性区的最大值和最小值，由此确定材料的变形温度范围。应力-应变曲线则反映了材料的变形抗力随变形程度的变化规律，由此可以了解材料的加工硬化及软化特性。不同种类的材料其塑性图和应力-应变曲线具有很大的差异，为了合理地确定等温成形工艺的热力规范，应对各种不同材料的等温成形性能进行分析。,1.钢铁材料的等温成形性 图9-l给出了碳钢的伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak；以及抗拉强度随温度的变化规律。图9-2为合金钢的伸长率、断面收缩率、冲击压缩极限变形程度K以及抗拉强度b 随温度的变化规律。,对于碳钢和合金钢，当温度高于700时，具有较高的塑性和较低的变形抗力，并且变形抗力随变形程度的变化不大，如图9-3所示。因此，碳钢和合金钢的变形温度范围是比较宽的。表9-1给出了常用钢铁材料的锻造温度范围。,从表9-1中可以看出，不同钢种的锻造温度范围有很大的差别。普碳钢的锻造温度范围是比较宽的，为580，而合金工具钢的锻造温度范围比较窄，例如40Cr5W2VSi的锻造温度范围为200。由于普碳钢的锻造温度范围较宽，因而通常采用常规热变形方法进行成形。但是，对于形状复杂，且具有窄筋、薄腹的小型零件，由于变形温度降低会影响到材料的成形性，故可采用等温成形工艺或适当预热模具温度来进行加工。对于合金钢，尤其是形状复杂的小型合金钢零件，由于锻造温度范围比较窄，采用常规热变形方法通常需要进行多火次成形，而采用等温成形工艺，不仅可以通过一道工序进行成形，而且由于可以在较低的变形温度下进行成形，可以获得高质量的合金钢零件。,2.铝合金的等温成形性 铝合金作为仅次于钢铁的实用金属材料，在工业上得到了极为广泛的应用。近年来，由于铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等特点，作为结构材料的开发与应用研究非常活跃。自1906年Wilm发现铝合金的时效硬化现象以来，人们先后开发出了硬铝2A11(2017)、超硬铝2A12(2024)以及特超硬铝(ESD，Extra Super Duralumin，7075)等高强度铝合金，以及2618耐热铝合金，这些合金主要用于飞机结构用材。,商业运输机上广泛应用的两种铝合金是2A12（超硬铝）和7075（特超硬铝）。2A12铝合金主要用来制作具有高耐损伤性能的部件，例如飞机蒙皮等；而7075铝合金则广泛用来制作锻件及主要承受压应力的结构件，例如飞机的上翼面等。2618（耐热铝合金）铝合金是制造飞机发动机机壳和叶片的重要结构材料。现代飞机的速度已经达到音速的两倍多，而且还在向着更高速度的方向发展。高性能飞机的发动机涡轮进口温度已达1300。超音速(马赫数Ma2.5)飞机在飞行过程中由于气体冲刷，蒙皮的温度可达到150200。飞机巡航速度越高，要求发动机性能越好，对材料的耐热性、强度的要求也越高。,现有铝合金超过150时，强度就明显下降。现代航空不但要求飞机速度高，还要求性能好、寿命长、安全可靠，这就给航空材料提出了更高、更严格的要求。首先要求材料具有密度低、强度高、韧性高的特点。提高材料的强度，可以使飞机结构件的横截面积减小，由此可以达到减轻飞机重量的目的。虽然钛可以承受巡航速度Ma=2.7的高温，但由于钛价格昂贵，会使飞机成本过高。目前，所使用的铝合金的比强度以及耐高温性能虽然与钛及钛合金相比还有一定的差距，但是，与钛合金相比，铝合金具有密度低、成本低等优势。,为了达到提高铝合金的强度、韧性、抗应力腐蚀性以及耐热性的目的，正在积极研究开发新型铝合金。例如，开发精炼、形变热处理技术，以提高铝合金的性能。在应用方面，已不仅仅局限于飞机用结构材料，而正向其他领域扩展。超塑性铝合金，快速冷凝铝合金粉末，低密度、高弹性A1-Li合金，铝合金复合材料等，正逐渐地达到实用化。材料强度和韧性往往是相互矛盾的。强度提高，一般要引起材料韧性下降。而韧性低的材料，易发生低应力断裂，造成事故。因此，研究在提高强度的同时，提高其韧性是人们长期以来追求的目标。目前在这方面的研究工作已取得一些进展，如提高原材料纯度，进行适当的合金化及热处理等。,在标准的和新型的变形铝合金中，基本的合金元素是铜、镁、硅、锰、镍、锌、铬以及钛等。一般来说，随着合金化程度的提高，铝合金的强度得到提高，但塑性总是降低的，并且其锻造温度范围比较窄，通常在100左右，某些高强度铝合金的锻造温度范围甚至小于100。例如7A04(LC4)超硬铝，其主要强化相为MgZn2和Al2CuMg化合物，铝与MgZn2形成共晶，其熔化温度为470。因此，其始锻造温度应低于430。7A04铝合金的退火温度为390（表明7A04具有较高的再结晶温度)，因此，该合金终锻温度通常取350。由此可以看出，7A04的锻造温度范围只有80左右。,图9-4给出了2A12铝合金的伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak、抗拉强度b、冲击压缩极限变形程度K以及扭转次数n随温度的变化规律。