CN114163133A - 一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法和应用，该玻璃润滑剂中，坯料滚涂玻璃粉的原料组分为：SiO2 25‑55％、B2O3 2‑35％、Al2O3 1‑12％、TiO2 0‑5％、Na2O 3‑27％、K2O 0‑15％、CaO 2‑20％、MgO 1‑10％、BaO 0‑10％、ZnO 0‑5％、CaF2 1‑10％、C 0‑5％；玻璃垫的原料组分为：SiO2 30‑65％、B2O3 2‑25％、Al2O3 1‑12％、TiO2 0‑5％、Na2O 3‑27％、K2O 0‑15％、CaO 2‑20％、MgO 1‑10％、BaO 0‑10％、ZnO 0‑5％、CaF2 0‑10％、Na3AlF6 0‑5％、C 0‑5％，通过加入新的组分并调整组分用量，使得玻璃润滑剂具有大温度区间，软化点低，熔融迅速，剥落性能好，润滑效果好，对钛及钛合金腐蚀性弱，钛及钛合金表面质量好，模具使用寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及钛及钛合金热挤压技术领域，具体涉及一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法和应用。
背景技术
钛及钛合金作为一种重要的战略材料，具有密度低，比强度高，抗疲劳性好，抗腐蚀性能优异，生物相容性好等诸多优点，是现代许多高新技术领域不可或缺的关键材料，被称为“战略金属”、“海洋金属”、“太空金属”。当前，钛及钛合金在航空航天、海洋工程、国防军工、医疗、冶金化工等领域得到广泛应用，是高端制造业发展的关键原材料。
热挤压是金属型材生产的重要手段之一，为了获得良好的表面质量，减少磨具磨损和挤压能耗，润滑剂是热挤压过程中不可缺少的功能材料。以氧化物为主要组分的玻璃润滑剂，具有一定的高温粘度，良好的稳定性、流变行为和隔热效果，可以润滑接触界面，提高挤压制品的性能和质量，是一种理想的金属热挤压润滑材料，已在世界先进钛材生产企业中应用。国内钛及钛合金生产的玻璃润滑技术起步较晚，在热挤压生产中与世界先进水平仍有较大差距，热挤压润滑不足容易引起表面微裂纹，成为钛材断裂失效的起点，因此，适宜的润滑剂是高质量钛材热挤压生产的关键功能材料。
在钛及钛合金热挤压生产中，目前所采用的润滑方式主要有铜包覆润滑和玻璃润滑剂润滑两种。用铜包覆热挤压，挤压温度不易过高，否则钛与铜的界面容易形成脆性金属间化合物，影响润滑效果，热挤压后需酸洗除铜，使生产工序复杂，并存在潜在的环境污染问题。以氧化物为主要成分的玻璃润滑剂润滑，最先应用于钢的热挤压工艺，取得了良好的生产效果。但是相比于钢的热挤压工艺，钛及钛合金的热挤压温度范围小，而由于热挤压过程涉及到金属变形、传热、新表面形成、润滑剂软化、熔融等复杂的行为，因此，高质量的热挤压工艺要求采用与金属加工条件相匹配的先进润滑剂材料，应用于钢的热挤压工艺的玻璃润滑剂并不能适用于钛及钛合金。目前，我国钛及钛合金的玻璃润滑热挤压生产与国际先进水平仍有一定差距，亟需要开发新的适应于钛及钛合金热挤压生产的玻璃润滑剂组合。
发明内容
针对现有钛及钛合金热挤压玻璃润滑剂适用温度范围小等问题，以及高品质钛及钛合金热挤压生产对高性能润滑剂的迫切需要，本发明提供了一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法和应用，在传统玻璃润滑剂中加入新的组分(TiO2、ZnO、Na3AlF6、CaF2和C等)，并调整各个组分的用量，从而使得制备的玻璃润滑剂具有大温度区间性能，软化点低，熔融迅速，剥落性能好；具有润滑效果良好，对钛及钛合金腐蚀性弱，钛及钛合金材料表面质量好，模具使用寿命长等优点。因此，本发明作为一种钛钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，综合性能优异，适用于800℃～1150℃钛及钛合金热挤压，应用温度范围广。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，包括坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫；坯料滚涂玻璃粉中，粒径为100～300目的原料占总坯料滚涂玻璃粉质量的百分比>90％；玻璃垫中，粒径为20～100目的原料占总玻璃垫质量的百分比>90％；
