D0I:10.13374/j.issm1001053x.2010.11.019 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 工艺参数对690合金管材热挤压出口温度的影响 孙朝阳刘金榕李瑞张清东 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要结合等温压缩实验获得的690合金本构关系。建立了该合金管热挤压过程的有限元模型该模型考虑了坯料与模 具的热传导、对流换热及摩擦功与塑性功的热转换.模拟结果表明：坯料在变形区附近温度开始升高。进入变形区内急刷升 高，且在模孔出口靠近芯棒处温度达到最高.芯棒附近的温度大于挤压筒附近的温度：填充挤压阶段结束时出现最大温升.分 析得到了工艺参数对出口温度的影响规律：挤压速度越大，出口温度越高，速度过慢将会使出口温度下降严重：坯料预热温度 越高。出口温升越小：当摩擦因数小于0.04时，摩擦因数对出口温度影响很小但摩擦因数大于Q1时出口温度明显升高. 关键词高温合金：镍合金：管材：挤压：温度；有限元分析 分类号TG3769 Effect of process param eters on the exit temperature of IN690 alloy tubes during hot extrusion SN Chaayang LU Jin rong LIRui ZHANGQing-dong Schpol ofMechanical Engineerng University of Science and Techokgy Beijing Beijng 100083 China ABSTRACT Based on he constiti tive elatonsh p of N690 alloy obtned by isohemal compessicn a fnite elm entmodel of hot extrusion was established pr 1690 alpy ubes In he model he heat conducton between the billet and hedie the convection of heat transfer and he hem al conversion of plastic work and fricton work were taken inp account Siu lation results show that he billet temperaure sarts o risewhen he billet approaches toward he depmation zone and increases rapidy when comng inp he depmation zone and the temperaure peaks at te d ie hole's outlet near the mandrel Besies the billet mperature aound the mand rel is h gher than hat beside he con miner The temperaure rise reaches the peak at he end of the fillng extrusion stage The influence of process Parm eters on he outlet tem peraue was analyzed It is indicated hat he outet temperaure increases with extrusion speed and reduces seriousy when the extrus ion speed spws but he rise of outlet temperaure decreases when the preheatng tmperature of the billet in creases When the friction coefficient is less than04 the frictpn coeffiienthas little effect an the outet temperau but if he fric ton coeffcient becomes greater than0.1 he exit temperature will sign ificanty increase KEY WORDS superallcys nickel alloys ubes extrusion tmperature finite ekment analysis 690(Incanel690)合金是具有优异抗多种水 越来越迅速蒸发器用690合金传热管的需求也 性介质和高温气氛侵蚀能力的镍基高温变形合金， 越来越多.690合金无缝管的生产多采用热挤压 而且具有高的强度、良好的治金稳定性和优良的加 的方式，由于镍基高温合金自身变形抗力大、热加工 工特性？.由于其具有显著的抗氧化能力和优异 窗口温度范围窄，决定了高温合金的热挤压过程采 的抗应力腐蚀能力，被广泛应用于核蒸汽机的关键 用高温并配合大的挤压速度.高温合金挤压温度很 零部件，例如，目前国际上压水堆核电站中的蒸发 高，坯料与工模具温差大，使得换热剧烈，且合金热 器传热管基本上都选用690合金管到.随着工业 加工窗口温度窄，因而研究高温合金管挤压过程坯 的发展，世界对绿色能源的需求促使核电站的发展 料温度变化具有重要的意义. 收稿日期：2010一04一21 基金项目：国家自然科学基金钢铁研究联合基金重点项目(N050831008) 作者简介：孙朝阳(1976一，男，博土.，讲师Ema到nc@ust edy cn