,从图9-4中可以看出，2A12铝合金在350450温度范围的塑性较好，能进行60的压缩变形。当温度高于450或低于350时，塑性较低。由此可以看出，2A12铝合金应在350450温度范围，以不大于60冲击压缩变形进行塑性加工。,对于等温成形来说，变形速度是影响材料成形过程的重要工艺参数之一。图9-5给出了应变速率对2A12铝合金屈服强度的影响规律。从图9-5中可以看出，(1)在350450温度范围内，2A12铝合金的屈服强度随应变速率的升高而增加；(2)不同温度条件下的屈服强度随应变速率的变化规律大致相同，其变化幅度是非常大的。,表9-2给出了常用铝合金材料的锻造温度范围。从表9-2中可以看出，铝合金材料的锻造温度范围是比较窄的。大致在100左右。,虽然铝合金的锻造温度范围比较窄，但是，由于铝合金的熔点温度较低，对成形加工的时间不必加以限制，在生产效率允许的前提下，可以采用较低的温度进行塑性加工。此外，铝合金的熔点温度较低也使模具材料的选择范围更宽一些，便于进行等温成形。从保护地球环境以及可持续发展战略的角度出发，铝合金将是人类社会最重要的轻量化结构材料，在减轻汽车重量，提高燃料利用率方面扮演重要角色。一般来说，改善燃料利用率应主要考虑以下几点：减轻汽车的重量；减少汽车运行时的阻力；提高汽车发动机和驱动系统的效率。其中汽车的轻量化最为有效。,目前，日本汽车用铝合金的产量已经超过了100万t，大约占日本国内铝合金产量的30，但其中有85为铸件和压铸件。若想使汽车达到35的轻量化，铝合金的使用量将是目前的5倍。因此，在实现轻量化和保证材料使用性能的前提下，铝合金的轧制、挤压、拉拔、锻造以及冲压等塑性加工方法在汽车行业中将占据重要的位置。由于许多高强度铝合金的成形性能较差，成形温度范围较窄，因此，等温成形技术的开发应用具有重要意义。,3.镁合金的等温成形性 镁在实用金属中是最轻的，其密度为1.74g/cm3。是铝的64.4、铁的22、锌的23.8，并且具有较高的比刚度和比强度，尺寸稳定性较好，抗划痕能力高，良好的机械加工性能和减振性能。镁的贮量在地球上的金属中列第八位，并且在海水中也含有大约0.13的镁，可以说是取之不尽、用之不竭的。因此，目前镁及镁合金已成为全世界最令人瞩目的绿色环保工程材料。世界各国近年来高度重视镁合金的研究与开发，将镁资源作为21世纪的重要战略物资，加强了镁合金在兵器、汽车、计算机、通讯及航空航天领域的开发应用。,镁具有密排六方结构，与立方结构的钢铁材料以及铝合金相比，镁合金不仅强度低、耐腐蚀性能差、价格高，而且加工性能差，这是限制镁合金应用的主要原因。目前，镁合金的应用现状具有以下特点：由于镁合金变形材的工艺成本高，大多数镁合金结构件都是采用压铸工艺成形的，多限于常温、低性能结构件上的应用；解决高性能镁合金变形结构材料生产成本和技术问题，是实现镁合金变形材在民用产品上应用的关键；目前镁合金压铸件的80用于汽车行业，而其中90又是室温使用的结构件，主要局限于小体积零件，应用范围窄；价格高，与铝合金产品相比，缺乏市场竞争优势。,镁合金的应用拓展将主要依赖先进镁合金加工技术与工艺的开发应用，如真空压铸、液态模锻、半固态塑性加工、等温塑性加工技术等。这样才能使镁合金应用技术跨越低负荷、常温、对腐蚀性要求不高的壳体结构等常规应用领域，进人中温、高温、高强、高韧领域。因此，制造中温动力传动系统壳体、高温发动机缸盖、缸体等低成本、高性能、耐热镁合金，以及用于汽车轮毂等高强韧性、高耐蚀镁合金必将成为未来铸造镁合金需求发展的主要目标。,与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更优良的综合性能，可以满足多样化结构的要求。从世界镁合金应用领域的发展趋势看，变形镁合金是未来空中运输、陆上运输以及军工领域的重要结构材料，这些领域所需要的许多板材、棒材、型材、管材、锻件是无法用铸造产品代替的。为了使镁合金大量地应用于结构上，必须发展镁合金变形材料及其制品，从根本上突破现阶段镁合金产品种类少、应用范围窄的局限，使镁合金作为理想的轻质材料在更多、更广阔的领域中得到应用。等温成形工艺作为难变形材料加工技术，为变形镁合金的应用提供了有效的手段。采用等温成形技术可以成形大断面空心型材，以及具有壁薄、形状复杂、综合性能高的镁合金零部件。,国外对变形镁合金的开发给予了很大重视，合金向系列化发展，各工业发达国家都建立了自己的合金系列，如在美国主要变形镁合金有Mg-Al-Zn系的AZ31和AZ61，Mg-Zn-Zr系的ZK61和ZK60。特别是AZ31合金，可以轧制成薄板、厚板、挤压成棒材、管材、型材，加工成锻件，且性能不断提高。图9-7给出了MA8镁合金的伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak、抗拉强度b、冲击压缩极限变形程度K、静态压缩极限变形程度np以及扭转次数n随温度的变化规律。