鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑的應(yīng)用及發(fā)展方向

文／馮馳·北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司

玻璃防護(hù)潤滑劑以其獨(dú)特的優(yōu)勢，能很好地解決金屬熱鍛過程中遇到的高溫防護(hù)、潤滑和脫模問題；同時(shí)，其保溫性能優(yōu)良，能減緩熱鍛過程中鍛件的溫降，從而降低變形抗力。目前玻璃防護(hù)潤滑劑可適用于多種金屬、各溫度段的熱加工工藝，適用性強(qiáng)、無毒環(huán)保，得到了廣泛的應(yīng)用。

玻璃防護(hù)潤滑劑的主要作用

玻璃防護(hù)潤滑劑是一種加熱前涂覆于金屬鍛件坯料表面的涂層，待涂層干燥后隨鍛件坯料入爐加熱，玻璃防護(hù)潤滑劑的主要作用有以下三點(diǎn)：

防護(hù)

玻璃防護(hù)潤滑劑在高溫下可在鍛件坯料表面形成一層致密、連續(xù)、均勻的玻璃薄膜，隔絕O2、H2、N2、SO2等氣體對(duì)坯料的熱腐蝕，提高材料利用率，并抑制晶界腐蝕和合金元素貧化，保證了金屬的強(qiáng)度、剛度、硬度等力學(xué)性能不受高溫環(huán)境的影響。

潤滑

在坯料鍛壓時(shí)，玻璃防護(hù)潤滑劑可起到高溫潤滑、隔離、脫模作用，改善金屬鍛件塑性、減少加工余量、提高制品表面質(zhì)量，并降低設(shè)備能源消耗。

保溫

在金屬坯料加熱到高溫出爐轉(zhuǎn)移、鍛造時(shí)，玻璃防護(hù)潤滑劑可以減少坯料的溫降，起到保溫作用；在金屬坯料與工模具接觸時(shí)，玻璃防護(hù)潤滑劑可起到隔離作用，防止工模具過熱，延長模具壽命。

由此可見，玻璃防護(hù)潤滑劑具有油脂、蠟、石墨、二硫化鉬等傳統(tǒng)模具潤滑劑無可比擬的、更全面的性能優(yōu)勢，在金屬熱鍛行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑的應(yīng)用

金屬鍛造用玻璃防護(hù)潤滑劑組成

在鍛造工藝中使用的玻璃防護(hù)潤滑劑是以非晶態(tài)玻璃為主要固體基料，與其他添加劑、粘接劑和溶劑混合后，經(jīng)特殊工藝制備而成的漿狀物，在坯料加熱前均勻刷涂、噴涂或浸涂到金屬鍛件坯料表面，干燥后形成涂層。

金屬鍛造用玻璃防護(hù)潤滑劑的適用范圍

玻璃防護(hù)潤滑劑作為一種適應(yīng)性很強(qiáng)的涂料，可應(yīng)用于鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金、合金鋼、鈦鋁合金等金屬的熱鍛造過程中。無論對(duì)于形狀復(fù)雜、加工余量小的鍛件(如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、人工關(guān)節(jié)等)，還是大尺寸、長時(shí)間加熱的鍛件(如渦輪盤、眼鏡框、起落架等)，玻璃防護(hù)潤滑劑的使用可以顯著提高鍛件質(zhì)量，同時(shí)減少鍛造火次、降低鍛壓力、提高鍛造模具使用壽命。

金屬鍛造用玻璃防護(hù)潤滑劑的防護(hù)作用

在有色金屬鍛造過程中，在高溫下不可避免地會(huì)氧化、吸氫、吸氮，從而導(dǎo)致合金元素貧化、塑性降低、表面高溫腐蝕產(chǎn)物增多，嚴(yán)重影響鍛壓后的鍛件質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致鍛壓工序無法進(jìn)行。

不同有色金屬的熱鍛溫度大致在400 ～1350℃范圍內(nèi)，在這樣高的溫度環(huán)境下，金屬氧化層、晶界氧化層、滲氣層、貧化層的產(chǎn)生，會(huì)對(duì)金屬的組織形貌造成很大影響，并顯著降低金屬的強(qiáng)度、剛度、耐蝕性、耐酸性等性能，如不加以防護(hù)，就會(huì)對(duì)鍛壓工序及鍛件質(zhì)量造成很大影響，并造成很大的原材料浪費(fèi)。