第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 工艺参数对 IN690合金管材热挤压出口温度的影响 孙朝阳 刘金榕 李 瑞 张清东 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 结合等温压缩实验获得的 IN690合金本构关系, 建立了该合金管热挤压过程的有限元模型, 该模型考虑了坯料与模 具的热传导、对流换热及摩擦功与塑性功的热转换.模拟结果表明:坯料在变形区附近温度开始升高, 进入变形区内急剧升 高, 且在模孔出口靠近芯棒处温度达到最高, 芯棒附近的温度大于挤压筒附近的温度;填充挤压阶段结束时出现最大温升.分 析得到了工艺参数对出口温度的影响规律:挤压速度越大, 出口温度越高, 速度过慢将会使出口温度下降严重;坯料预热温度 越高, 出口温升越小;当摩擦因数小于 0.04时, 摩擦因数对出口温度影响很小, 但摩擦因数大于 0.1时出口温度明显升高. 关键词 高温合金;镍合金;管材;挤压;温度;有限元分析 分类号 TG376.9 EffectofprocessparametersontheexittemperatureofIN690 alloytubesduring hotextrusion SUNChao-yang, LIUJin-rong, LIRui, ZHANGQing-dong SchoolofMechanicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT BasedontheconstitutiverelationshipofIN690 alloyobtainedbyisothermalcompression, afiniteelementmodelofhot extrusionwasestablishedforIN690 alloytubes.Inthemodeltheheatconductionbetweenthebilletandthedie, theconvectionofheat transfer, andthethermalconversionofplasticworkandfrictionworkweretakenintoaccount.Simulationresultsshowthatthebillet temperaturestartstorisewhenthebilletapproachestowardthedeformationzoneandincreasesrapidlywhencomingintothedeformation zone, andthetemperaturepeaksatthedieholesoutletnearthemandrel.Besides, thebillettemperaturearoundthemandrelishigher thanthatbesidethecontainer.Thetemperaturerisereachesthepeakattheendofthefillingextrusionstage.Theinfluenceofprocess parametersontheoutlettemperaturewasanalyzed.Itisindicatedthattheoutlettemperatureincreaseswithextrusionspeedandreduces seriouslywhentheextrusionspeedslows, buttheriseofoutlettemperaturedecreaseswhenthepreheatingtemperatureofthebilletincreases.Whenthefrictioncoefficientislessthan0.04, thefrictioncoefficienthaslittleeffectontheoutlettemperature, butifthefrictioncoefficientbecomesgreaterthan0.1 theexittemperaturewillsignificantlyincrease. KEYWORDS superalloys;nickelalloys;tubes;extrusion;temperature;finiteelementanalysis 收稿日期:2010-04-21 基金项目:国家自然科学基金钢铁研究联合基金重点项目(No.50831008) 作者简介:孙朝阳(1976— ), 男, 博士, 讲师, E-mail:suncy@ustb.edu.cn IN690 (Inconel690)合金是具有优异抗多种水 性介质和高温气氛侵蚀能力的镍基高温变形合金 , 而且具有高的强度、良好的冶金稳定性和优良的加 工特性 [ 1 -2] .由于其具有显著的抗氧化能力和优异 的抗应力腐蚀能力, 被广泛应用于核蒸汽机的关键 零部件 .例如, 目前国际上压水堆核电站中的蒸发 器传热管基本上都选用 IN690合金管 [ 3] .随着工业 的发展 ,世界对绿色能源的需求促使核电站的发展 越来越迅速, 蒸发器用 IN690合金传热管的需求也 越来越多 .IN690合金无缝管的生产多采用热挤压 的方式,由于镍基高温合金自身变形抗力大 、热加工 窗口温度范围窄, 决定了高温合金的热挤压过程采 用高温并配合大的挤压速度.高温合金挤压温度很 高, 坯料与工模具温差大, 使得换热剧烈 ,且合金热 加工窗口温度窄, 因而研究高温合金管挤压过程坯 料温度变化具有重要的意义 . DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.11.019
