鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑的應用及發展方向

文／馮馳·北京天力創玻璃科技開發有限公司

玻璃防護潤滑劑以其獨特的優勢，能很好地解決金屬熱鍛過程中遇到的高溫防護、潤滑和脫模問題；同時，其保溫性能優良，能減緩熱鍛過程中鍛件的溫降，從而降低變形抗力。目前玻璃防護潤滑劑可適用于多種金屬、各溫度段的熱加工工藝，適用性強、無毒環保，得到了廣泛的應用。

玻璃防護潤滑劑的主要作用

玻璃防護潤滑劑是一種加熱前涂覆于金屬鍛件坯料表面的涂層，待涂層干燥后隨鍛件坯料入爐加熱，玻璃防護潤滑劑的主要作用有以下三點：

防護

玻璃防護潤滑劑在高溫下可在鍛件坯料表面形成一層致密、連續、均勻的玻璃薄膜，隔絕O2、H2、N2、SO2等氣體對坯料的熱腐蝕，提高材料利用率，并抑制晶界腐蝕和合金元素貧化，保證了金屬的強度、剛度、硬度等力學性能不受高溫環境的影響。

潤滑

在坯料鍛壓時，玻璃防護潤滑劑可起到高溫潤滑、隔離、脫模作用，改善金屬鍛件塑性、減少加工余量、提高制品表面質量，并降低設備能源消耗。

保溫

在金屬坯料加熱到高溫出爐轉移、鍛造時，玻璃防護潤滑劑可以減少坯料的溫降，起到保溫作用；在金屬坯料與工模具接觸時，玻璃防護潤滑劑可起到隔離作用，防止工模具過熱，延長模具壽命。

由此可見，玻璃防護潤滑劑具有油脂、蠟、石墨、二硫化鉬等傳統模具潤滑劑無可比擬的、更全面的性能優勢，在金屬熱鍛行業中得到廣泛應用。

鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑的應用

金屬鍛造用玻璃防護潤滑劑組成

在鍛造工藝中使用的玻璃防護潤滑劑是以非晶態玻璃為主要固體基料，與其他添加劑、粘接劑和溶劑混合后，經特殊工藝制備而成的漿狀物，在坯料加熱前均勻刷涂、噴涂或浸涂到金屬鍛件坯料表面，干燥后形成涂層。

金屬鍛造用玻璃防護潤滑劑的適用范圍

玻璃防護潤滑劑作為一種適應性很強的涂料，可應用于鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金、合金鋼、鈦鋁合金等金屬的熱鍛造過程中。無論對于形狀復雜、加工余量小的鍛件(如飛機發動機葉片、人工關節等)，還是大尺寸、長時間加熱的鍛件(如渦輪盤、眼鏡框、起落架等)，玻璃防護潤滑劑的使用可以顯著提高鍛件質量，同時減少鍛造火次、降低鍛壓力、提高鍛造模具使用壽命。

金屬鍛造用玻璃防護潤滑劑的防護作用

在有色金屬鍛造過程中，在高溫下不可避免地會氧化、吸氫、吸氮，從而導致合金元素貧化、塑性降低、表面高溫腐蝕產物增多，嚴重影響鍛壓后的鍛件質量，甚至會導致鍛壓工序無法進行。

不同有色金屬的熱鍛溫度大致在400 ～1350℃范圍內，在這樣高的溫度環境下，金屬氧化層、晶界氧化層、滲氣層、貧化層的產生，會對金屬的組織形貌造成很大影響，并顯著降低金屬的強度、剛度、耐蝕性、耐酸性等性能，如不加以防護，就會對鍛壓工序及鍛件質量造成很大影響，并造成很大的原材料浪費。

有色金屬坯料在室溫下涂覆玻璃防護潤滑劑后，隨著溫度的升高，坯料表面會形成連續、封閉、均勻的玻璃態薄膜，使整個熱歷程都能隔絕O2、H2、N2、SO2等氣體對坯料的影響，其具體防護過程如圖1 所示。

