236 工程科学学报，第43卷，第2期 表6圆环压缩实验结果 (a) (b) (c) Table 6 Results of ring compression experiments Oxide Oxide Oxide layer layer layer Sample Lubricant Temperature/℃ Friction factors,m No lubricant 750 1 2 Westinghouse 700 0.20±0.01 (d) (e) (① Westinghouse 750 022±0.02 4 Westinghouse 800 0.27±0.01 7 Present study 700 0.19±0.01 8 Present study 750 020±0.01 9 Present study 800 025±0.01 图4Zr4合金试样横截面形貌.(a)无润滑剂.700℃：(b)无润滑剂 800℃：(c)无润滑剂，900℃；(d)有润滑剂，700℃：(e)有润滑剂 的箱式电阻炉中保温1h后，试样外观发生了明显 800℃：()有润滑剂.900℃ 的变化，如图3所示.无润滑涂层的Z-4合金试样 Fig.4 Cross-sectional morphology of Zr-4 alloy:(a)without lubricant 外观可以看出发生了严重的氧化，并且出现肿胀、 700℃；(b)without lubricant,,800℃，(c)without lubricant,,900℃， (d)with lubricant,,7o0℃；(e)with lubricant,,8O0℃；()with lubricant,. 开裂，尤其在棱角上更为明显，这是因为试样在 900℃ 高温下吸收了周围气氛中的氧、氮、氢等气体，而 有润滑剂保护的试样未发生形变，表面基本没有 或减少坯料与模具的传热来控制H13模具钢温 发生变化，变黑是由于石墨与二硫化钼未能去除 升，润滑剂对界面传热的减缓，有利于延长挤压模 干净 具的寿命，提升挤压产品的质量 按照图1所示进行换热实验，同时，增加一组 (a) (b) c Zr-4合金棒与H13模具钢棒直接接触的换热实 验，以对比无润滑条件的传热行为.图5展示了有 润滑剂条件下与无润滑剂条件下Zr-4合金棒与 H13合金棒接触时的温度（图1中的T1、T2、T3、T4) 随时间的变化曲线.图5(a)是有润滑剂条件下Zr- 4合金棒与H13模具钢棒的温度-时间曲线，可以 国3Zr4合金试样.(a)加热前：(b)涂覆润滑剂：(c)未涂覆润滑剂 Fig.3 Zr-4 alloy sample:(a)before heating(b)coated with lubricant, 看出大约在8s时Zr-4合金棒与H13合金棒开始 (c)uncoated with lubricant 接触传热，传热12s后温度基本稳定，传热结束 图4是在不同温度保温1h后的Zr-4合金试 图5(b)是无润滑条件下Zr-4合金棒与H13模具钢 样横截面形貌，试样表面的润滑剂已经去除.可以 棒的温度-时间曲线，可以看出其界面温度达到稳 看出未涂覆润滑剂的试样表面有明显的氧化层， 定的时间下降到了7.7s左右，相较于有润滑剂条 当加热温度达到900℃时，氧化层还出现了明显 件下的换热时间缩短了约三分之一.这是由于润 的裂纹，这会对合金后续的加工、使用造成严重的 滑剂在两根金属棒之间的填充减小了接触面积 影响.有润滑剂保护的试样在不同温度下均没有 即很大程度上减少热流通道数量，润滑剂的主要 出现明显的氧化层，这说明该润滑剂能为金属基 成分是玻璃，相较于金属，玻璃的热阻要更大，所 体提供较好的防护效果，可有效减少其与周围气 以在有润滑剂条件下的换热较慢，说明润滑剂具 氛发生反应 有一定的热障性 2.3润滑剂的高温热障性能 根据实验测得的Zr-4合金棒与H13模具钢棒 在实际挤压过程中，减少模具与坯料的换热 的温度-时间数据，使用传热学公式(2)可以计算 是很有必要的.如H13模具钢，其回火温度通常 出Zr-4合金与H13模具钢的界面换热系数.式中 为560~600℃，在此温度以上使用的话其强度会 1是Zr-4合金的热传导系数，取自参考文献[25] 发生明显的下降，容易造成模孔变形，降低挤压产 界面换热系数h随时间的变化如图6所示.如 品质量.而Zr-4合金的挤压温度要远高于H13模 图6(a)所示，在有润滑剂条件下，随着传热过程的 具钢的回火温度，在挤压过程中二者的接触会引 进行，界面化热系数逐渐增大，从131Wm2.℃ 起H13模具钢温度升高，必须通过缩短挤压时间 增大至1900Wm2.℃：如图6(b)所示，在没有润的箱式电阻炉中保温 1 h 后，试样外观发生了明显 的变化，如图 3 所示. 无润滑涂层的 Zr-4 合金试样 外观可以看出发生了严重的氧化，并且出现肿胀、 开裂，尤其在棱角上更为明显，这是因为试样在 高温下吸收了周围气氛中的氧、氮、氢等气体. 