。1484 北京科技大学学报 第32卷 对于给定挤压筒和模具，当坯料预热温度和挤 挤压简 压速度控制不恰当时，模孔出口处的温度可能会超 挤压垫 过材料的熔点，产生表面缺陷.增大产品的废品率. 芯棒 国内外学者对挤压过程温度变化做了许多有意义的 坯料 工作仁”.L等利用三维有限元仿真方法预测了 7075铝合金不同挤压速度下的温度变化：L等？ 模具 利用有限元仿真方法预测了A31镁合金矩形断面 型材挤压过程的温度变化，得到了温度随挤压速度 变化的函数，并且通过了实验验证.Yan等研究 图】钢管热挤压的有限元模型 Fg 1 Finie elementmodel of hot extrusion of a steel tbe 了大型铝管挤压过程坯料预热温度和挤压速度对等 温挤压的影响，基本实现了铝管的等温挤压.但是， 1.3模拟工艺参数及边界条件 关于挤压过程的温度变化研究大部分针对铝、镁等 为防止坯料装入挤压筒后温度过于下降，必须 轻合金，而高温合金挤压过程的温度场研究则很少， 对工模具进行预热，模拟中的工模具预热温度均取 本文基于宝钢特钢引进的60M大型卧式挤压机采 自生产经验值.挤压过程中，玻璃润滑剂润滑的区 用DERORM-2D有限元软件模拟690合金管的 域金属流动性良好，摩擦因数在此接触界面取系数 热挤压过程，分析了690合金挤压过程的温度变 为003而在挤压垫和坯料之间的摩擦因数取为 化特点，在此基础上研究不同坯料预热温度、挤压速 0.35辐射换热和界面传热系数分别设置为 度和摩擦因数对出口温度变化的影响. 0.02Wm2。℃-和11wm2.℃.典型挤压 工艺参数如表1所示. 1690合金管材热挤压有限元建模 表1典型挤压工艺参数 1.1690合金的热成形本构模型 Table Typical extrussion process parame ters 本文采用DEFORM-一2D对690合金管材热 坯料 挤压简 挤压垫速度/ 挤压垫 模具 芯棒 挤压过程进行建模.材料本构模型的准确性直接决 预热 初始 (mm s1) 温度 温度 温度 定了模拟结果的准确性.由于软件自带的材料库中 温度 温度 200 1100 450 100 350 200 没有690合金材料，因此采用G1e©bl1e-1500热力 学模拟试验机对不同温度和应变速率下的690合 实际生产中，挤压垫速度、坯料预热温度和玻璃 金热变形行为进行了实验研究，得到在温度为1000 润滑剂的润滑条件是挤压过程能否顺利进行以及挤 ~1200℃应变速率为001~10s'条件下等温压 出管材质量好坏的关键因素.为了研究它们对挤压 缩试验的真应力一应变曲线，并基于Sels和Te 过程温度变化的影响，保持其他条件不变的情况下， gar双曲正弦模型倒拟合得到了所研究合金的本构 分别改变挤压垫速度，坯料预热温度和摩擦因数，如 模型，进而导入到DEREM一2D软件材料模型中. 表2所示. 其他工模具均根据生产经验采用H3 表2模拟工艺参数取值范围 (4C5MSM)模具钢. Tab le2 Ranges of smulted process pa rme ters 1.2典型钢管热挤压过程的数值计算模型 挤压垫速度/ 坯料预热 摩擦因数 图1为建模的某典型尺寸的690合金管热挤 (mm s1) 温度℃ (玻璃润滑剂使用区) 压数值计算模型.挤压力由挤压轴提供，坯料由上 50-400 1100-1250 0.01-01 向下运动，通过平锥模，由模孔经定径带挤出.考虑 几何和加载及边界的对称性，本文进行了轴对称特 14模拟结果验证 征建模.相关参数均来自宝钢60M挤压机的实际 采用经验公式计算！与模型计算的挤压力进 尺寸，并作适当简化.在挤压过程中存在坯料与工 行对比，如图2所示.经验公式计算值为30.3My 模具的热交换和热功转换，所以采用热机耦合分析 模型计算得到的峰值挤压力为289My相对误差 的方法，并且忽略弹性变形，采取刚塑性有限元模 为462%.可以得出模拟得到的挤压力值与经验公 型.坯料设为塑性，其他工模具均设置为具有传热 式计算得到的结果吻合较好，说明本文建立的有限 性质的刚体， 元模型较真实地再现了实际690合金的挤压
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 对于给定挤压筒和模具 ,当坯料预热温度和挤 压速度控制不恰当时, 模孔出口处的温度可能会超 过材料的熔点, 产生表面缺陷, 增大产品的废品率 . 国内外学者对挤压过程温度变化做了许多有意义的 工作 [ 4 -7] .Li等 [ 4]利用三维有限元仿真方法预测了 7075铝合金不同挤压速度下的温度变化;Liu等 [ 5] 利用有限元仿真方法预测了 AZ31镁合金矩形断面 型材挤压过程的温度变化 , 得到了温度随挤压速度 变化的函数, 并且通过了实验验证.Yang等 [ 6] 研究 了大型铝管挤压过程坯料预热温度和挤压速度对等 温挤压的影响,基本实现了铝管的等温挤压.但是 , 关于挤压过程的温度变化研究大部分针对铝 、镁等 轻合金 ,而高温合金挤压过程的温度场研究则很少 . 本文基于宝钢特钢引进的 60MN大型卧式挤压机采 用 DEFORM-2D有限元软件模拟 IN690合金管的 热挤压过程 ,分析了 IN690合金挤压过程的温度变 化特点 ,在此基础上研究不同坯料预热温度、挤压速 度和摩擦因数对出口温度变化的影响 . 1 IN690合金管材热挤压有限元建模 1.1 IN690合金的热成形本构模型 本文采用 DEFORM-2D对 IN690合金管材热 挤压过程进行建模.材料本构模型的准确性直接决 定了模拟结果的准确性.由于软件自带的材料库中 没有 IN690合金材料, 因此采用 Gleeble-1500热力 学模拟试验机对不同温度和应变速率下的 IN690合 金热变形行为进行了实验研究, 得到在温度为 1 000 ～ 1 200 ℃、应变速率为 0.01 ～ 10 s -1条件下等温压 缩试验的真应力 -应变曲线, 并基于 Sellars和 Tegart双曲正弦模型 [ 8]拟合得到了所研究合金的本构 模型, 进而导入到 DEFOEM-2D软件材料模型中. 其 他 工 模 具 均 根 据 生 产 经 验 采 用 H13 (4Cr5MoSiV1)模具钢. 1.2 典型钢管热挤压过程的数值计算模型 图 1为建模的某典型尺寸的 IN690合金管热挤 压数值计算模型.挤压力由挤压轴提供 ,坯料由上 向下运动,通过平锥模 ,由模孔经定径带挤出 .考虑 几何和加载及边界的对称性 ,本文进行了轴对称特 征建模 .相关参数均来自宝钢 60 MN挤压机的实际 尺寸, 并作适当简化.在挤压过程中存在坯料与工 模具的热交换和热功转换 , 所以采用热机耦合分析 的方法 ,并且忽略弹性变形, 采取刚塑性有限元模 型 .坯料设为塑性 , 其他工模具均设置为具有传热 性质的刚体 . 图 1 钢管热挤压的有限元模型 Fig.1 Finiteelementmodelofhotextrusionofasteeltube 1.3 模拟工艺参数及边界条件 为防止坯料装入挤压筒后温度过于下降, 必须 对工模具进行预热 ,模拟中的工模具预热温度均取 自生产经验值 .