玻璃潤滑在鈦合金型材擠壓中的應用

崔　順，　李中奎，　文惠民，　馬余選，　王旭峰，　孫瑋瓏

（西部新鋯核材料科技有限公司， 陜西　西安　710016）

?

玻璃潤滑在鈦合金型材擠壓中的應用

崔順，李中奎，文惠民，馬余選，王旭峰，孫瑋瓏

（西部新鋯核材料科技有限公司， 陜西西安710016）

結合不同成分的玻璃潤滑劑在擠壓鈦合金U形、F形、L形等型材上的應用展開分析，指出在選擇玻璃潤滑時，應從涂覆層厚度、玻璃墊厚度、瞬融速度、高溫黏度、玻璃粉與添加劑及水的配比等因素考慮，并強調應加強有限元數值模擬在鈦合金型材擠壓過程中的應用。

玻璃潤滑鈦合金型材擠壓

鈦合金型材作為一種新型的結構材料，由于其強度高且具有耐熱、耐腐蝕性等特點，已在航空、航天等領域得到廣泛應用。我國的玻璃潤滑技術起步較晚，在鈦合金型材擠壓領域應用案例較少且多為工藝試驗，尚未進行批量化生產。

1　鈦合金擠壓潤滑方式

鈦合金熱擠壓加工時，由于被加工的熱金屬和模具之間存在摩擦阻力，使擠壓坯料的局部發熱，降低工模具的使用壽命，因此必須在擠壓坯料和工模具之間進行適當的潤滑。目前，鈦合金的擠壓潤滑主要有潤滑脂、金屬包套、玻璃潤滑三種方式。

潤滑脂一般為加有稠化劑的礦物油。用潤滑脂潤滑可以擠壓出表面質量優良的鈦材，但擠壓長度受限，通常擠壓型材的長度最大為3～4.5 m，多為小批量生產。

金屬包套潤滑主要是在鈦坯料外面包覆銅、軟鋼或其他金屬，也可噴涂銅等，目前，應用最為廣泛的是銅包套。采用銅包套擠壓時，當金屬溫度超過850℃時，會在鈦與銅的界面上產生Ti-Cu共晶組織，破壞正常的擠壓方式。金屬包套擠壓工序復雜、成本高，酸洗過程會造成嚴重的環境污染。

玻璃潤滑擠壓工藝始于1941年，1942年法國人J.Sejoumet發明了擠壓鋼管用的玻璃潤滑劑。自此，玻璃潤滑劑被廣泛地應用于各種金屬鍛造、擠壓、軋制等方面。

由于玻璃潤滑劑在高溫時具有一定的黏度和較好的絕熱效果，擠壓時可以使接觸表面的干摩擦轉變為邊界摩擦，在延長工模具的使用壽命的同時，也可提高擠壓制品的性能、表面質量，降低擠壓能耗。如圖1所示。

圖1　玻璃潤滑擠壓裝置示意圖

2　玻璃潤滑應用實例

擠壓制品為TA15鈦合金厚壁U形型材，其斷面形狀及尺寸如圖2所示。

圖2　鈦合金U形型材示意圖（單位：mm）

為了解不同成分的玻璃墊對擠壓制品是否起到決定作用，應對制備工藝進行分析。玻璃墊的熔化速度與玻璃的性能、粒度和玻璃墊的制作工藝有很大關系。玻璃墊的制作工藝主要與壓制密度、水玻璃的加入量等有關。對于玻璃而言，熔化溫度區間窄的玻璃熔化及時，潤滑膜薄而均勻、流出穩定且連續。玻璃墊的壓制密度大時，硬的大塊的玻璃不能迅速熔化，可能造成模具的沖刷損傷、制品產生深溝槽等，因此制作玻璃墊時應盡量松軟。

根據鈦合金型材擠壓溫度和使用條件的要求，選擇了TB8和TB5兩種玻璃粉制作玻璃墊[1]。這兩種玻璃粉的成分均是Na2O·B2O3·SiO2玻璃，具有軟化溫度低、化學穩定性差的特點，如表1所示。

