·724 工程科学学报，第40卷，第6期 硼硅酸盐玻璃.采用文献3]的黏度计算方法，获 成(Si02,Na20,B,0的质量比为60：20：20)甚至也 得不同组成和温度硅酸盐玻璃润滑剂的黏度如 达到102~10'Pas.而本文新型玻璃润滑剂，在600 表2所示.由表2可知，传统钛合金热挤压用硅酸 ℃~900℃之间的黏度范围仅为1.3×10~9.4× 盐玻璃润滑剂黏度随温度的变化幅度很大，即便在 10Pas,黏度一温度特性优于传统硅酸盐玻璃润滑 700~900℃较窄的温度区间内，黏度变化最小的组 剂，更有利于钛合金挤压润滑的要求. 表2钛合金热挤压用玻璃润滑剂的组成和黏度 Table2 Composition and viscosity of glass lubricants for hot extrusion of titanium alloys 氧化物质量分数/% 黏度/(Pa"s) SiO2 Na2O B203 600℃ 700℃ 800℃ 900℃ 60 35 J 1.2×1026 3.7×104 1.2×108 1.5×104 60 20 20 1.6×102 3.9×107 1.0×103 2.7×103 15 30 1.8×107 5.1×109 2.9×105 8.0×102 50 15 35 7.7×1026 1.1×1013 2.0×105 4.0 考虑到钛合金挤压时，玻璃润滑剂将承受较大 图5为钛合金试样表面的氧化皮厚度与保温时 的压力，为此测试了新型润滑剂试样（磷酸盐玻璃/ 间的关系.从图中可以看出随着保温时间的延长， Si02/NaCl质量比为70：20：10)在700℃不同压力 试样氧化皮的厚度增大：950℃保温5min时氧化皮 下的剩余厚度，如图3所示.图3插图中垫片与导 厚度约为1.5m:保温10min时氧化皮厚度约为 向筒的单边间隙为0.1mm,由于钛合金的高温变形 4.4μm;保温20min时氧化皮厚度约为7.2μm;保 抗力较小，因此图3中的模具采用高温合金制作，润 温30min时氧化皮厚度约为9.2μm. 滑剂初始厚度均为3mm.图3表明，经过100MPa 根据文献14一15]，钛合金在950℃高温下生 加压后润滑剂剩余厚度约为0.99mm,经过200MPa 成的氧化皮为片层状，有明显的缝隙，C、O、N、H则 加压后剩余厚度约为0.95mm,经过300MPa加压后 可以通过这些缝隙向内部扩散，形成高硬度、高脆性 剩余厚度约为0.78mm.因此本文新型润滑剂在较 的含氧污染物，并在后续的加工、使用过程中，易产 大的压力下能够在钛合金坯料和挤压模具间维持一 生表面裂纹并延伸至基体中，影响材料的使用性能 层润滑剂膜，可以满足润滑连续性要求. 图6为涂覆玻璃润滑剂试样保温2~20in,经 1.05 打磨抛光后的横截面形貌.由图6可知，涂覆玻璃 1.00 润滑剂后保温2、3min的试样表层未出现腐蚀现 象；保温4min的试样表层出现轻微的腐蚀，但基体 0.95 内未出现孔洞层；保温5min的试样基体内出现轻 压头 垫片 微的孔洞，孔洞层深度约为5.5um;保温10min的 0.85 导向套 试样表层出现明显的点状腐蚀后留下的孔洞，孔洞 电阻炉 层深度约为10.7m;保温20min的试样表层的腐 ⊙垫片 蚀程度更深，并且孔洞较保温l0min的试样更大， 0.75 模座 孔洞层深度约为19.1μm. 0.70 100 150 200 250 300 钛合金挤压玻璃润滑剂的涂覆方法通常采用滚 压力MPa 涂和喷涂，从开始涂覆到挤压结束的时间需根据具 图3新型玻璃润滑剂在不同压力下的剩余厚度 体的坯料尺寸及挤压工艺来确定，以l20mm,长 Fig.3 Remaining thicknesses of the new glass lubricant at different 200mm的坯料为例，挤压过程一般只有几秒钟，而 pressure 滚涂的工艺流程中，加热后的钛合金坯料与润滑剂 2.2润滑剂对钛合金表面高温腐蚀的影响 的接触时间同样很短a.因此，在实际生产中，玻 图4为钛合金试样在950℃下保温5~30mim 璃润滑剂与钛合金高温接触时间通常小于3min,采 的横截面扫描电镜照片.由图可以看出，钛合金试 用本文新型玻璃润滑剂，在钛合金润滑剂涂覆和挤 样表面均生成了一层氧化皮，其中保温20与30min 压的时间范围内并不会对钛合金基体产生腐蚀 试样的氧化很严重，氧化皮与基体产生了分离. 钛合金坯料的预热一般是在保护性气氛中进行工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 硼硅酸盐玻璃． 采用文献［13］的黏度计算方法，获 得不同组成和温度硅酸盐玻璃润滑剂的黏度如 表 2 所示． 