挤压过程中, 玻璃润滑剂润滑的区 域, 金属流动性良好 ,摩擦因数在此接触界面取系数 为 0.03, 而在挤压垫和坯料之间的摩擦因数取为 0.35.辐射 换 热和 界面 传 热 系数 分 别设 置 为 0.02 kW·m -2 ·℃ -1和 11 kW·m -2 ·℃ -1 .典型挤压 工艺参数如表 1所示. 表 1 典型挤压工艺参数 Table1 Typicalextrusionprocessparameters ℃ 挤压垫速度 / (mm·s-1) 坯料 预热 温度 挤压筒 初始 温度 挤压垫 温度 模具 温度 芯棒 温度 200 1 100 450 100 350 200 实际生产中,挤压垫速度 、坯料预热温度和玻璃 润滑剂的润滑条件是挤压过程能否顺利进行以及挤 出管材质量好坏的关键因素.为了研究它们对挤压 过程温度变化的影响,保持其他条件不变的情况下, 分别改变挤压垫速度、坯料预热温度和摩擦因数 ,如 表 2所示 . 表 2 模拟工艺参数取值范围 Table2 Rangesofsimulatedprocessparameters 挤压垫速度 / (mm·s-1) 坯料预热 温度 /℃ 摩擦因数 (玻璃润滑剂使用区) 50 ～ 400 1 100 ～ 1 250 0.01 ～ 0.1 1.4 模拟结果验证 采用经验公式计算 [ 9] 与模型计算的挤压力进 行对比,如图 2所示.经验公式计算值为 30.3 MN, 模型计算得到的峰值挤压力为 28.9 MN, 相对误差 为 4.62%.可以得出模拟得到的挤压力值与经验公 式计算得到的结果吻合较好, 说明本文建立的有限 元模型较真实地再现了实际 IN690 合金的挤压 · 1484·
第11期 孙朝阳等：工艺参数对690合金管材热挤压出口温度的影响 ·1485° 过程. 325 温度℃ A=I010 30.0 B=1030 C=1040 至n5 Am八AM D=1060 E=1080 F=1090 G=1110 一有限元模拟值 H=1130 ·经验公式计算值 22.5 20. 28 32 36 40 44 挤压垫位移mm 图3填充挤压阶段坯料温度分布 图2模拟结果与经验公式计算值对比 F琴3 Temperature distribut知of a billet n the filling extrus知 Fg 2 Comparison beween smulation esults and ca loula ed data by stge he epirical pmuk 直角死区金属因为流动缓慢，塑性功和摩擦热小，并 2典型挤压过程温度变化分析 且不断丧失热量，温度最低 挤压过程坯料的温度变化（△①，主要由三个因 CB- B 素综合作用4： 温度℃ A=955 △T=△Tn+△Tc一△T (1) B=979 C=1000 式中，△T为变形功产生的温升，△Tm为坯料与工 D=1030 模具之间的摩擦功产生的温升，△T为坯料与工模 E=1050 F=1070 具及环境之间的热交换散失热量造成的温降. G=1100 H=1120 下面针对典型工艺参数（坯料预热温度为 I=1140 1100℃，挤压速度为200mm。s,摩擦因数为 0.03的挤压过程进行分析. 填充挤压阶段，由于坯料与工模具的接触时间 相对较短，坯料与工模具及环境之间的热交换散失 图4基本挤压阶段坯料温度分布图 热量较小，坯料非变形区的温度与挤压前的温度基 Fg 4 Temperaure distrbut in ofa billetat the basic extusion sige 本保持一致；并且由于坯料前端先与模具接触而流 出模孔，与挤压筒和模具接触时间短，坯料散失热量 另外，挤压过程中，温升过大会使得金属产生过 较小，因此坯料最大温升出现在填充挤压阶段结束 烧造成晶粒粗大和二次相析出等缺陷，并且还可能 时.如图3所示，在变形区上方的坯料温度基本为 使玻璃润滑剂润滑效果变差：温降严重会使金属塑 初始预热温度1100℃，而在变形区由于变形功作用 性变形困难，容易产生裂纹，挤压力升高，变形区应 温度升高为1110~1140℃. 力增大，对模具产生较大冲击热应力.因此在挤压 基本挤压阶段，坯料由于与工模具不断传热使 过程，需要对坯料的最高温度和最低温度进行控制. 得坯料非变形区域温度越来越低.当非变形区低温 由图5可知：最高温度在挤压初期不断增大.当坯料 金属流向变形区时，在塑性变形功和摩擦功不足以 进入模孔时，温度急剧升高，达到峰值1170℃开始 弥补传热失去的热量时，变形区金属的温度低于初 进入挤压基本阶段时，然后温度由于热传导和热 始挤压温度，使得整体坯料温度不断降低.由图4 辐射散失热量缓慢下降：而最低温度先呈线性下降， 可知：由于界面传热使得接触界面附近的金属温度 然后在一定温度范围内变化.值得注意的是，温度 较低，且低温区域向中心扩展：挤压筒热容大于芯棒 下降严重区域位于模具直角死区和靠近挤压垫附近 热容，靠近芯棒一侧坯料散热较少，使得靠近芯棒一 死区，对于挤出管材的质量影响不大. 侧的坯料温度大于靠近挤压筒一侧温度；变形区由 3工艺参数对挤压过程出口温度的影响 于变形功的作用温度较高：由于变形功和摩擦功的 影响，在定径带出口靠近芯棒附近的坯料温度最高： 对于实际挤压生产，能比较方便且准确测量的
第 11期 孙朝阳等:工艺参数对 IN690合金管材热挤压出口温度的影响 过程. 图 2 模拟结果与经验公式计算值对比 Fig.2 Comparisonbetweensimulationresultsandcalculateddataby theempiricalformula 2 典型挤压过程温度变化分析 挤压过程坯料的温度变化 (ΔT),主要由三个因 素综合作用 [ 4] : ΔT=ΔTdef +ΔTfric -ΔTh (1) 式中, ΔTdef为变形功产生的温升, ΔTfric为坯料与工 模具之间的摩擦功产生的温升, ΔTh 为坯料与工模 具及环境之间的热交换散失热量造成的温降. 下面针对典型工艺参数 (坯料预热温度为 1 100℃, 挤压速度 为 200 mm· s -1 , 摩擦 因数为 0.03)的挤压过程进行分析. 