圖1 玻璃防護潤滑劑涂層防護效果圖

由圖1 可見，隨著溫度升高，粘結劑逐漸燒失，涂層不斷熔融減薄，軟化溫度較低的玻璃粉先熔融，保證了金屬坯料在入爐加熱后玻璃防護潤滑劑能迅速熔融，形成一層連續、封閉的玻璃薄膜，對坯料起到防護作用；隨著溫度進一步升高，軟化溫度高的玻璃粉開始熔融，并保持合理粘度，以保證在較高溫度下玻璃態薄膜的穩定性，從而保證了整個熱歷程的防護作用。

圖2對比了表面有無玻璃防護潤滑劑的300M鋼，在1200℃保溫6h 后的氧化情況。

圖2 300M 鋼1200℃保溫6h 后的氧化情況

由圖2 可見，表面涂覆玻璃防護潤滑劑的300M鋼試樣，氧化層厚度較裸材試樣減少了近100%，有涂層的300M 鋼幾乎看不到氧化皮。同時，涂層在300M 鋼冷卻過程中具有較好的自剝落性能，可省去后續去除涂層的工序。

綜上所述，玻璃防護潤滑劑能夠在鍛造的全過程對坯料進行防護，保證了后續鍛壓過程的順利進行，不僅可以減少加工余量，提高材料利用率，也提升了鍛件質量。

金屬鍛造用玻璃防護潤滑劑的潤滑作用

鍛造潤滑是在模鍛和精鍛工藝中保證鍛件成形的關鍵技術環節之一。目前模鍛和精鍛工藝中使用的潤滑劑分為模具潤滑劑和坯料防護潤滑劑兩種，模具潤滑劑涂覆于模具表面，只起到潤滑和脫模作用，其成分以石墨為主；玻璃防護潤滑劑屬于典型的坯料防護潤滑劑，涂覆于鍛件坯料表面，能保護模具、促進潤滑和脫模。

為了測定玻璃防護潤滑劑在高溫下的潤滑效果，依據標準：《HB 7065-1994 金屬材料熱變形用玻璃防護潤滑劑規范》，在630t 液壓機上通過圓環鐓粗試驗測定了不同溫度下TC4 鈦合金表面涂覆玻璃防護潤滑劑前后的摩擦系數(μ)差別。

具體試驗條件如下：在630t 液壓機上安裝表面粗糙度為Ra0.6μm 的上下墊板，鍛壓前墊板加熱到(400±20)℃，鈦合金圓環尺寸為外徑(20±0.2)mm、內徑(10±0.2)mm、高(7±0.2)mm，采用箱式電爐加熱TC4 鈦合金試樣，鍛壓時壓機下壓速度為3mm/s。在930℃、950℃、970℃三個溫度段下分別鍛壓有涂層和無涂層的鈦合金試樣，其中每個溫度段設置5 個平行試樣。試驗結果如表1、表2 所示，根據試驗數據可計算出TC4 鈦合金試樣的壓縮比和內徑縮減率的平均值，再通過圓環鐓粗法測摩擦系數的理論校正曲線查得相應的摩擦系數μ。

表1 無玻璃防護潤滑劑涂層的TC4 鈦合金試樣圓環鐓粗試驗結果

表2 有玻璃防護潤滑劑涂層的TC4 鈦合金試樣圓環鐓粗試驗結果

經計算分析，無玻璃防護潤滑劑的試樣在高溫鍛壓時，摩擦系數在0.48 ～0.57；而有玻璃防護潤滑劑時摩擦系數則降低到0.19 ～0.26。

圖3 為表面涂覆玻璃防護潤滑劑的鍛件坯料在鍛后的狀態，可見玻璃防護潤滑劑涂層在高溫下形成均勻、致密、封閉的熔融態玻璃薄膜，將鍛件與模具隔開，從而將固固接觸轉變為固液接觸，將鍛件與模具的外摩擦變為熔融態玻璃間的內摩擦，起到良好的潤滑效果。