而 有润滑剂保护的试样未发生形变，表面基本没有 发生变化，变黑是由于石墨与二硫化钼未能去除 干净. (a) (b) (c) 图 3    Zr-4 合金试样. （a）加热前；（b）涂覆润滑剂；（c）未涂覆润滑剂 Fig.3    Zr-4 alloy sample: (a) before heating; (b) coated with lubricant; (c) uncoated with lubricant 图 4 是在不同温度保温 1 h 后的 Zr-4 合金试 样横截面形貌，试样表面的润滑剂已经去除. 可以 看出未涂覆润滑剂的试样表面有明显的氧化层， 当加热温度达到 900 ℃ 时，氧化层还出现了明显 的裂纹，这会对合金后续的加工、使用造成严重的 影响. 有润滑剂保护的试样在不同温度下均没有 出现明显的氧化层，这说明该润滑剂能为金属基 体提供较好的防护效果，可有效减少其与周围气 氛发生反应. 2.3    润滑剂的高温热障性能 在实际挤压过程中，减少模具与坯料的换热 是很有必要的. 如 H13 模具钢，其回火温度通常 为 560～600 ℃，在此温度以上使用的话其强度会 发生明显的下降，容易造成模孔变形，降低挤压产 品质量. 而 Zr-4 合金的挤压温度要远高于 H13 模 具钢的回火温度，在挤压过程中二者的接触会引 起 H13 模具钢温度升高，必须通过缩短挤压时间 或减少坯料与模具的传热来控制 H13 模具钢温 升，润滑剂对界面传热的减缓，有利于延长挤压模 具的寿命，提升挤压产品的质量. 按照图 1 所示进行换热实验，同时，增加一组 Zr-4 合金棒与 H13 模具钢棒直接接触的换热实 验，以对比无润滑条件的传热行为. 图 5 展示了有 润滑剂条件下与无润滑剂条件下 Zr-4 合金棒与 H13 合金棒接触时的温度（图 1 中的 T1、T2、T3、T4） 随时间的变化曲线. 图 5（a）是有润滑剂条件下 Zr- 4 合金棒与 H13 模具钢棒的温度−时间曲线，可以 看出大约在 8 s 时 Zr-4 合金棒与 H13 合金棒开始 接触传热，传热 12 s 后温度基本稳定，传热结束. 图 5（b）是无润滑条件下 Zr-4 合金棒与 H13 模具钢 棒的温度−时间曲线，可以看出其界面温度达到稳 定的时间下降到了 7.7 s 左右，相较于有润滑剂条 件下的换热时间缩短了约三分之一. 这是由于润 滑剂在两根金属棒之间的填充减小了接触面积， 即很大程度上减少热流通道数量. 润滑剂的主要 成分是玻璃，相较于金属，玻璃的热阻要更大，所 以在有润滑剂条件下的换热较慢，说明润滑剂具 有一定的热障性. 根据实验测得的 Zr-4 合金棒与 H13 模具钢棒 的温度−时间数据，使用传热学公式（2）可以计算 出 Zr-4 合金与 H13 模具钢的界面换热系数. 式中 λ 是 Zr-4 合金的热传导系数，取自参考文献 [25]. 界面换热系数 hc 随时间的变化如图 6 所示. 如 图 6（a）所示，在有润滑剂条件下，随着传热过程的 进行，界面化热系数逐渐增大，从 131 W·m−2 ·℃−1 增大至 1900 W·m−2 ·℃−1；如图 6（b）所示，在没有润 表 6    圆环压缩实验结果 Table 6    Results of ring compression experiments Sample Lubricant Temperature / ℃ Friction factors, mt 1 No lubricant 750 1 2 Westinghouse 700 0.20±0.01 3 Westinghouse 750 0.22±0.02 4 Westinghouse 800 0.27±0.01 7 Present study 700 0.19±0.01 8 Present study 750 0.20±0.01 9 Present study 800 0.25±0.01 Oxide layer Oxide layer Oxide layer (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图 4    Zr-4 合金试样横截面形貌. （a）无润滑剂，700 ℃；（b）无润滑剂， 800 ℃；（c）无润滑剂，900 ℃；（d）有润滑剂，700 ℃；（e）有润滑剂， 800 ℃；（f）有润滑剂，900 ℃ Fig.4    Cross-sectional morphology of Zr-4 alloy: (a) without lubricant, 700  ℃; (b)  without  lubricant,  800   ℃; (c)  without  lubricant,  900   ℃; (d) with lubricant, 700 ℃; (e) with lubricant, 800 ℃; (f) with lubricant, 900 ℃ · 236 · 工程科学学报，第 43 卷，第 2 期