填充挤压阶段, 由于坯料与工模具的接触时间 相对较短,坯料与工模具及环境之间的热交换散失 热量较小,坯料非变形区的温度与挤压前的温度基 本保持一致 ;并且由于坯料前端先与模具接触而流 出模孔 ,与挤压筒和模具接触时间短 ,坯料散失热量 较小, 因此坯料最大温升出现在填充挤压阶段结束 时 .如图 3所示, 在变形区上方的坯料温度基本为 初始预热温度 1100℃,而在变形区由于变形功作用 温度升高为 1 110 ～ 1 140 ℃. 基本挤压阶段, 坯料由于与工模具不断传热使 得坯料非变形区域温度越来越低.当非变形区低温 金属流向变形区时, 在塑性变形功和摩擦功不足以 弥补传热失去的热量时 , 变形区金属的温度低于初 始挤压温度 , 使得整体坯料温度不断降低.由图 4 可知:由于界面传热使得接触界面附近的金属温度 较低, 且低温区域向中心扩展;挤压筒热容大于芯棒 热容, 靠近芯棒一侧坯料散热较少,使得靠近芯棒一 侧的坯料温度大于靠近挤压筒一侧温度;变形区由 于变形功的作用温度较高 ;由于变形功和摩擦功的 影响, 在定径带出口靠近芯棒附近的坯料温度最高 ; 图 3 填充挤压阶段坯料温度分布 Fig.3 Temperaturedistributionofabilletinthefillingextrusion stage 直角死区金属因为流动缓慢 ,塑性功和摩擦热小 ,并 且不断丧失热量,温度最低. 图 4 基本挤压阶段坯料温度分布图 Fig.4 Temperaturedistributionofabilletatthebasicextrusionstage 另外 ,挤压过程中, 温升过大会使得金属产生过 烧, 造成晶粒粗大和二次相析出等缺陷 ,并且还可能 使玻璃润滑剂润滑效果变差;温降严重会使金属塑 性变形困难,容易产生裂纹 , 挤压力升高 ,变形区应 力增大,对模具产生较大冲击热应力 .因此在挤压 过程 ,需要对坯料的最高温度和最低温度进行控制. 由图 5可知:最高温度在挤压初期不断增大, 当坯料 进入模孔时,温度急剧升高, 达到峰值 1170 ℃(开始 进入挤压基本阶段时 ), 然后温度由于热传导和热 辐射散失热量缓慢下降 ;而最低温度先呈线性下降, 然后在一定温度范围内变化.值得注意的是, 温度 下降严重区域位于模具直角死区和靠近挤压垫附近 死区 ,对于挤出管材的质量影响不大. 3 工艺参数对挤压过程出口温度的影响 对于实际挤压生产 ,能比较方便且准确测量的 · 1485·
·1486 北京科技大学学报 第32卷 1200 将其他参数定为坯料预热温度1100℃摩擦因数 1150 0.03并在调整挤压速度时保持不变.由图7可见， 1100 随着挤压速度的提高，变形区坯料的应变速率越大， 1050 …最高温度 使得单位时间的变形功变大，出口处的最高温度由 一最低温度 E1000 1123℃升高到1155℃.出口处温度先随着挤压垫 950 的位移增加小幅度地上升，之后不断减少，说明 900 690合金与铝、镁等有色金属的挤压过程温度变 850- 化不同，出模孔处制品的温度呈下降趋势而并非升 800 高.同时通过模拟结果得出，当挤压速度小于 506 20 40 60 80 100 100ms,挤压垫位移大于41m时，出口处的温 挤压垫位移mm 图5温度随挤压垫位移的变化 度小于坯料预热温度1100℃；而挤压速度大于 Fg 5 Variation of mperaure with extuson pad displacement 200ms时，其出口温度均大于1100℃.随着挤 是挤压制品在出模孔处的温度.精确控制挤压过程 压速度的降低，出口温度下降的幅度变大：挤压速度 中模孔附近的温度变化，对于获得形状与尺寸精确、 为400ms时，其出口处温度的范围为1152~ 1145℃挤压速度为50mms时，出口处温度范围 组织性能沿断面和长度方向均匀一致的制品，提高 成品率与挤压生产效率均具有十分重要的意义9. 为1123~1050℃.这表明挤压速度过慢会使得出 挤压变形时金属发生动态再结晶，当挤压制品流出 口温度下降严重，可推测变形区的温度可能进入塑 模孔时，金属停止发生变形，将发生亚动态再结晶及 性较差温度范围，从而影响产品质量.因此为了保 静态再结晶，制品的温度影响亚动态及静态再结晶， 证得到较好的产品质量，应当保证较高的挤压速度. 进而对产品的质量产生重要影响. 1160 本文取挤压制品刚好流出模孔时横截面上的等 1140 距离四个点(~4)的温度进行研究，如图6的 1120F ~4所示.为分析方便，定义出口温度T为 6=(T++T+T)/4 (2) 式中，T~T分别为同一时刻四个点~4的温 1080 50mm-+ 度值. -100mm% 1060- -200 mm-s ,··300mms 一400mm·、- 104 30 35 40 45 挤压垫位移mm A区放大图 图7不同挤压速度下出口温度随挤压垫位移变化 Fg7 Variat ion of outket temperaure with extrusion pad displace ment at diffe rent extrusion speeds 3.2坯料预热温度对出口温度的影响 坯料在挤压前进行预热以保证变形时材料的组 织为单一奥氏体，同时预热会使材料的屈服极限降 图6模孔出口特征位置示意图 Fg 6 Feature positions at the die hole'soutlet 低从而降低挤压力，所以升高预热温度可以改善加 工工艺，但是另一方面影响界面传热的大小，预 同时，定义出口的温升△为 热温度越高，坯料与工模具的温差越大，坯料热量丧 △T=G一工ie: (3) 失也较大，并且模具温度升高越快，对模具使用寿命 式中，工为坯料预热温度. 产生影响.本文模拟中选取四种坯料预热温度为 3.1挤压速度对出口温度的影响 1100℃、1150℃、1200℃和1250℃.为了研究坯料 结合高温合金挤压速度范围和钢管挤压机的极 预热温度对挤压过程出口温度变化的影响，将其他 限挤压速度，选取挤压速度为50~400ms'.为 参数设定为挤压速度200mms,摩擦因数0.03 了研究挤压速度对挤压过程出口温度变化的影响， 并在调整坯料预热温度时保持不变.由图8可知：
