玻璃潤(rùn)滑在鈦合金型材擠壓中的應(yīng)用

崔　順，　李中奎，　文惠民，　馬余選，　王旭峰，　孫瑋瓏

（西部新鋯核材料科技有限公司， 陜西　西安　710016）

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玻璃潤(rùn)滑在鈦合金型材擠壓中的應(yīng)用

崔順，李中奎，文惠民，馬余選，王旭峰，孫瑋瓏

（西部新鋯核材料科技有限公司， 陜西西安710016）

結(jié)合不同成分的玻璃潤(rùn)滑劑在擠壓鈦合金U形、F形、L形等型材上的應(yīng)用展開分析，指出在選擇玻璃潤(rùn)滑時(shí)，應(yīng)從涂覆層厚度、玻璃墊厚度、瞬融速度、高溫黏度、玻璃粉與添加劑及水的配比等因素考慮，并強(qiáng)調(diào)應(yīng)加強(qiáng)有限元數(shù)值模擬在鈦合金型材擠壓過(guò)程中的應(yīng)用。

玻璃潤(rùn)滑鈦合金型材擠壓

鈦合金型材作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，由于其強(qiáng)度高且具有耐熱、耐腐蝕性等特點(diǎn)，已在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)的玻璃潤(rùn)滑技術(shù)起步較晚，在鈦合金型材擠壓領(lǐng)域應(yīng)用案例較少且多為工藝試驗(yàn)，尚未進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

1　鈦合金擠壓潤(rùn)滑方式

鈦合金熱擠壓加工時(shí)，由于被加工的熱金屬和模具之間存在摩擦阻力，使擠壓坯料的局部發(fā)熱，降低工模具的使用壽命，因此必須在擠壓坯料和工模具之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑。目前，鈦合金的擠壓潤(rùn)滑主要有潤(rùn)滑脂、金屬包套、玻璃潤(rùn)滑三種方式。

潤(rùn)滑脂一般為加有稠化劑的礦物油。用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑可以擠壓出表面質(zhì)量?jī)?yōu)良的鈦材，但擠壓長(zhǎng)度受限，通常擠壓型材的長(zhǎng)度最大為3～4.5 m，多為小批量生產(chǎn)。

金屬包套潤(rùn)滑主要是在鈦坯料外面包覆銅、軟鋼或其他金屬，也可噴涂銅等，目前，應(yīng)用最為廣泛的是銅包套。采用銅包套擠壓時(shí)，當(dāng)金屬溫度超過(guò)850℃時(shí)，會(huì)在鈦與銅的界面上產(chǎn)生Ti-Cu共晶組織，破壞正常的擠壓方式。金屬包套擠壓工序復(fù)雜、成本高，酸洗過(guò)程會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

玻璃潤(rùn)滑擠壓工藝始于1941年，1942年法國(guó)人J.Sejoumet發(fā)明了擠壓鋼管用的玻璃潤(rùn)滑劑。自此，玻璃潤(rùn)滑劑被廣泛地應(yīng)用于各種金屬鍛造、擠壓、軋制等方面。

由于玻璃潤(rùn)滑劑在高溫時(shí)具有一定的黏度和較好的絕熱效果，擠壓時(shí)可以使接觸表面的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缒Σ粒谘娱L(zhǎng)工模具的使用壽命的同時(shí)，也可提高擠壓制品的性能、表面質(zhì)量，降低擠壓能耗。如圖1所示。

圖1　玻璃潤(rùn)滑擠壓裝置示意圖

2　玻璃潤(rùn)滑應(yīng)用實(shí)例

擠壓制品為TA15鈦合金厚壁U形型材，其斷面形狀及尺寸如圖2所示。

圖2　鈦合金U形型材示意圖（單位：mm）

為了解不同成分的玻璃墊對(duì)擠壓制品是否起到?jīng)Q定作用，應(yīng)對(duì)制備工藝進(jìn)行分析。玻璃墊的熔化速度與玻璃的性能、粒度和玻璃墊的制作工藝有很大關(guān)系。玻璃墊的制作工藝主要與壓制密度、水玻璃的加入量等有關(guān)。對(duì)于玻璃而言，熔化溫度區(qū)間窄的玻璃熔化及時(shí)，潤(rùn)滑膜薄而均勻、流出穩(wěn)定且連續(xù)。玻璃墊的壓制密度大時(shí)，硬的大塊的玻璃不能迅速熔化，可能造成模具的沖刷損傷、制品產(chǎn)生深溝槽等，因此制作玻璃墊時(shí)應(yīng)盡量松軟。

根據(jù)鈦合金型材擠壓溫度和使用條件的要求，選擇了TB8和TB5兩種玻璃粉制作玻璃墊[1]。這兩種玻璃粉的成分均是Na2O·B2O3·SiO2玻璃，具有軟化溫度低、化學(xué)穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，如表1所示。

表1　TB5和TB8的性能比較

擠壓試驗(yàn)溫度為950℃，擠壓筒直徑為Φ160mm，擠壓比為16.7。

將TB8/TB5玻璃粉按90%+水玻璃（硅酸鈉）8%+水2%的比例均勻混合（其中90%、8%、2%分別為對(duì)應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），水玻璃（硅酸鈉）添加時(shí)需進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，防止出現(xiàn)玻璃硬塊，隨后用壓力機(jī)壓制成形，在200℃下烘干。分別制備12mm、8mm兩種厚度的玻璃墊。