,从图中可以看出，MA8镁合金在很宽的温度范围(300500)内具有较高的工艺塑性。在300500范围内，无论在低速静压缩变形，还是在冲击变形时，单道次压缩量可达7080。该合金的锻造温度范围通常为350480，加热温度一般不超过480，否则会产生过热。终变形温度控制在350。而MA8镁合金的等温成形温度可以低一些，最低可取300。,AZ3lB镁合金对变形速度极为敏感，在冲击变形时的允许压缩变形程度小于30，但低速静压缩时的允许压缩变形程度最高可达80以上，塑性提高1.5倍以上。AZ31B镁合金在低速静压缩时的合适变形温度范围为350450，在锤上进行冲击变形时的温度范围为350425。,表9-3所示为镁合金的变形温度范围和允许变形程度。从表9-3中可以看出，镁合金的变形温度范围是比较窄的，尤其是高强度镁合金的变形温度范围更窄。因此，镁合金等温成形工艺在航空、航天领域结构件的成形上是不可缺少的重要加工技术之一。,4.钛合金的等温成形性 随着航天航空技术的发展，人们对飞机、宇宙探测器、深海探测机器等所需要材料的要求越来越高。钛及钛合金由于重量轻，比强度高，低温韧性优异，耐腐蚀性能突出，成为航空、航天、兵器、石油化工、轻工业、海洋开发、医疗卫生等领域中非常重要的结构材料。钛的 相变温度为882，低温稳定的 相被称为 钛(-Ti)，其晶体结构为密排六方晶系。相变点以上的高温稳定相称为 相或 钛(-Ti)，其晶体结构为体心立方晶格(bcc)。钛的塑性变形比 钛的成形性要好。,对于纯钛来说，在室温附近是得不到 相的。通过选择 稳定型合金元素，并对合金含量进行控制与调整，在室温下也可以得到很稳定的 相，或通过热处理得到残留的 相。这种 型钛合金不仅加工性能好，而且具有一定的强化效果。近年来为了提高钛合金制品的生产效率、降低成本，型钛合金引起人们的重视。根据金属组织进行分类，钛合金大致可以分为具有六方晶体结构、低温稳定特征的-Ti(包括近型)合金，具有立方晶体结构、过饱和的-Ti以及+型钛合金。此外，根据使用目的不同还有其他的分类方法，如着眼于强度环境的，有高强度的钛合金、耐热钛合金、超低温用钛合金；着眼于化学环境的有耐腐蚀钛合金、贮氢钛合金；以及作为特殊功能合金的形状记忆、超导合金等。不同种类的钛合金，其成形条件有很大的差异。,如图9-10所示，钛合金的力学性能对组织极为敏感，且钛合金的弹性模量低，约为钢铁材料的12，加工硬化程度较小，而回弹很大，难以满足尺寸精度等要求。这些特点使得钛合金产品的加工与制造比其他材料的难度大得,多。钛合金的滑移面较少，滑移方向受到严格限制，成形与加工需要大吨位的压力机。此外，钛合金在塑性加工过程中很容易产生裂纹。因此，钛合金的塑性加工通常是在高温下进行的，例如热锻、等温锻造、超塑性加工等。,图9-11、图9-12给出了工业纯钛和TC4钛合金的伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak、抗拉强度b、冲击压缩极限变形程度K以及静态压缩极限变形程度np随温度的变化规律。,从图9-11中可以看出，钛的合金化会降低其工艺塑性，例如工业纯钛在6001200的温度范围内，具有较高的塑性和较低的强度，其热加工温度范围比较宽。而TC4钛合金的热加工温度范围为8001200。钛合金的变形特点：变形抗力大 即使在高温变形条件下，钛合金的变形抗力也比一般的钢铁材料高。钛合金的变形抗力随温度的降低是急剧增加的，且比钢铁材料的增加速度要快得多。在钛合金锻造时，即使锻件温度有少许降低，也将导致变形抗力大大提高。因此，钛合金的锻造温度范围通常是比较窄的，如表9-4所示。,晶粒粗化明显 在相区域中，晶粒的粗大是非常明显的，大约是相区域中晶粒的10倍，其参考值如图9-14所示。若将钛合金的温度升高到转变温度以上50100，会造成钛合金组织粗大，使韧性降低。通常被称为脆性。,在调整金属组织时，加热温度应在转变温度以下，不要进人单相区。但从提高加工性能的角度来看，在变形抗力较小的区域进行加工是比较好的。单纯从避免脆性考虑，大型钛合金坯料的初始加工，可以在转变温度以上开始，然后在转变温度以下进行精锻。由此可以维持良好的塑性，同时也可以得到具有较高韧性的制品。钛合金属于组织结构、应变速率敏感性材料，其力学性能是随组织结构和应变速率变化的。,图9-15给出了TC4钛合金的流变应力随应变速率和晶粒尺寸的变化规律。从图中可以看出，TC4钛合金的流变应力随应变速率的增加而增大，随晶粒尺寸减小而降低；晶粒尺寸越细，合金的流变应力随应变速率的变化幅度越大。,9.5等温成形时的润滑1.等温成形润滑剂的条件 等温成形用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 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。