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 5 温度随挤压垫位移的变化 Fig.5 Variationoftemperaturewithextrusionpaddisplacement 是挤压制品在出模孔处的温度 .精确控制挤压过程 中模孔附近的温度变化,对于获得形状与尺寸精确 、 组织性能沿断面和长度方向均匀一致的制品 , 提高 成品率与挤压生产效率均具有十分重要的意义 [ 9] . 挤压变形时金属发生动态再结晶, 当挤压制品流出 模孔时 ,金属停止发生变形 ,将发生亚动态再结晶及 静态再结晶 ,制品的温度影响亚动态及静态再结晶 , 进而对产品的质量产生重要影响. 本文取挤压制品刚好流出模孔时横截面上的等 距离四个点 (P1 ～ P4)的温度进行研究, 如图 6的 P1 ～ P4所示.为分析方便 ,定义出口温度 TO为 TO =(T1 +T2 +T3 +T4 )/4 (2) 式中, T1 ～ T4 分别为同一时刻四个点 P1 ～ P4的温 度值. 图 6 模孔出口特征位置示意图 Fig.6 Featurepositionsatthedieholesoutlet 同时,定义出口的温升 ΔTO为 ΔTO =TO -Tbillet (3) 式中, Tbillet为坯料预热温度 . 3.1 挤压速度对出口温度的影响 结合高温合金挤压速度范围和钢管挤压机的极 限挤压速度, 选取挤压速度为 50 ～ 400 mm·s -1.为 了研究挤压速度对挤压过程出口温度变化的影响 , 将其他参数定为坯料预热温度 1 100 ℃, 摩擦因数 0.03, 并在调整挤压速度时保持不变 .由图 7可见, 随着挤压速度的提高,变形区坯料的应变速率越大, 使得单位时间的变形功变大, 出口处的最高温度由 1 123 ℃升高到 1 155 ℃.出口处温度先随着挤压垫 的位移增加小幅度地上升 , 之后不断减少, 说明 IN690合金与铝、镁等有色金属的挤压过程温度变 化不同,出模孔处制品的温度呈下降趋势而并非升 高 [ 9] .同时通过模拟结果得出, 当挤压速度小于 100 mm·s -1 , 挤压垫位移大于 41 mm时 ,出口处的温 度小于坯料预热温度 1 100 ℃;而挤压速度大于 200 mm·s -1时 ,其出口温度均大于 1 100 ℃.随着挤 压速度的降低 ,出口温度下降的幅度变大:挤压速度 为 400 mm·s -1时 , 其出口处温度的范围为 1 152 ～ 1 145 ℃;挤压速度为 50 mm·s -1时 ,出口处温度范围 为 1 123 ～ 1 050 ℃.这表明挤压速度过慢会使得出 口温度下降严重, 可推测变形区的温度可能进入塑 性较差温度范围 ,从而影响产品质量 .因此为了保 证得到较好的产品质量 ,应当保证较高的挤压速度. 图 7 不同挤压速度下出口温度随挤压垫位移变化 Fig.7 Variationofoutlettemperaturewithextrusionpaddisplacementatdifferentextrusionspeeds 3.2 坯料预热温度对出口温度的影响 坯料在挤压前进行预热以保证变形时材料的组 织为单一奥氏体, 同时预热会使材料的屈服极限降 低, 从而降低挤压力 ,所以升高预热温度可以改善加 工工艺 [ 10] , 但是另一方面影响界面传热的大小, 预 热温度越高,坯料与工模具的温差越大 ,坯料热量丧 失也较大 ,并且模具温度升高越快 ,对模具使用寿命 产生影响 .本文模拟中选取四种坯料预热温度为 1 100 ℃、1150℃、1200℃和 1 250 ℃.为了研究坯料 预热温度对挤压过程出口温度变化的影响, 将其他 参数设定为挤压速度 200 mm·s -1 , 摩擦因数 0.03, 并在调整坯料预热温度时保持不变.由图 8 可知: · 1486·
第11期 孙朝阳等：工艺参数对690合金管材热挤压出口温度的影响 ·1487° 坯料预热温度越高，出口处温升越小：不同坯料初始 140 温度下，其出口温升波动幅值差别不大.因为坯料 -f=0.01 …f=0.02 预热温度越高，则材料的流动应力越小，塑性变形功 -f=0.04 变小，则温升较小：相反预热温度越低，则温升越 L100 -=f=0.10 大.当坯料预热温度为1100Q时，出口处温升范围 1080 为28~55℃，幅值为27℃；挤压温度为1250℃时， 1060 出口处的温升范围为一11~17℃幅值为28℃.所 以，对于坯料预热温度较低的挤压，则需注意的是出 1040 口处温升：而对于较高坯料初始温度，则需更多关注 102 出口处温降. 30 40 45 0 挤压垫位移mm 60 一1100℃ 图9不同摩擦因数下出口温度随挤压垫位移的变化 ···1150℃ Fg 9 Variat ion of outet temperaure with extrusion pad displace -1200℃ ·1250℃ ment under diffe rent fric tion coefficients ””4 (2)挤压速度越大，出口温度越高，出口温度下 15 降的幅度越小，而挤压速度小会使出口温度下降严 重，因此应当保证较高的挤压速度 4 (3)坯料预热温度越高，出口温升越小，但对出 口处温度变化幅度影响不大.对于控制出口温度范 30 32 34 36 38 40 围，坯料预热温度较低时，需注意出口温升；而对于 挤压垫位移mm 图8不同坯料预热温度下出口处温升随挤压垫位移的变化 坯料预热温度较高时，则需更多关注出口温降. Fig 8 Variat ion of outlet wmperature rise with extrusion pad dis (4)当摩擦因数为小于0.04时，摩擦因数对出 plcement at different prehea ting temperatures of billets 口温度影响很小：但是当润滑条件恶化（如润滑剂 因高温失效)时，摩擦因数可能大于01这时出口 3.3摩擦对出口温度的影响 温度将会明显升高.因而应当保证挤压过程玻璃润 润滑条件是挤压工艺中的重要参数，因为其直 滑剂的良好润滑作用，避免发生失效情况. 接影响挤压过程中应力场、温度场和挤压力的分布 钢管热挤压中采用玻璃润滑剂，摩擦因数取值为 参考文献 0.02~0.03".