CN107629832B

CN107629832B - 一种钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法

Info

Publication number: CN107629832B
Application number: CN201710800876.8A
Authority: CN
Inventors: 张志豪; 谢建新; 金峰; 郑延文; 倪嘉
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: CN107629832A

Abstract

本发明属于润滑剂领域，涉及一种钛合金和锆合金的热挤压润滑剂及其制备方法。由润滑剂粉末和水玻璃组成，水玻璃和混合润滑剂粉末的配比为1:2～1:3，润滑剂粉末的组成为：60～80％的低软化点玻璃粉；10～30％的SiO₂粉末；10％～30％NaCl粉末；水玻璃浓度为1.0～1.1mol/L。本发明优点是粘度随温度的变化小。润滑效果和热障效果良好，易于清理。由于NaCl具有水溶性，将附着有润滑剂的挤压制品浸入水中，润滑剂中的NaCl溶于水，形成多孔结构，易于从制品表面剥离，且无酸洗污染。

Description

一种钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法

技术领域：

本发明属于润滑剂领域，涉及一种高温润滑材料，特别涉及一种钛合金和锆合金的热挤压润滑剂及其制备方法。

背景技术：

钛合金和锆合金具有密度相对较低、比强度高、耐腐蚀性能优异等特点，在航空航天、国防军工、核工业、污水处理、海洋工程等领域具有广泛的应用。例如，锆合金是目前核反应堆燃料包壳的首选材料[1～2]。

钛合金和锆合金应用形式主要包括管材、型材、棒材、板材等，其中管材、型材、棒材通常采用挤压成型生产，而对于大部分型材和管材，挤压是其唯一的生产方法。

由于挤压温度高、变形抗力大、容易粘模等原因，润滑是钛合金和锆合金挤压成型的关键技术环节之一，采用合理的润滑方式可以降低挤压力，延长工模具使用寿命，提高制品质量，降低挤压能耗[3]。

目前常见的钛合金和锆合金的挤压润滑方式为软金属(主要为纯铜)包覆和专用润滑材料润滑(对于钛合金主要是玻璃润滑剂，对于锆合金主要采用二硫化钼、石墨为主要成分的专用润滑剂)。其中采用纯铜包覆挤压钛合金时，由于铜和钛合金在高温下易发生反应生成Ti-Cu共晶产物，导致挤压力增大，且后续酸洗污染大[4]。锆合金采用包铜润滑时，存在铜皮在挤压过程中容易发生断裂，且铜皮不易去除等的问题[5]。

玻璃润滑是目前钛合金、黑色金属等难挤压金属最先进的润滑方式，但是玻璃润滑剂的粘度随温度变化幅度大，导致实际生产中存在工艺控制难度较大，模具寿命、制品质量和成材率较低等问题。例如，钛合金挤压时坯料温度在950℃左右，而模具钢预热温度通常不超过500℃，因此在挤压时坯料与模具钢之间的润滑剂存在很大的温度梯度，和模具钢接触的部分温度低，甚至低于玻璃润滑剂的软化点，在很大程度上降低了润滑效果。目前的解决办法是采用多层涂覆方式，即在坯料表面涂覆高软化点润滑剂、在模具表面涂覆低软化点润滑剂，但相应地增加了生产工序、降低了生产效率。

此外，由于锆合金的挤压温度通常比钛合金的低200～300℃，因此现有的针对钛合金挤压的玻璃润滑材料很难直接应用于锆合金的挤压。

参考文献：

[1]李献军.锆及锆合金概述[J].钛工业进展,2011,28(1):38-38.

[2]伍德.钛合金手册[M].科学技术文献出版社重庆分社,1983.

[3]谢建新,刘静安.金属挤压理论与技术.第2版[M].冶金工业出版社,2012.

[4]贾如雷,计波.钛材热挤压成形技术发展和应用现状[J].世界有色金属,2010(11):48-50.