,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，获得表面质量高的等温成形产品。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 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 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 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 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 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、二硫化钼(MoS2)、聚四氟乙烯、氮化硼(BN)、氧化铅(PbO)以及玻璃等。,石墨 石墨的润滑作用是由其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。,低熔点的铝合金和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。石墨润滑剂的载体是矿物油或水。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。在二硫化钼中加人防氧化剂氧化硼作为黏结剂，则在300700范围内，挤压碳钢、低合金钢以及不锈钢时，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。,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 玻璃润滑剂是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。玻璃润滑剂是由玻璃粉、稳定剂、固结剂以及水组成的悬浮液。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，可以防止金属与周围气氛发生化学反应，即表面氧化、吸收气体以及表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法；将坯料浸入悬浮液中进行浸涂的浸涂方法；用刷子将玻璃润滑剂涂敷到坯料表面的刷涂方法。,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 等温成形用模具材料1.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，变形时间比常规热变形时间长。等温成形的特点是：模具预热温度高、变形速度较低、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、韧性以及耐磨性能，并且在长期服役过程中，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与抗腐蚀性能。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、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良好的可锻性、可切削性、可磨削性、可焊性以及热处理变形小的特点。材料来源广、成本低廉。,2.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、形状尺寸、工作条件以及变形温度、变形速度和所要求的尺寸精度等。表9-8给出了常用金属材料的等温变形温度范围。,（1）热作模具钢 对于铝、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600时，通常采用4Cr5MoSiVl代替3Cr2W8V；当模具型腔工作温度高于600时，可采用钨钼系或钼系热作模具钢4Cr3Mo3SiV、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVAl、5Cr4W2Mo2SiV等代替3Cr2W8V。,（2）钛合金和高温合金等温成形用模具材料 钛合金和高温合金的等温成形温度大多在800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 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。等温成形用设备需要满足以下基本要求：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