将其他参数设为挤压速度为 [I]W ang G Zhang BG Feng JC et a]Researth Progress in repair 100mms,坯料预热温度为1100℃，并在调整摩 weHing echnobgy of Nibased superalby blades Wed Join 擦因数时其他参数保持不变.由图9可知：摩擦因 2008(1):20 数变化范围为0.01~0.04时，对出口温度影响很 (王刚张秉刚冯吉才，等镍基高温合金叶片焊接修复技术 的研究进展.焊接2008(1,20) 小：但是润滑条件恶化（如润滑剂因高温失效）时， 2 ZhangH B LiS J HuY H et al The extemal research smus of 这时摩擦因数将可能大于Q↓这时出口温度将会 the heat transfer ube for stea generaor Spec Steel Technol 升高.这是由于当摩擦因数较小时，摩擦功对于坯 20038(4:2 料的热量变化影响较小；而摩擦因数较大时，由于坯 (张红斌李守军，胡尧和等.国外关于蒸汽发生器传热管用 料与芯棒以及模具之间摩擦功变大从而使得温升较 nmel690合金研究现状.特钢技术，200B8(4片2) 大.因此必须保证挤压过程中润滑一直良好，否则 【3 DongY GaoZY Devebpment ofnuc lear pover industy and re search of alby Incone1690 in Chna Spec SteelTehnQl 2004 9 将可能使得温升超过合金良好塑形变形温度允许 (3:45 范围. (董毅，高志远.我国核电事业的发展与ncoe90合金的研 制.特钢技术20049(3：45) 4结论 [4 LiL Zhau J Duszczyk J Predicton of temperaure evoution dur ing the extusion of7075 alum nim alby at varous ram speeds by (1)坯料在挤压变形区附近温度开始升高，到 meas of3D FEM siulaton J Ma ter Process Technol 2004 145 达变形区内急剧升高，且在模孔出口靠近芯棒处温 (3片360 度达到最高：靠近芯棒的金属温度大于靠近挤压筒 LiuG Zhou J Duszczk J Prediction and verification of tmpera 的金属：最大温升出现在填充挤压阶段结束时， ture evolution as a functin of ram speed during the extrusin of
第 11期 孙朝阳等:工艺参数对 IN690合金管材热挤压出口温度的影响 坯料预热温度越高,出口处温升越小 ;不同坯料初始 温度下 ,其出口温升波动幅值差别不大.因为坯料 预热温度越高,则材料的流动应力越小,塑性变形功 变小, 则温升较小 ;相反, 预热温度越低, 则温升越 大 .当坯料预热温度为 1 100 ℃时 ,出口处温升范围 为 28 ～ 55 ℃,幅值为 27 ℃;挤压温度为 1 250 ℃时 , 出口处的温升范围为 -11 ～ 17 ℃, 幅值为 28 ℃.所 以 ,对于坯料预热温度较低的挤压,则需注意的是出 口处温升;而对于较高坯料初始温度 ,则需更多关注 出口处温降 . 图 8 不同坯料预热温度下出口处温升随挤压垫位移的变化 Fig.8 Variationofoutlettemperaturerisewithextrusionpaddisplacementatdifferentpreheatingtemperaturesofbillets 3.3 摩擦对出口温度的影响 润滑条件是挤压工艺中的重要参数, 因为其直 接影响挤压过程中应力场 、温度场和挤压力的分布 . 钢管热挤压中采用玻璃润滑剂, 摩擦因数取值为 0.02 ～ 0.03 [ 11] .将 其他 参 数设 为 挤压 速 度为 100mm·s -1 ,坯料预热温度为 1 100 ℃, 并在调整摩 擦因数时其他参数保持不变 .由图 9可知 :摩擦因 数变化范围为 0.01 ～ 0.04 时, 对出口温度影响很 小 ;但是润滑条件恶化 (如润滑剂因高温失效 )时 , 这时摩擦因数将可能大于 0.1, 这时出口温度将会 升高.这是由于当摩擦因数较小时 , 摩擦功对于坯 料的热量变化影响较小;而摩擦因数较大时,由于坯 料与芯棒以及模具之间摩擦功变大从而使得温升较 大 .因此必须保证挤压过程中润滑一直良好 ,否则 将可能使得温升超过合金良好塑形变形温度允许 范围. 4 结论 (1)坯料在挤压变形区附近温度开始升高 ,到 达变形区内急剧升高, 且在模孔出口靠近芯棒处温 度达到最高 ;靠近芯棒的金属温度大于靠近挤压筒 的金属 ;最大温升出现在填充挤压阶段结束时 . 图 9 不同摩擦因数下出口温度随挤压垫位移的变化 Fig.9 Variationofoutlettemperaturewithextrusionpaddisplacementunderdifferentfrictioncoefficients (2)挤压速度越大 ,出口温度越高 ,出口温度下 降的幅度越小 ,而挤压速度小会使出口温度下降严 重, 因此应当保证较高的挤压速度 . (3)坯料预热温度越高 ,出口温升越小 ,但对出 口处温度变化幅度影响不大.对于控制出口温度范 围, 坯料预热温度较低时, 需注意出口温升;而对于 坯料预热温度较高时,则需更多关注出口温降. (4)当摩擦因数为小于 0.04时 ,摩擦因数对出 口温度影响很小;但是当润滑条件恶化 (如润滑剂 因高温失效)时, 摩擦因数可能大于 0.1, 这时出口 温度将会明显升高 .因而应当保证挤压过程玻璃润 滑剂的良好润滑作用,避免发生失效情况. 参 考 文 献 [ 1] WangG, ZhangBG, FengJC, etal.Researchprogressinrepair weldingtechnologyofNi-basedsuperalloyblades.WeldJoin, 2008, (1):20 (王刚, 张秉刚, 冯吉才, 等.镍基高温合金叶片焊接修复技术 的研究进展.