有色金屬坯料在室溫下涂覆玻璃防護(hù)潤滑劑后，隨著溫度的升高，坯料表面會(huì)形成連續(xù)、封閉、均勻的玻璃態(tài)薄膜，使整個(gè)熱歷程都能隔絕O2、H2、N2、SO2等氣體對(duì)坯料的影響，其具體防護(hù)過程如圖1 所示。

圖1 玻璃防護(hù)潤滑劑涂層防護(hù)效果圖

由圖1 可見，隨著溫度升高，粘結(jié)劑逐漸燒失，涂層不斷熔融減薄，軟化溫度較低的玻璃粉先熔融，保證了金屬坯料在入爐加熱后玻璃防護(hù)潤滑劑能迅速熔融，形成一層連續(xù)、封閉的玻璃薄膜，對(duì)坯料起到防護(hù)作用；隨著溫度進(jìn)一步升高，軟化溫度高的玻璃粉開始熔融，并保持合理粘度，以保證在較高溫度下玻璃態(tài)薄膜的穩(wěn)定性，從而保證了整個(gè)熱歷程的防護(hù)作用。

圖2對(duì)比了表面有無玻璃防護(hù)潤滑劑的300M鋼，在1200℃保溫6h 后的氧化情況。

圖2 300M 鋼1200℃保溫6h 后的氧化情況

由圖2 可見，表面涂覆玻璃防護(hù)潤滑劑的300M鋼試樣，氧化層厚度較裸材試樣減少了近100%，有涂層的300M 鋼幾乎看不到氧化皮。同時(shí)，涂層在300M 鋼冷卻過程中具有較好的自剝落性能，可省去后續(xù)去除涂層的工序。

綜上所述，玻璃防護(hù)潤滑劑能夠在鍛造的全過程對(duì)坯料進(jìn)行防護(hù)，保證了后續(xù)鍛壓過程的順利進(jìn)行，不僅可以減少加工余量，提高材料利用率，也提升了鍛件質(zhì)量。

金屬鍛造用玻璃防護(hù)潤滑劑的潤滑作用

鍛造潤滑是在模鍛和精鍛工藝中保證鍛件成形的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。目前模鍛和精鍛工藝中使用的潤滑劑分為模具潤滑劑和坯料防護(hù)潤滑劑兩種，模具潤滑劑涂覆于模具表面，只起到潤滑和脫模作用，其成分以石墨為主；玻璃防護(hù)潤滑劑屬于典型的坯料防護(hù)潤滑劑，涂覆于鍛件坯料表面，能保護(hù)模具、促進(jìn)潤滑和脫模。

為了測定玻璃防護(hù)潤滑劑在高溫下的潤滑效果，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：《HB 7065-1994 金屬材料熱變形用玻璃防護(hù)潤滑劑規(guī)范》，在630t 液壓機(jī)上通過圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)測定了不同溫度下TC4 鈦合金表面涂覆玻璃防護(hù)潤滑劑前后的摩擦系數(shù)(μ)差別。

具體試驗(yàn)條件如下：在630t 液壓機(jī)上安裝表面粗糙度為Ra0.6μm 的上下墊板，鍛壓前墊板加熱到(400±20)℃，鈦合金圓環(huán)尺寸為外徑(20±0.2)mm、內(nèi)徑(10±0.2)mm、高(7±0.2)mm，采用箱式電爐加熱TC4 鈦合金試樣，鍛壓時(shí)壓機(jī)下壓速度為3mm/s。在930℃、950℃、970℃三個(gè)溫度段下分別鍛壓有涂層和無涂層的鈦合金試樣，其中每個(gè)溫度段設(shè)置5 個(gè)平行試樣。試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2 所示，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算出TC4 鈦合金試樣的壓縮比和內(nèi)徑縮減率的平均值，再通過圓環(huán)鐓粗法測摩擦系數(shù)的理論校正曲線查得相應(yīng)的摩擦系數(shù)μ。

表1 無玻璃防護(hù)潤滑劑涂層的TC4 鈦合金試樣圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)結(jié)果

表2 有玻璃防護(hù)潤滑劑涂層的TC4 鈦合金試樣圓環(huán)鐓粗試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，無玻璃防護(hù)潤滑劑的試樣在高溫鍛壓時(shí)，摩擦系數(shù)在0.48 ～0.57；而有玻璃防護(hù)潤滑劑時(shí)摩擦系數(shù)則降低到0.19 ～0.26。

圖3 為表面涂覆玻璃防護(hù)潤滑劑的鍛件坯料在鍛后的狀態(tài)，可見玻璃防護(hù)潤滑劑涂層在高溫下形成均勻、致密、封閉的熔融態(tài)玻璃薄膜，將鍛件與模具隔開，從而將固固接觸轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃航佑|，將鍛件與模具的外摩擦變?yōu)槿廴趹B(tài)玻璃間的內(nèi)摩擦，起到良好的潤滑效果。