經(jīng)試驗(yàn)，厚度為8 mm的TB8玻璃墊在950℃擠壓時(shí)，擠壓效果優(yōu)于其余組合。

TB8玻璃粉較TB5玻璃粉粒度、軟化溫度均低，熔化溫度區(qū)間窄（TB8：466.3~428.9℃）<（TB5：605~552.8℃），擠壓過(guò)程中熔化及時(shí)，可以形成均勻、薄稀的潤(rùn)滑膜，利于擠壓試驗(yàn)，與工藝分析一致。

擠壓制品為TC4鈦合金厚壁F形、L形型材，其斷面形狀及尺寸如圖3、圖4所示。

該擠壓試驗(yàn)同樣制備玻璃墊進(jìn)行潤(rùn)滑，擠壓溫度為1 050℃，根據(jù)擠壓溫度的要求，選擇流動(dòng)性在1050℃左右的玻璃。某牌號(hào)為A5的玻璃粉，其成分為w(SiO2)=55%、w(Al2O3)=13%、w(B2O3)=8%、w(CaO)= 5%、w(MgO)=3%、w(TiO2)=4%、w(Na2O)=12%，軟化點(diǎn)為734℃，流動(dòng)點(diǎn)為1 000℃。

圖3　鈦合金F形型材示意圖（單位：mm）

圖4　鈦合金L形型材示意圖（單位：mm）

將A5玻璃粉按90%+水玻璃（硅酸鈉）8%+水2%的比例均勻混合（其中90%、8%、2%分別為對(duì)應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），制備玻璃墊。根據(jù)擠壓型材的規(guī)格最終選擇的玻璃墊厚度為50mm。

擠壓后獲得的制品比較平直，表面質(zhì)量良好。該擠壓試驗(yàn)選用的A5玻璃粉軟化點(diǎn)為734℃，低于擠壓溫度300℃。既保證了玻璃粉在擠壓高溫時(shí)能夠在坯料、模具之間熔化及時(shí)，又保證了玻璃粉在擠壓過(guò)程中呈流動(dòng)狀態(tài)而完整地包覆在坯料、模具之間，使得潤(rùn)滑效果良好。因此，可以獲得良好的擠壓制品。

3　鈦合金型材擠壓新思路

現(xiàn)代加工技術(shù)采用基于經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足實(shí)際需要。自LEE和KOBAYASHI將有限元方法引入塑形加工領(lǐng)域以來(lái)，有限元方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于分析材料變形過(guò)程中的參數(shù)變化。LI[2]通過(guò)有限元模擬分析了TC4合金棒材的擠壓成型過(guò)程及潤(rùn)滑因素帶來(lái)的影響，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者的誤差≤10%。DAMODARAN[3]通過(guò)有限元軟件模擬了鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦型材的擠壓過(guò)程，研究了感應(yīng)加熱、坯料轉(zhuǎn)移、玻璃潤(rùn)滑劑、金屬流動(dòng)和模具等，根據(jù)有限元的仿真結(jié)果，不僅對(duì)擠壓模具進(jìn)行了改造，也對(duì)TC4合金型材進(jìn)行了驗(yàn)證。

4　結(jié)論

1）研究不同鈦合金的擠壓潤(rùn)滑劑對(duì)于提高鈦合金的擠壓成品的合格率有著重要作用。玻璃潤(rùn)滑的主要特點(diǎn)是以擠壓溫度為基礎(chǔ)，從玻璃黏度、瞬熔性、玻璃粉配等方面綜合考慮，以達(dá)到擠壓出高質(zhì)量合金制品的目的。

2）目前，國(guó)內(nèi)鈦合金熱擠壓的有限元數(shù)值模擬基礎(chǔ)研究工作還不夠。企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的合作，可加強(qiáng)有限元數(shù)值模擬在鈦合金熱擠壓中的應(yīng)用。

3）熱擠壓技術(shù)是先進(jìn)金屬加工技術(shù)的一個(gè)重要分支。發(fā)展鈦合金熱擠壓成形技術(shù)，對(duì)于解決我國(guó)大型飛機(jī)用鈦合金型材等有著重要的意義。

[1]徐哲，段素杰，佟學(xué)文，等.玻璃墊在鈦合金型材擠壓中的應(yīng)用[J].稀有金屬快報(bào)，2008，27（11）：37-40.

[2]LI L X,RAO KP，.A study on hot extrusion of Ti-6Al-4V using simulations and experiments[J].International Journal of Mechanical Science，2002，44（12）：2415-2425.

[3]DAMODARAN D.Prediction and control of part distortion during the hot extrusion of titanium alloys[J].Journal of Materials of Processing Technology，2004，150（1）：70-75.

（編輯：賀焱）

The Application of Glass Lubricaion Technology in Section Extruding

CUI Shun，LI Zhongkui，WEN Huimin，MA Yuxuan，WANG Xufeng，SUN Weilong
（Western Energy Materials Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710016）

The paper mainly introduces glass lubricants with different compositions in squeezing of titanium alloy U,F, L-shaped for analysis,and it puts forward that while selecting glass lubrication,there are factors should be considered such as the thickness of coating layer and glass mat,the instantaneous melting speed,the high temperature viscosity and glass powder with additives and the ratio of water,as well as strengthening the application of finite element numerical simulation in squeezing process of titanium alloy profile.

glass lubricaion technology，titanium alloy，section extruding

TG376

A

1672-1152（2016）02-0044-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.17

2015-12-14

崔順（1985—），男，碩士，從事鋯、鈦合金生產(chǎn)設(shè)備的管理與維護(hù)工作，工程師。