其中，坯料滚涂玻璃粉包括的原料组分及各个原料组分的质量百分比为：SiO2为25-55％、B2O3为2-35％、Al2O3为1-12％、TiO2为0-5％、Na2O为3-27％、K2O为0-15％、CaO为2-20％、MgO为1-10％、BaO为0-10％、ZnO为0-5％、CaF2为1-10％、C为0-5％，杂质＜3％，所有原料组分的质量百分比之和为100％；
玻璃垫包括的原料组分及各个原料组分的质量百分比为：SiO2为30-65％、B2O3为2-25％、Al2O3为1-12％、TiO2为0-5％、Na2O为3-27％、K2O为0-15％、CaO为2-20％、MgO为1-10％、BaO为0-10％、ZnO为0-5％、CaF2为0-10％、Na3AlF6为0-5％、C为0-5％，杂质＜3％，所有原料组分的质量百分比之和为100％。
一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫的原料组分配比，称量原料，分别配置混合均匀，得到坯料滚涂玻璃粉配合料和玻璃垫配合料；
S2：熔炼
(1)将坯料滚涂玻璃粉在1200～1500℃进行熔炼混合，保温1～1.5h，得到熔炼后坯料滚涂玻璃粉配合料；
(2)将玻璃垫在1200～1500℃进行熔炼混合，保温1～1.5h，得到熔炼后玻璃垫配合料；
S3：淬火
(1)将熔炼后坯料滚涂玻璃粉配合料进行淬火处理，干燥，破碎，得到坯料滚涂玻璃粉初级成品；
(2)将熔炼后玻璃垫配合料进行淬火处理，干燥，破碎后，得到玻璃垫初级成品；
S4：研磨过筛
(1)将坯料滚涂玻璃粉初级成品进行研磨，过100至300筛，得到100～300目粒度范围内，重量占比大于90％的坯料滚涂玻璃粉；
(2)将玻璃垫初级成品进行研磨，过20至100目筛，获得20～100目范围内重量占比大于90％的玻璃垫。
所述的S2中，所述的淬火处理工艺为：将对应的配合料缓慢倒入水中，防止溅出，进行淬火处理，然后经过120～160℃恒温干燥箱干燥0.4～0.6h。
所述的S2中，研磨优选为球磨，球磨工艺优选为：将对应的初级成品和一定数量大小不一的玛瑙球和球磨球放入球磨罐，整体体积占球磨罐容量2/3，初级成品盖住玛瑙球即可，固定在球磨机进行研磨。球磨球优选为玛瑙球为3mm，5mm，8mm和10mm的组合。
本发明的一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的应用，为用于在钛及钛合金热挤压中的应用；其中，坯料滚涂玻璃粉用于钛及钛合金表面涂覆；玻璃垫用于热挤压阶段。坯料滚涂玻璃粉是坯料进热挤压前，在坯料表面滚涂，从而起到润滑和绝热的作用；玻璃垫在热挤压中使用，用于模具和坯料之间，从而起到润滑、保护模具粘结，磨损严重，进而延长模具寿命，从而提高挤压后钛及钛合金型材表面质量。
所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，其中坯料滚涂玻璃粉的工作温度区间为800℃～950℃，坯料滚涂玻璃粉的粘度范围为10-30Pa·s，玻璃垫的工作温度区间为850℃～1150℃，玻璃垫的粘度范围为35-200Pa·s，钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的软化点为500℃～680℃。
本发明的一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂及其制备方法和应用，其有益效果在于：
本发明将坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫干燥密封保持，并将其应用于钛和钛合金热挤压过程中使用；与传统的玻璃润滑剂相比，本发明的玻璃润滑剂粘度小，可以提高热挤压过程的润滑效果；对热挤压过程中坯料粘连性小，因此对钛材腐蚀性弱、剥落性能好的同时提高模具寿命进而获得表面质量好的钛材；本发明的玻璃润滑剂软化点低，熔融迅速；为高品质钛材热加工热挤压生产提供关键支撑材料。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂以及对比例1中坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫粘度对比图；