表1　TB5和TB8的性能比較

擠壓試驗溫度為950℃，擠壓筒直徑為Φ160mm，擠壓比為16.7。

將TB8/TB5玻璃粉按90%+水玻璃（硅酸鈉）8%+水2%的比例均勻混合（其中90%、8%、2%分別為對應物質的質量分數），水玻璃（硅酸鈉）添加時需進行充分攪拌，防止出現玻璃硬塊，隨后用壓力機壓制成形，在200℃下烘干。分別制備12mm、8mm兩種厚度的玻璃墊。

經試驗，厚度為8 mm的TB8玻璃墊在950℃擠壓時，擠壓效果優于其余組合。

TB8玻璃粉較TB5玻璃粉粒度、軟化溫度均低，熔化溫度區間窄（TB8：466.3~428.9℃）<（TB5：605~552.8℃），擠壓過程中熔化及時，可以形成均勻、薄稀的潤滑膜，利于擠壓試驗，與工藝分析一致。

擠壓制品為TC4鈦合金厚壁F形、L形型材，其斷面形狀及尺寸如圖3、圖4所示。

該擠壓試驗同樣制備玻璃墊進行潤滑，擠壓溫度為1 050℃，根據擠壓溫度的要求，選擇流動性在1050℃左右的玻璃。某牌號為A5的玻璃粉，其成分為w(SiO2)=55%、w(Al2O3)=13%、w(B2O3)=8%、w(CaO)= 5%、w(MgO)=3%、w(TiO2)=4%、w(Na2O)=12%，軟化點為734℃，流動點為1 000℃。

圖3　鈦合金F形型材示意圖（單位：mm）

圖4　鈦合金L形型材示意圖（單位：mm）

將A5玻璃粉按90%+水玻璃（硅酸鈉）8%+水2%的比例均勻混合（其中90%、8%、2%分別為對應物質的質量分數），制備玻璃墊。根據擠壓型材的規格最終選擇的玻璃墊厚度為50mm。

擠壓后獲得的制品比較平直，表面質量良好。該擠壓試驗選用的A5玻璃粉軟化點為734℃，低于擠壓溫度300℃。既保證了玻璃粉在擠壓高溫時能夠在坯料、模具之間熔化及時，又保證了玻璃粉在擠壓過程中呈流動狀態而完整地包覆在坯料、模具之間，使得潤滑效果良好。因此，可以獲得良好的擠壓制品。

3　鈦合金型材擠壓新思路

現代加工技術采用基于經驗的試驗設計方法已經不能滿足實際需要。自LEE和KOBAYASHI將有限元方法引入塑形加工領域以來，有限元方法已經被廣泛地應用于分析材料變形過程中的參數變化。LI[2]通過有限元模擬分析了TC4合金棒材的擠壓成型過程及潤滑因素帶來的影響，并將分析結果與試驗結果進行對比發現，兩者的誤差≤10%。DAMODARAN[3]通過有限元軟件模擬了鈦合金復雜結構鈦型材的擠壓過程，研究了感應加熱、坯料轉移、玻璃潤滑劑、金屬流動和模具等，根據有限元的仿真結果，不僅對擠壓模具進行了改造，也對TC4合金型材進行了驗證。

4　結論

1）研究不同鈦合金的擠壓潤滑劑對于提高鈦合金的擠壓成品的合格率有著重要作用。玻璃潤滑的主要特點是以擠壓溫度為基礎，從玻璃黏度、瞬熔性、玻璃粉配等方面綜合考慮，以達到擠壓出高質量合金制品的目的。

2）目前，國內鈦合金熱擠壓的有限元數值模擬基礎研究工作還不夠。企業與研究機構的合作，可加強有限元數值模擬在鈦合金熱擠壓中的應用。

3）熱擠壓技術是先進金屬加工技術的一個重要分支。發展鈦合金熱擠壓成形技術，對于解決我國大型飛機用鈦合金型材等有著重要的意義。

[1]徐哲，段素杰，佟學文，等.玻璃墊在鈦合金型材擠壓中的應用[J].稀有金屬快報，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.

（編輯：賀焱）

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

崔順（1985—），男，碩士，從事鋯、鈦合金生產設備的管理與維護工作，工程師。