[5]张立波,权晓惠,荆云海,等.锆合金挤压技术研究与应用[J].重型机械,2015(6):11-13.

发明内容：

本发明提供了一种钛/锆合金挤压润滑剂，其特点是在较大温度范围内粘度的变化较小，兼具较好的热障效果，可满足钛合金和锆合金挤压润滑要求，降低挤压工艺控制难度、提高生产效率。

一种钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂，由润滑剂粉末和水玻璃组成，其中润滑剂粉末的组成为：

(1)60～80％粒度900～1600目的低软化点玻璃粉；

(2)10～30％粒度800～1000目的SiO₂粉末；

(3)10％～20％粒度20～100目的NaCl粉末；

水玻璃(Na₂SiO₃溶液)浓度为1.0～1.1mol/L。

如上所述钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，包括以下步骤:

(1)制备低软化点玻璃粉：将(NH₃)₂HPO₄等粉末按质量百分比：(NH₃)₂HPO₄：70％、H₃BO₃：7％、ZnO：13％、Na₂CO₃+KNO₃：10％进行配料混合，在1000℃～1250℃烧结，然后破碎过筛，最终获得低软化点玻璃的主要成分为60wt％的P₂O₅、6wt％的B₂O₃、21wt％的ZnO、13wt％的Na₂O+K₂O。

(2)按质量比：60～80％的低软化点玻璃粉，10～20％的NaCl粉末，10％～30％的SiO₂粉末，机械混合均匀，获得混合润滑剂粉体。

(3)制备润滑剂：对于钛/锆合金坯料与挤压筒的润滑，将水玻璃和混合润滑剂粉末以1:2～1:3的配比混合搅拌均匀，涂覆于坯料外表面或挤压筒内壁。

(4)如需制备挤压润滑垫，则是将水玻璃和混合润滑剂粉末以1:4～1:6的配比混合搅拌均匀，然后压实成所需的形状并干燥。

本发明的优点：

(1)粘度随温度的变化小。在500℃～900℃的温度范围内粘度的变化范围为1.41×10⁵Pa·s～1.25×10⁶Pa·s，与现有市售玻璃润滑剂(例如牌号TB5、TB8，在500℃和700℃时的粘度分别为10⁶～10¹⁰Pa·s和10³～10⁵Pa·s)相比，在很大的温度范围内粘度稳定，从而确保润滑剂在较宽的温度范围内均具有良好的润滑效果。

(2)热障效果良好。对于钛合金界面换热系数为185W/m²·s～1714W/m²·s，对于锆合金界面换热系数为362W/m²·s～1990W/m²·s。与现有市售玻璃润滑剂(与钛合金的界面换热系数为180W/m²·s～1314W/m²·s)的热障效果相当甚至更好。

(3)易于清理。由于NaCl具有水溶性，将附着有润滑剂的挤压制品浸入水中，润滑剂中的NaCl溶于水，形成多孔结构，易于从制品表面剥离，且无酸洗污染。

具体实施方式

实施例1：用于钛合金

按质量百分比：(NH₃)₂HPO₄：70％、H₃BO₃：7％、ZnO：13％、Na₂CO₃+KNO₃：10％进行配料，机械混合均匀，制得玻璃混合料；将玻璃混合料加热至1100℃、保温1h后随炉冷却，将烧结后的玻璃破碎，用900目的筛子过筛，得到低软化点玻璃粉末；按质量比低软化点玻璃：70％、NaCl粉末：10％、SiO2粉末：20％配制挤压润滑剂，机械混合均匀，得到挤压润滑剂混合粉体；按质量比挤压润滑剂粉体：70％、水玻璃：30％混合，搅拌均匀，涂覆于钛合金挤压坯料表面或挤压筒内壁。