图2为本发明实施例提供的一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的软化温度图；
图3为本发明实施例提供的另一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂利用测角仪所测软化点图；(a)为未开始加热；(b)为达到软化点时的温度。
图4为本发明实施例1提供的一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂应用于钛合金热挤压过程材料表面效果图；其中，(a)为未涂覆；(b)为涂覆。
具体实施方式
为进一步明确本发明的实施过程，下面结合具体原料及实施例，对热挤压用玻璃润滑剂进行说明。
在实际工业应用生产过程中，SiO2的原材料可以为二氧化硅或石英砂，B2O3的原材料可以为三氧化二硼、硼酸、硼砂或其组合，Al2O3的原材料可以为三氧化二铝、叶腊石、高岭土、铝土矿或其组合，TiO2的原材料可以为二氧化钛、钛白粉、金红石或其组合，Na2O的原材料可以为氧化钠、碳酸钠、纯碱、长石或其组合，K2O的原材料可以为氧化钾、碳酸钾、长石或其组合，CaO的原材料可以为氧化钙、碳酸钙、石灰石、方解石或其组合，MgO的原材料可以为氧化镁、氢氧化镁或碳酸镁、白云石、菱镁矿或其组合，BaO的原材料可以为氧化钡、碳酸钡、毒重石或其组合，ZnO的原材料可以为氧化锌、菱锌矿、锌灰或其组合，Na3AlF6的原材料为六氟合铝酸钠、冰晶石或其组合，CaF2的原材料为氟化钙、萤石或其组合，C的原料为石墨粉。
实施例
坯料滚涂玻璃粉成分示例见表1和表3，以及玻璃垫成分示例见表2、表4所示(由于各原材料所含杂质及成分不同，如白云石所含成分为大于20％的MgO，小于32％的CaO，因此原材料成分及配比会引起润滑剂实际效果产生一定偏差)。
表1坯料滚涂玻璃粉成分示例(wt.％)
表2玻璃垫成分示例(wt.％)
表3坯料滚涂玻璃粉原材料配比示例(wt.％)
表4玻璃垫原材料配比示例(wt.％)
以上表1～表4中，各个实例中，坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫可以混合搭配使用。
以上实施例中，钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：分别将用于制备坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫的组成原材料按照实施例中表1、表2、表3或表4的任意实例中按照质量百分比进行配置，并将混合料分别混合均匀，分别得到坯料滚涂玻璃粉配合料和玻璃垫的配合料；
步骤2：将所获得的坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫的配合料分别投入高温熔炼炉中，在1200℃～1500℃范围内将配合料均匀熔化1～1.5h，分别得到配合料熔体；
步骤3：将熔制好的配合料熔体分别自高温熔炉中取出，进行淬火、烘干、破碎处理，收集获得坯料滚涂玻璃粉初级成品和玻璃垫初级成品；
步骤4：将坯料滚涂玻璃粉初级成品进行球磨后筛分，获得100～300目重量比不低于90％的坯料滚涂玻璃粉，即成品坯料滚涂玻璃粉制备；坯料滚涂玻璃粉是坯料进热挤压前，在坯料表面滚涂，从而起到润滑和绝热的作用；
步骤5：将玻璃垫初级成品进行球磨后筛分，获得20～100目粒度范围内重量占比不低于90％的玻璃垫，即成品玻璃垫制备。
将上述实例制备的为坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫干燥密封保存，并测定其粘度，其粘度图见图1；
通过对以上实施例制备的成品进行测试，在800℃～1150℃温度区间内，坯料滚涂玻璃粉的工作温度区间为800℃～950℃，玻璃垫工作温度区间为850℃～1150℃，坯料滚涂玻璃粉的粘度范围为10-30Pa·s，玻璃垫粘度范围为35-200Pa·s，玻璃润滑剂的软化点为500℃～680℃。
