一種高效鍛造用新型潤滑劑

文／趙小齊、王詠麗、王琦、張然·北京首量科技有限公司

一種高效鍛造用新型潤滑劑

文／趙小齊、王詠麗、王琦、張然·北京首量科技有限公司

本文介紹了一種高效鍛造用新型潤滑劑，強調了潤滑劑在金屬鍛造過程的高效性和環保性。分析如何在粘度不變的情況下增強潤滑劑的時效性和降低潤滑劑對模具和金屬侵蝕性。最終發現采用重新定型玻璃微觀結構、提高潤滑劑密度的方法，可以研制出一種適用于鈦合金、不銹鋼、高溫合金、結構鋼等金屬鍛造用新型潤滑劑。

金屬熱變形防護潤滑技術是一種邊緣交叉學科。將玻璃防護潤滑劑涂覆在熱變形金屬毛坯上，可以起到防護、潤滑和絕熱作用，防護潤滑技術是發展先進鍛壓工藝的重要環節。

隨著鍛造技術的發展和對鍛件精度要求的提高，在鈦合金、高溫合金、不銹鋼等金屬成形過程中。如何利用材料在超塑性狀態下，通過降低金屬流變應力，把形狀復雜、精度較高的零件一次加工成形，使一些加工難度大的金屬材料能取得令人滿意的加工效果，潤滑已成為一個不可缺關鍵因素。目前國內所使用的潤滑劑主要有玻璃潤滑劑、石墨潤滑劑等。但是這些潤滑劑普遍存在一些缺陷，現將各種潤滑劑主要缺陷進行對比，如表1所示。

以上四種類型的潤滑劑，因各自材料的缺陷，對模具使用壽命、鍛件質量都造成一定的影響，甚至還會對環境和人體造成一定的損害，不能滿足國家綠色環保的要求。

因此，我們提出研發一種新型適用于鍛造用潤滑劑。該種潤滑劑具有腐蝕性小、金屬表面金屬析出物不易擴散、環保高效等特點。

表1 潤滑劑種類及主要缺陷

實驗方案確定與實施

金屬成形工況及問題分析

在金屬成形過程中一般都存在熱源體和受熱體。熱源體主要是坯料，而受熱體主要是模具。熱源體根據其不同的成形溫度要求而選擇，鈦合金基本在700℃以上，合金鋼、不銹鋼、結構鋼基本都在1000℃以上；受熱體基本上都是合金鋼及模具鋼。在700℃以上鋼類材料的活性也會隨著溫度的升高而增加，從而會表現為可塑性高，易于成形。但是，隨著溫度的升高，會隨之產生兩個問題：第一，抗氧化和侵蝕能力會隨之下降；第二，出現C和Cr等合金元素的析出。這兩個問題會嚴重影響金屬成形質量以及模具的壽命，在等溫鍛過程中表現更為明顯。

在金屬成形過程中，潤滑劑在起潤滑作用的同時也要克服以上因素的影響，避免其對金屬坯料和模具所造成的影響。

方案的制定

根據金屬材料的特性，為了加強潤滑劑的潤滑效果，避免外來因素對潤滑劑的影響成為主要的研究方向。依照玻璃特殊性，在保證玻璃足夠良好的潤滑效果，即粘度保持在102～104泊的同時，通過降低潤滑劑在使用溫度時的結構疏松程度、避免斷鍵不穩定鍵的出現、提高潤滑劑的密度等方式，達到降低金屬的析出物融入潤滑劑的可能性，從而減少潤滑劑對金屬的腐蝕性。

實驗過程

我們根據實驗方案研發了新型無堿BT系列潤滑劑基料玻璃，其密度范圍在2.7～3.5g/cm3之間，遠高于現在使用的潤滑劑基礎玻璃的2.2～2.5g/cm3，并且該新型基料玻璃屬于無堿玻璃。其溫度性能如表2所示。

