玻璃润滑在钛合金型材挤压中的应用

崔　顺，　李中奎，　文惠民，　马余选，　王旭峰，　孙玮珑

（西部新锆核材料科技有限公司， 陕西　西安　710016）



玻璃润滑在钛合金型材挤压中的应用

崔顺，李中奎，文惠民，马余选，王旭峰，孙玮珑

（西部新锆核材料科技有限公司， 陕西西安710016）

结合不同成分的玻璃润滑剂在挤压钛合金U形、F形、L形等型材上的应用展开分析，指出在选择玻璃润滑时，应从涂覆层厚度、玻璃垫厚度、瞬融速度、高温黏度、玻璃粉与添加剂及水的配比等因素考虑，并强调应加强有限元数值模拟在钛合金型材挤压过程中的应用。

玻璃润滑钛合金型材挤压

钛合金型材作为一种新型的结构材料，由于其强度高且具有耐热、耐腐蚀性等特点，已在航空、航天等领域得到广泛应用。我国的玻璃润滑技术起步较晚，在钛合金型材挤压领域应用案例较少且多为工艺试验，尚未进行批量化生产。

1　钛合金挤压润滑方式

钛合金热挤压加工时，由于被加工的热金属和模具之间存在摩擦阻力，使挤压坯料的局部发热，降低工模具的使用寿命，因此必须在挤压坯料和工模具之间进行适当的润滑。目前，钛合金的挤压润滑主要有润滑脂、金属包套、玻璃润滑三种方式。

润滑脂一般为加有稠化剂的矿物油。用润滑脂润滑可以挤压出表面质量优良的钛材，但挤压长度受限，通常挤压型材的长度最大为3～4.5 m，多为小批量生产。

金属包套润滑主要是在钛坯料外面包覆铜、软钢或其他金属，也可喷涂铜等，目前，应用最为广泛的是铜包套。采用铜包套挤压时，当金属温度超过850℃时，会在钛与铜的界面上产生Ti-Cu共晶组织，破坏正常的挤压方式。金属包套挤压工序复杂、成本高，酸洗过程会造成严重的环境污染。

玻璃润滑挤压工艺始于1941年，1942年法国人J.Sejoumet发明了挤压钢管用的玻璃润滑剂。自此，玻璃润滑剂被广泛地应用于各种金属锻造、挤压、轧制等方面。

由于玻璃润滑剂在高温时具有一定的黏度和较好的绝热效果，挤压时可以使接触表面的干摩擦转变为边界摩擦，在延长工模具的使用寿命的同时，也可提高挤压制品的性能、表面质量，降低挤压能耗。如图1所示。

图1　玻璃润滑挤压装置示意图

2　玻璃润滑应用实例

挤压制品为TA15钛合金厚壁U形型材，其断面形状及尺寸如图2所示。

图2　钛合金U形型材示意图（单位：mm）

为了解不同成分的玻璃垫对挤压制品是否起到决定作用，应对制备工艺进行分析。玻璃垫的熔化速度与玻璃的性能、粒度和玻璃垫的制作工艺有很大关系。玻璃垫的制作工艺主要与压制密度、水玻璃的加入量等有关。对于玻璃而言，熔化温度区间窄的玻璃熔化及时，润滑膜薄而均匀、流出稳定且连续。玻璃垫的压制密度大时，硬的大块的玻璃不能迅速熔化，可能造成模具的冲刷损伤、制品产生深沟槽等，因此制作玻璃垫时应尽量松软。

根据钛合金型材挤压温度和使用条件的要求，选择了TB8和TB5两种玻璃粉制作玻璃垫[1]。这两种玻璃粉的成分均是Na2O·B2O3·SiO2玻璃，具有软化温度低、化学稳定性差的特点，如表1所示。

表1　TB5和TB8的性能比较

挤压试验温度为950℃，挤压筒直径为Φ160mm，挤压比为16.7。

将TB8/TB5玻璃粉按90%+水玻璃（硅酸钠）8%+水2%的比例均匀混合（其中90%、8%、2%分别为对应物质的质量分数），水玻璃（硅酸钠）添加时需进行充分搅拌，防止出现玻璃硬块，随后用压力机压制成形，在200℃下烘干。分别制备12mm、8mm两种厚度的玻璃垫。

经试验，厚度为8 mm的TB8玻璃垫在950℃挤压时，挤压效果优于其余组合。

TB8玻璃粉较TB5玻璃粉粒度、软化温度均低，熔化温度区间窄（TB8：466.3~428.9℃）<（TB5：605~552.8℃），挤压过程中熔化及时，可以形成均匀、薄稀的润滑膜，利于挤压试验，与工艺分析一致。

挤压制品为TC4钛合金厚壁F形、L形型材，其断面形状及尺寸如图3、图4所示。

该挤压试验同样制备玻璃垫进行润滑，挤压温度为1 050℃，根据挤压温度的要求，选择流动性在1050℃左右的玻璃。某牌号为A5的玻璃粉，其成分为w(SiO2)=55%、w(Al2O3)=13%、w(B2O3)=8%、w(CaO)= 5%、w(MgO)=3%、w(TiO2)=4%、w(Na2O)=12%，软化点为734℃，流动点为1 000℃。

图3　钛合金F形型材示意图（单位：mm）

图4　钛合金L形型材示意图（单位：mm）

将A5玻璃粉按90%+水玻璃（硅酸钠）8%+水2%的比例均匀混合（其中90%、8%、2%分别为对应物质的质量分数），制备玻璃垫。根据挤压型材的规格最终选择的玻璃垫厚度为50mm。

挤压后获得的制品比较平直，表面质量良好。该挤压试验选用的A5玻璃粉软化点为734℃，低于挤压温度300℃。既保证了玻璃粉在挤压高温时能够在坯料、模具之间熔化及时，又保证了玻璃粉在挤压过程中呈流动状态而完整地包覆在坯料、模具之间，使得润滑效果良好。因此，可以获得良好的挤压制品。

3　钛合金型材挤压新思路

现代加工技术采用基于经验的试验设计方法已经不能满足实际需要。自LEE和KOBAYASHI将有限元方法引入塑形加工领域以来，有限元方法已经被广泛地应用于分析材料变形过程中的参数变化。LI[2]通过有限元模拟分析了TC4合金棒材的挤压成型过程及润滑因素带来的影响，并将分析结果与试验结果进行对比发现，两者的误差≤10%。DAMODARAN[3]通过有限元软件模拟了钛合金复杂结构钛型材的挤压过程，研究了感应加热、坯料转移、玻璃润滑剂、金属流动和模具等，根据有限元的仿真结果，不仅对挤压模具进行了改造，也对TC4合金型材进行了验证。

4　结论

1）研究不同钛合金的挤压润滑剂对于提高钛合金的挤压成品的合格率有着重要作用。玻璃润滑的主要特点是以挤压温度为基础，从玻璃黏度、瞬熔性、玻璃粉配等方面综合考虑，以达到挤压出高质量合金制品的目的。

2）目前，国内钛合金热挤压的有限元数值模拟基础研究工作还不够。企业与研究机构的合作，可加强有限元数值模拟在钛合金热挤压中的应用。

3）热挤压技术是先进金属加工技术的一个重要分支。发展钛合金热挤压成形技术，对于解决我国大型飞机用钛合金型材等有着重要的意义。

[1]徐哲，段素杰，佟学文，等.玻璃垫在钛合金型材挤压中的应用[J].稀有金属快报，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.

（编辑：贺焱）

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

崔顺（1985—），男，硕士，从事锆、钛合金生产设备的管理与维护工作，工程师。