实施例2：用于锆合金

按质量百分比：(NH₃)₂HPO₄：70％、H₃BO₃：7％、ZnO：13％、Na₂CO₃+KNO₃：10％进行配料，机械混合均匀，制得玻璃混合料；将玻璃混合料加热至1100℃，保温1h后随炉冷却，将烧结后的玻璃破碎，用900目的筛子过筛，得到低软化点玻璃粉末；按质量比低软化点玻璃：80％、NaCl粉末：10％、SiO2粉末：10％配制挤压润滑剂，机械混合均匀，得到挤压润滑剂混合粉体；按质量比挤压润滑剂粉体：70％、水玻璃：30％混合，搅拌均匀，涂覆于锆合金坯料表面或挤压筒内壁。

实施例3：用于钛合金挤压润滑垫

按质量百分比：(NH₃)₂HPO₄：70％、H₃BO₃：7％、ZnO：13％、Na₂CO₃+KNO₃：10％进行配料，机械混合均匀，制得玻璃混合料。将玻璃混合料加热至1100℃，保温1h后随炉冷却，将烧结后的玻璃破碎，用900目的筛子过筛，得到低软化点玻璃粉末；按质量比低软化点玻璃：60％、NaCl粉末：10％、SiO₂粉末：30％配制挤压润滑剂，机械混合均匀，得到挤压润滑剂混合粉体；按质量比挤压润滑剂粉体：85％、水玻璃：15％混合，搅拌均匀，放入模具内压实成型，取出后自然干燥，或在200℃下烘干30～60min。

Claims

1.一种钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂，其特征在于由润滑剂粉末和水玻璃组成，水玻璃和润滑剂粉末以质量比1:2～1:3的配比混合，其中润滑剂粉末的组成为：

(1)质量百分比60～80％粒度900～1600目的低软化点玻璃粉；

(2)质量百分比10～30％粒度800～1000目的SiO₂粉末；

(3)质量百分比10％～20％粒度20～100目的NaCl粉末；

水玻璃Na₂SiO₃溶液浓度为1.0～1.1mol/L；

其中：低软化点玻璃的主要成分为60wt％的P₂O₅、6wt％的B₂O₃、21wt％的ZnO、13wt％的Na₂O+K₂O；

钛合金挤压时坯料温度在950℃，而模具钢预热温度不超过500℃，锆合金的挤压温度比钛合金的低200～300℃；

所述钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂在500℃～900℃的温度范围内粘度的变化范围为1.41×10⁵Pa·s～1.25×10⁶Pa·s；

所述钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂对于钛合金界面换热系数为185W/(m²·s)～1714W/(m²·s)，对于锆合金界面换热系数为362W/(m²·s)～1990W/(m²·s)。

2.如权利要求1所述钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤:

(1)制备低软化点玻璃粉：将(NH₄)₂HPO₄、H₃BO₃、ZnO和Na₂CO₃+KNO₃粉末按质量百分比：(NH₄)₂HPO₄：70％、H₃BO₃：7％、ZnO：13％、Na₂CO₃+KNO₃：10％进行配料混合，在1000℃～1250℃烧结，然后破碎过筛，最终获得低软化点玻璃的主要成分为60wt％的P₂O₅、6wt％的B₂O₃、21wt％的ZnO、13wt％的Na₂O+K₂O；

(2)按质量比：60～80％的低软化点玻璃粉，10～20％的NaCl粉末，10％～30％的SiO₂粉末，机械混合均匀，获得混合润滑剂粉体；

(3)配制润滑剂：对于钛/锆合金坯料与挤压筒的润滑，将水玻璃和混合润滑剂粉末以质量比1:2～1:3的配比混合搅拌均匀，涂覆于坯料外表面或挤压筒内壁。

3.如权利要求2所述钛合金和锆合金的热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，其特征在于第(3)步如需制备挤压润滑垫，则是将水玻璃和混合润滑剂粉末以质量比1:4～1:6的配比混合搅拌均匀，然后压实成所需的形状并干燥。