具體實驗過程如下：

⑴采用金屬性能相對較穩定的高溫合金和鈦合金作為金屬試樣，均分成2組；

表2 新型無堿BT系列潤滑劑基料玻璃熱性能對比

⑵準備常規潤滑劑，將潤滑劑分別噴涂于兩種金屬樣基體上，烘干后，送入800℃的炭棒爐中，在800℃溫段上保溫持續40min后，出爐，自然冷卻；

⑶制備新型玻璃潤滑劑，將熔制好的玻璃通過水淬烘干，然后球磨制粉，制漿備用；

⑷將金屬樣進行清洗，將潤滑劑分別噴涂于兩種金屬樣基體上，烘干后，送入800℃的炭棒爐中，在800℃溫段上保溫持續40min后，出爐，自然冷卻；

⑸對比常規玻璃潤滑劑與制備出的新型潤滑劑，形成記錄。

結果與討論

在目前市面上的潤滑劑產品中，大部分采用堿金屬Na、K氧化物作為助溶劑，而堿金屬Na+、K+離子由于半徑較大、 場強小，在高溫時Na+的斷鍵作用容易給出游離氧，導致玻璃網絡結構疏松，其他物質擴散比較容易（圖1）；而且，使得玻璃的氧化性能增大，從而使金屬表面的氧化層增厚。此外，斷鍵后，高溫化學性能較差，容易使析出物與玻璃反應，造成富集層被破壞和潤滑劑的潤滑性能降低，降低了潤滑劑的時效性，從而使鍛件和模具出現壓坑，降低了模具使用壽命和鍛件質量。

圖1 現有潤滑劑玻璃微觀組圖

我們研發的新型玻璃潤滑劑則恰恰避免了堿金屬的出現，減小游離氧的出現，使其在高溫下是以一種特殊的網絡結構出現（圖2），且這種網絡結構有很寬的玻璃形成區，高溫化學穩定性較好，本身密度也得到一定的提高，從而達最佳的潤滑效果。

圖2 新型潤滑劑微觀結構

為了更直觀的觀察潤滑劑在使用過程中的效果，我們選用了一組目前常用且熱性能相近的潤滑劑進行了熱性能測試，確保其熱性能和使用溫度的相似性（見表3）。

表3 熱性能對比

然后進行試燒對比試驗，我們還會發現，新型潤滑劑的使用溫度范圍遠大于常規產品。我們進行了兩個溫度點相同時間試燒對比。試燒結果見表4。

從試燒結果可以看出，新型潤滑劑由于玻璃微觀結構和密度得到改良后，在900℃保持良好的玻璃相，同時對模具合金鋼的侵蝕和鉻的擴散程度明顯得到改善。在800℃時仍能夠保持良好的成膜性和玻璃光澤，這種狀態就保障了在這一溫度點良好的潤滑性能。

從實驗結果可以看出通過改良玻璃潤滑劑的微觀結構以及玻璃密度后，明顯降低了其腐蝕性和金屬析出物的擴散性，從而降低了鍛造過程中環境和金屬對潤滑劑的影響。

結束語

玻璃潤滑劑在鈦合金、高溫合金、不銹鋼、結構鋼鍛造中應用越來越廣泛，潤滑劑對金屬成形效果、模具損傷以及生產成本的影響也越來越大，現有潤滑劑在使用過程中會對模具產生一定的腐蝕和消耗模具金屬表面的鉻層，從而對潤滑劑的使用效果和模具壽命造成一定影響。

通過優化微觀結構和密度，新型潤滑劑的腐蝕性能得到明顯改善，金屬析出物的兼溶性也得到很好的限制，從而可以使模具的使用壽命和潤滑劑在作用過程中的時效性得到提高，避免了潤滑劑的繁復性，提高了潤滑劑的通用性，也滿足了現代鍛造的綠色環保、高效、低成本的要求。

表4 試燒結果對比