焊接, 2008, (1):20) [ 2] ZhangHB, LiSJ, HuYH, etal.Theexternalresearchstatusof theheattransfertubeforsteam generator.SpecSteelTechnol, 2003, 8(4):2 (张红斌, 李守军, 胡尧和, 等.国外关于蒸汽发生器传热管用 Inconel690合金研究现状.特钢技术, 2003, 8(4):2) [ 3] DongY, GaoZY.DevelopmentofnuclearpowerindustryandresearchofalloyInconel690 inChina.SpecSteelTechnol, 2004, 9 (3):45 (董毅, 高志远.我国核电事业的发展与 Inconel690合金的研 制.特钢技术, 2004, 9(3):45) [ 4] LiL, ZhouJ, DuszczykJ.Predictionoftemperatureevolutionduringtheextrusionof7075 aluminiumalloyatvariousramspeedsby meansof3DFEMsimulation.JMaterProcessTechnol, 2004, 145 (3):360 [ 5] LiuG, ZhouJ, DuszczykJ.Predictionandverificationoftemperatureevolutionasafunctionoframspeedduringtheextrusionof · 1487·
。1488 北京科技大学学报 第32卷 AZ31 alby inp a rectngular secton J Mater Pocess Tehngl jing Mea llugy Industry Press 2001 2007186(1-3)片191 (谢建新，刘静安.金属挤压理论与技术.北京：治金工业出版 [6 YagH Zhang J He YM et al Effect of tmperatre and ra 社，2001) speed on isothemalextrusion for largesize ube with piecew ng I [10 W ang J Dang JX Zhang M C et al Numerical smulation pr Mater SciTechnol 2005 21(4):499 ptmization of the extuspn pocess ofGH4169 uubes JUnivSci L【刀Huang CH Xu GM Smukt知of tempemue fed ofakmnm Technol Beijng 2010 32(1)84 alby bar durng extruding Lght Alby Fabr Technol 2008 36 (王珏。董建新，张麦仓，等.G4169合金管材正挤压工艺优 (9:27 化的数值模拟.北京科技大学学报，201032(1：84) (黄成华，许光明.铝合金圆棒挤压过程温度场模拟.轻合金 [11]Wu RD W angX E Zhang I,Boundary parameters durng ghss 加工技术200836(9)片：27) ubricated hot extrusin of steel Pipes J Plst Eng 2009 16 【习Sella CM TegartW JM On hemechaim of hot depmaton (495 Ac Meta)Ⅱ196614(9)：1136 (吴任东，王雪风张磊.钢管玻璃润滑热挤压工艺的边界条 I9 Xie JX Liu JA Menl Extusin Theory and Technopgy Bei 件.塑性工程学报.200916(4)：95) (上接第1463页) [6 Caron P Henderon P J KhanT et al On the efects of heat 1 Seo SM Km IS JoCY Low cycle fatigue and fmcure beha team ent on the creep behav our of a single crystal supera lke pr ofNibase sapeml (M247LC at760C.Mater Sci Forum SaptaMen198620(6:875 2004449(11):561 I7]DIewG L.Reed R C KakchiK Sirgle crstal superalloys he [11]Hopgood AA Martin JW.The creep behav gurof a nickelbase tansition from Prmary o secondary creep//Supen lbys 2004 single crysml superalke Ma ter SiEng A 1986 82 27 Warendale 2004 127 【12 ShuiL Jin T Tian SG et a]Phase mophopgy evolution of a I8 Lukis P Kunz I.Svdoda M Fatige notch sensitivit of ult single cstalnickel base supel he01]directin during fne grained copper Mater Sci Eng A 2005 391(1/2):337 the tensile creep RareMetMa ter Eng 2009 38(5):826 【9身WrghtPK JanM Caern D Hgh cycke at8 e n a sng啡 (水丽金涛田素贵，等.【01川取向镍基单品合金高温蠕变 crysl superallay tie dependence at elevated temperaure/Su 期间Y相定向粗化行为研究.稀有金属材料与工程2009 pem lloys2004 W amenda le 2004 657 38(5):826)
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