圖3 鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑狀態(tài)

進(jìn)一步而言，潤滑對(duì)鍛件生產(chǎn)的影響是綜合性的，并不限于降低工件與模具接觸表面之間摩擦、減小變形抗力、提高模具壽命的作用。良好的潤滑還可以節(jié)省設(shè)備能源和鍛件材料、提升設(shè)備壽命和鍛件性能。

金屬鍛造用玻璃防護(hù)潤滑劑(保溫涂料)的保溫作用

在鍛造過程中對(duì)鍛件進(jìn)行保溫，是自由鍛和軋制工藝中保證鍛件成形的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。

玻璃的另一主要性能是導(dǎo)熱系數(shù)低。由圖4 可見，玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)比常見金屬小1 ～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得玻璃防護(hù)潤滑劑在高溫熔融后具有非常好的隔熱和保溫性能。同時(shí)，通過對(duì)玻璃配方的特殊調(diào)整，在自由鍛和軋制工藝中使用的玻璃防護(hù)潤滑劑可不產(chǎn)生潤滑作用，為避免產(chǎn)生誤解，常稱之為保溫涂料。

圖4 玻璃與常見金屬導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比

圖5 對(duì)比了表面有無保溫涂料的GH141 高溫合金，加熱至(1100±20)℃出爐軋制后的表面狀態(tài)。

圖5 GH141 高溫合金加熱至(1100±20)℃出爐軋制后的表面狀態(tài)

由圖5 可見，表面涂覆保溫涂料的GH141 高溫合金，軋制后幾乎未見裂紋，而未涂覆保溫涂料的GH141，由于軋制過程中溫降過快導(dǎo)致變形抗力過大，造成軋制后環(huán)件的內(nèi)圓出現(xiàn)了明顯的裂紋。

綜上所述，保溫涂料良好的隔熱和保溫效果可以顯著提升鍛件質(zhì)量，并延長鍛造時(shí)間，特別是對(duì)于GH141、GH738 等鍛造溫度范圍窄的金屬來說，作用更為明顯。同時(shí)也避免了坯料向模具過多的傳熱，延長了模具的使用壽命。

鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料的發(fā)展方向

生產(chǎn)及使用的標(biāo)準(zhǔn)化

隨著鍛造工藝的進(jìn)步，對(duì)于玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料的要求也越來越高，這就要求鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料在生產(chǎn)過程中要確保穩(wěn)定的質(zhì)量，在使用過程中要嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或使用說明進(jìn)行。

2023 年，由北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司牽頭制定的《金屬熱鍛工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑 技術(shù)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)將正式發(fā)布，為玻璃防護(hù)潤滑劑的生產(chǎn)方和使用方提供了重要依據(jù)，可指導(dǎo)生產(chǎn)方對(duì)玻璃防護(hù)潤滑劑的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，同時(shí)可指導(dǎo)使用方正確、規(guī)范地使用玻璃防護(hù)潤滑劑，具有良好的可操作性和指導(dǎo)性，助力鍛造行業(yè)和企業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

品種的多樣化

隨著鍛件材料的多樣化和鍛造工藝的進(jìn)步，對(duì)于玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料的要求趨于多樣化，使得玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料的品種也趨于多樣化。這就要求玻璃防護(hù)潤滑劑的使用方要摒棄一種玻璃防護(hù)潤滑劑適用很多種鍛造工藝的舊思維，同時(shí)，玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料的研制和生產(chǎn)方要與使用方建立緊密的聯(lián)系，及時(shí)為使用方的新鍛造工藝匹配新的產(chǎn)品，只有雙方共同緊密合作，才能發(fā)揮玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料的最佳效果。

結(jié)論

鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料具有優(yōu)異的防護(hù)、潤滑、保溫性能，且使用工藝簡便、無毒環(huán)保，能保證全熱歷程隔絕所有氣體對(duì)坯料的影響；并在熱成形時(shí)提高工件的塑性和表面質(zhì)量、減少加工余量、節(jié)約設(shè)備能源；同時(shí)在工件轉(zhuǎn)移時(shí)減少工件熱量損失，防止工模具過熱，延長模具壽命。

綜上所述，鍛造工藝用玻璃防護(hù)潤滑劑、保溫涂料在多種金屬熱鍛造、擠壓、軋制等熱加工中都得到了廣泛的應(yīng)用。