对比例1
一种玻璃润滑剂，其包括的成分和各个成分的原料组成为：
坯料滚涂玻璃粉成分：35％SiO2-20％B2O3-8％Al2O3-18％Na2O-13％CaO-6％MgO；
玻璃垫成分：42％SiO2-14％B2O3-9％Al2O3-12％Na2O-5％K2O-10％CaO-8％MgO；
其制备方法同实施例制备方法，对得到的玻璃润滑剂进行测试，其粘度见图1，其中，在800～1100℃，通过图1可以看出，在相同温度范围内本发明的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂粘度小于对比例1的润滑剂粘度，可以提高热挤压过程中的润滑效果，从而在热挤压过程中，对坯料的粘连性小，对钛材腐蚀性弱、剥落性能好的同时提高模具寿命进而获得表面质量好的钛材。
对比例2
一种钛材用润滑剂，包括的成分及其质量百分含量为：SiO2为36.5％，Al2O3为3％，B2O3为23％，Na2O为19％，CaO为6％，MgO为3％，BaO为5％，ZnO为3％，LiO为1.5％；且坯料滚涂润滑剂和玻璃垫均为同一成分，通过DTA测试软化点为580℃。对本实施例中制备的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的软化温度进行测试，如图2所示，软化点为560℃；相较于对比例，本发明提供的钛及钛合金热挤压用润滑剂软化点低。另外通过测角仪分析得到本发明提供另一种玻璃润滑剂软化点，如图3所示；说明本发明提供钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂润滑点在500～680℃。
将上述坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫应用于钛及钛合金热挤压过程；其中，坯料滚涂玻璃粉用于钛及钛合金表面涂覆；玻璃垫用于热挤压阶段。
通过和对比例1对比，本发明的坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫粘度较小，在使用温度区间变化较为缓慢，对模具及坯料的粘附性较低，能够提高热挤压过程的润滑效果；同时本润滑剂应用于钛合金热挤压过程材料表面效果图，见图4，通过图4中，(a)未涂覆本发明的玻璃润滑剂和(b)涂覆本发明的玻璃润滑剂相比，说明本发明的润滑剂对钛材腐蚀性弱、剥落性能好。
应当指出：以上实施例中表1～表4所列举的各成分和原材料配比仅用于解释本发明的具体实施过程，而非对其限制。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，其特征在于，该钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂包括坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫；
其中，坯料滚涂玻璃粉包括的原料组分及各个原料组分的质量百分比为：SiO2为25-55％、B2O3为2-35％、Al2O3为1-12％、TiO2为0-5％、Na2O为3-27％、K2O为0-15％、CaO为2-20％、MgO为1-10％、BaO为0-10％、ZnO为0-5％、CaF2为1-10％、C为0-5％，杂质＜3％，所有原料组分的质量百分比之和为100％；
玻璃垫包括的原料组分及各个原料组分的质量百分比为：SiO2为30-65％、B2O3为2-25％、Al2O3为1-12％、TiO2为0-5％、Na2O为3-27％、K2O为0-15％、CaO为2-20％、MgO为1-10％、BaO为0-10％、ZnO为0-5％、CaF2为0-10％、Na3AlF6为0-5％、C为0-5％，杂质＜3％，所有原料组分的质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，其特征在于，坯料滚涂玻璃粉中，粒径为100～300目的原料占总坯料滚涂玻璃粉质量的百分比>90％；玻璃垫中，粒径为20～100目的原料占总玻璃垫质量的百分比>90％。