由表 2 可知，传统钛合金热挤压用硅酸 盐玻璃润滑剂黏度随温度的变化幅度很大，即便在 700 ～ 900 ℃较窄的温度区间内，黏度变化最小的组 成( SiO2，Na2O，B2O3的质量比为 60∶ 20∶ 20) 甚至也 达到 102 ～ 107 Pa·s． 而本文新型玻璃润滑剂，在 600 ℃ ～ 900 ℃之间的黏度范围仅为 1. 3 × 105 ～ 9. 4 × 105 Pa·s，黏度--温度特性优于传统硅酸盐玻璃润滑 剂，更有利于钛合金挤压润滑的要求． 表 2 钛合金热挤压用玻璃润滑剂的组成和黏度 Table 2 Composition and viscosity of glass lubricants for hot extrusion of titanium alloys 氧化物质量分数/% 黏度/( Pa·s) SiO2 Na2O B2O3 600 ℃ 700 ℃ 800 ℃ 900 ℃ 60 35 5 1. 2 × 1026 3. 7 × 1014 1. 2 × 108 1. 5 × 104 60 20 20 1. 6 × 1012 3. 9 × 107 1. 0 × 105 2. 7 × 103 55 15 30 1. 8 × 1017 5. 1 × 109 2. 9 × 105 8. 0 × 102 50 15 35 7. 7 × 1026 1. 1 × 1013 2. 0 × 105 4. 0 考虑到钛合金挤压时，玻璃润滑剂将承受较大 的压力，为此测试了新型润滑剂试样( 磷酸盐玻璃/ SiO2 /NaCl 质量比为 70∶ 20∶ 10) 在 700 ℃ 不同压力 下的剩余厚度，如图 3 所示． 图 3 插图中垫片与导 向筒的单边间隙为 0. 1 mm，由于钛合金的高温变形 抗力较小，因此图 3 中的模具采用高温合金制作，润 滑剂初始厚度均为 3 mm． 图 3 表明，经过 100 MPa 加压后润滑剂剩余厚度约为 0. 99 mm，经过 200 MPa 加压后剩余厚度约为 0. 95 mm，经过300 MPa 加压后 剩余厚度约为 0. 78 mm． 因此本文新型润滑剂在较 大的压力下能够在钛合金坯料和挤压模具间维持一 层润滑剂膜，可以满足润滑连续性要求． 图 3 新型玻璃润滑剂在不同压力下的剩余厚度 Fig． 3 Ｒemaining thicknesses of the new glass lubricant at different pressures 2. 2 润滑剂对钛合金表面高温腐蚀的影响 图 4 为钛合金试样在 950 ℃ 下保温 5 ～ 30 min 的横截面扫描电镜照片． 由图可以看出，钛合金试 样表面均生成了一层氧化皮，其中保温 20 与 30 min 试样的氧化很严重，氧化皮与基体产生了分离． 图 5 为钛合金试样表面的氧化皮厚度与保温时 间的关系． 从图中可以看出随着保温时间的延长， 试样氧化皮的厚度增大: 950 ℃ 保温 5 min 时氧化皮 厚度约为 1. 5 μm; 保温 10 min 时氧化皮厚度约为 4. 4 μm; 保温 20 min 时氧化皮厚度约为 7. 2 μm; 保 温 30 min 时氧化皮厚度约为 9. 2 μm． 根据文献［14--15］，钛合金在 950 ℃ 高温下生 成的氧化皮为片层状，有明显的缝隙，C、O、N、H 则 可以通过这些缝隙向内部扩散，形成高硬度、高脆性 的含氧污染物，并在后续的加工、使用过程中，易产 生表面裂纹并延伸至基体中，影响材料的使用性能． 图 6 为涂覆玻璃润滑剂试样保温 2 ～ 20 min，经 打磨抛光后的横截面形貌． 由图 6 可知，涂覆玻璃 润滑剂后保温 2、3 min 的试样表层未出现腐蚀现 象; 保温 4 min 的试样表层出现轻微的腐蚀，但基体 内未出现孔洞层; 保温 5 min 的试样基体内出现轻 微的孔洞，孔洞层深度约为 5. 5 μm; 保温 10 min 的 试样表层出现明显的点状腐蚀后留下的孔洞，孔洞 层深度约为 10. 7 μm; 保温 20 min 的试样表层的腐 蚀程度更深，并且孔洞较保温 10 min 的试样更大， 孔洞层深度约为 19. 1 μm． 钛合金挤压玻璃润滑剂的涂覆方法通常采用滚 涂和喷涂，从开始涂覆到挤压结束的时间需根据具 体的坯料尺寸及挤压工艺来确定，以 120 mm，长 200 mm 的坯料为例，挤压过程一般只有几秒钟，而 滚涂的工艺流程中，加热后的钛合金坯料与润滑剂 的接触时间同样很短［16］． 因此，在实际生产中，玻 璃润滑剂与钛合金高温接触时间通常小于 3 min，采 用本文新型玻璃润滑剂，在钛合金润滑剂涂覆和挤 压的时间范围内并不会对钛合金基体产生腐蚀． 钛合金坯料的预热一般是在保护性气氛中进行 · 427 ·