圖3 鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑狀態

進一步而言，潤滑對鍛件生產的影響是綜合性的，并不限于降低工件與模具接觸表面之間摩擦、減小變形抗力、提高模具壽命的作用。良好的潤滑還可以節省設備能源和鍛件材料、提升設備壽命和鍛件性能。

金屬鍛造用玻璃防護潤滑劑(保溫涂料)的保溫作用

在鍛造過程中對鍛件進行保溫，是自由鍛和軋制工藝中保證鍛件成形的關鍵技術環節之一。

玻璃的另一主要性能是導熱系數低。由圖4 可見，玻璃的導熱系數比常見金屬小1 ～2 個數量級，這使得玻璃防護潤滑劑在高溫熔融后具有非常好的隔熱和保溫性能。同時，通過對玻璃配方的特殊調整，在自由鍛和軋制工藝中使用的玻璃防護潤滑劑可不產生潤滑作用，為避免產生誤解，常稱之為保溫涂料。

圖4 玻璃與常見金屬導熱系數對比

圖5 對比了表面有無保溫涂料的GH141 高溫合金，加熱至(1100±20)℃出爐軋制后的表面狀態。

圖5 GH141 高溫合金加熱至(1100±20)℃出爐軋制后的表面狀態

由圖5 可見，表面涂覆保溫涂料的GH141 高溫合金，軋制后幾乎未見裂紋，而未涂覆保溫涂料的GH141，由于軋制過程中溫降過快導致變形抗力過大，造成軋制后環件的內圓出現了明顯的裂紋。

綜上所述，保溫涂料良好的隔熱和保溫效果可以顯著提升鍛件質量，并延長鍛造時間，特別是對于GH141、GH738 等鍛造溫度范圍窄的金屬來說，作用更為明顯。同時也避免了坯料向模具過多的傳熱，延長了模具的使用壽命。

鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑、保溫涂料的發展方向

生產及使用的標準化

隨著鍛造工藝的進步，對于玻璃防護潤滑劑、保溫涂料的要求也越來越高，這就要求鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑、保溫涂料在生產過程中要確保穩定的質量，在使用過程中要嚴格按照相應的標準或使用說明進行。

2023 年，由北京天力創玻璃科技開發有限公司牽頭制定的《金屬熱鍛工藝用玻璃防護潤滑劑 技術規范》團體標準將正式發布，為玻璃防護潤滑劑的生產方和使用方提供了重要依據，可指導生產方對玻璃防護潤滑劑的質量進行嚴格把控，同時可指導使用方正確、規范地使用玻璃防護潤滑劑，具有良好的可操作性和指導性，助力鍛造行業和企業實現高質量發展。

品種的多樣化

隨著鍛件材料的多樣化和鍛造工藝的進步，對于玻璃防護潤滑劑、保溫涂料的要求趨于多樣化，使得玻璃防護潤滑劑、保溫涂料的品種也趨于多樣化。這就要求玻璃防護潤滑劑的使用方要摒棄一種玻璃防護潤滑劑適用很多種鍛造工藝的舊思維，同時，玻璃防護潤滑劑、保溫涂料的研制和生產方要與使用方建立緊密的聯系，及時為使用方的新鍛造工藝匹配新的產品，只有雙方共同緊密合作，才能發揮玻璃防護潤滑劑、保溫涂料的最佳效果。

結論

鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑、保溫涂料具有優異的防護、潤滑、保溫性能，且使用工藝簡便、無毒環保，能保證全熱歷程隔絕所有氣體對坯料的影響；并在熱成形時提高工件的塑性和表面質量、減少加工余量、節約設備能源；同時在工件轉移時減少工件熱量損失，防止工模具過熱，延長模具壽命。

綜上所述，鍛造工藝用玻璃防護潤滑劑、保溫涂料在多種金屬熱鍛造、擠壓、軋制等熱加工中都得到了廣泛的應用。