3.根据权利要求1所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，其特征在于，原料组分中，SiO2的原材料为二氧化硅和/或石英砂，B2O3的原材料为三氧化二硼、硼酸、硼砂中的一种或几种的混合物，Al2O3的原材料为三氧化二铝、叶腊石、高岭土、铝土矿中的一种或几种的混合物，TiO2的原材料为二氧化钛、钛白粉、金红石中的一种或几种的混合物，Na2O的原材料为氧化钠、碳酸钠、纯碱、长石中的一种或几种的混合物，K2O的原材料为氧化钾、碳酸钾、长石中的一种或几种的混合物，CaO的原材料为氧化钙、碳酸钙、石灰石、方解石中的一种或几种的混合物，MgO的原材料为氧化镁、氢氧化镁、碳酸镁、白云石、菱镁矿的一种或几种的混合物，BaO的原材料为氧化钡、碳酸钡、毒重石中的一种或几种的混合物，ZnO的原材料为氧化锌、菱锌矿、锌灰的一种或几种的混合物，Na3AlF6的原材料为六氟合铝酸钠和/或冰晶石，CaF2的原材料为氟化钙和/或萤石，C的原料为石墨粉。
4.权利要求1～3任意一项所述的钛及钛合金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：
S1：按照钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的坯料滚涂玻璃粉和玻璃垫的原料组分配比，称量原料，分别配置混合均匀，得到坯料滚涂玻璃粉配合料和玻璃垫配合料；
S2：熔炼
(1)将坯料滚涂玻璃粉在1200～1500℃进行熔炼混合，保温1～1.5h，得到熔炼后坯料滚涂玻璃粉配合料；
(2)将玻璃垫在1200～1500℃进行熔炼混合，保温1～1.5h，得到熔炼后玻璃垫配合料；
S3：淬火
(1)将熔炼后坯料滚涂玻璃粉配合料进行淬火处理，干燥，破碎，得到坯料滚涂玻璃粉初级成品；
(2)将熔炼后玻璃垫配合料进行淬火处理，干燥，破碎后，得到玻璃垫初级成品；
S4：研磨过筛
(1)将坯料滚涂玻璃粉初级成品进行研磨，过筛，得到坯料滚涂玻璃粉；
(2)将玻璃垫初级成品进行研磨，过筛，得到玻璃垫。
5.根据权利要求4所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，其特征在于，所述的S2中，淬火处理工艺为：将对应的配合料倒入水中进行淬火处理，然后经过120～160℃恒温干燥箱干燥0.4～0.6h。
6.根据权利要求4所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，其特征在于，坯料滚涂玻璃粉初级成品研磨后，过100至300筛，得到100～300目粒度范围内，重量占比大于90％的坯料滚涂玻璃粉。
7.根据权利要求4所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，其特征在于，玻璃垫初级成品研磨后，过20至100目筛，获得20～100目范围内重量占比大于90％的玻璃垫。
8.根据权利要求4所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的制备方法，其特征在于，所述的S2中，研磨为球磨。
9.权利要求1～3任意一项所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的应用，其特征在于，将的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂用于在钛及钛合金热挤压中；其中，坯料滚涂玻璃粉用于钛及钛合金表面涂覆；玻璃垫用于热挤压阶段。
10.根据权利要求9所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的应用，其特征在于，所述的钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂，其中，坯料滚涂玻璃粉的工作温度区间为800℃～950℃，坯料滚涂玻璃粉的粘度范围为10-30Pa·s，玻璃垫的工作温度区间为850℃～1150℃，玻璃垫的粘度范围为35-200Pa·s，钛及钛合金热挤压用玻璃润滑剂的软化点为500℃～680℃。
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