·722 工程科学学报，第40卷，第6期 steel increases from 185 to 1714 W*mswith an increase in contact time.In a traditional silicate glass lubricant,used in the hot extrusion of titanium alloys,the heat transfer coefficient increases from 286 to 2025 Wms.This demonstrates that the proposed glass lubricant exhibits better thermal barrier properties at high temperatures than the traditional one. KEY WORDS titanium alloy:extrusion:glass lubricant:viscosity:heat transfer 钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀等优点， 润滑剂对钛合金的高温腐蚀的影响，根据钛合金与 广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、医疗卫 模具钢之间界面换热特征评价了润滑剂的热障 生等领域.钛合金的产品形式主要有管材、型材、 效果 棒材、板材等，其中管材、型材、棒材通常采用挤压成 形生产-).挤压法相对于轧制法，不需要成本较高 1润滑剂的制备和性能评价方法 的整套孔型设计及制造，仅需合理的挤压模具设计 1.1润滑剂的制备 即可，加工效率高，生产灵活0.由于挤压温度高、 按质量分数70%的(NH）2HP0,、7%的HB03、 变形抗力大、容易粘模等原因，润滑是钛合金材料挤 13%的Zn0、10%的Na2C03+KN0,进行配料，机械 压生产的关键技术之一，合理选择润滑方式和润滑 混合均匀后将混合料加热至1100℃、保温1h,然后 剂可以有效降低挤压力，延长工模具使用寿命，提高 随炉冷却，破碎后用900目的筛子过筛，得到低软化 制品质量，降低挤压能耗 点磷酸盐玻璃粉末（软化点约为450℃），其主要化 传统钛合金挤压常用的润滑剂有润滑脂、铜包 学成分（质量分数）为60%的P205、6%的B203、 套以及玻璃润滑剂.采用润滑脂时，可挤出型材的 21%的Zn0、剩余的为Na,0+K,O. 长度有限；采用纯铜包套挤压时，由于铜和钛合金在 将上述磷酸盐玻璃粉末以及粒度900目的Si02 高温下易发生反应生成Ti-C山共晶产物，导致挤压 粉末、粒度100目的NaCl粉末，按表1进行配比并 力增大，后续酸洗污染大因，且在挤压管材时，内孔 机械混合均匀获得润滑剂混合体.前期实验表明， 铜皮在挤压过程中易断裂，造成润滑不连续.玻璃 若粉末组成中NaCl的含量过高，在NaCl熔点(801 润滑是钛合金挤压最先进的润滑方式，但是目前市 ℃)以上温度挤压实验时，部分NaCl将被挤出润滑 售的以SiO2、B2O3为主要成分的硅酸盐玻璃润滑 剂混合体从而导致黏度显著增大，多次试验后确定 剂，其黏度随温度变化幅度大，在700~900℃之间 NaCl较合适的质量比为10% 的黏度范围甚至达到102~10'Pa·s,而适合钛合金 表1玻璃润滑剂组成（质量分数） 挤压用的润滑剂黏度范围为103~10Pa·s(有效润 Table 1 Components of the glass lubricant 滑黏度))，黏度太高或太低均难以获得良好的润 试样 磷酸盐玻璃 Si02 NaCl 滑效果 70 20 10 大多数钛合金挤压坯料加热温度超过900℃， b 60 30 10 而模具的预热温度通常不超过500℃，因此在挤压 45 45 10 时坯料与模具钢之间的润滑剂存在很大的温度梯 d 30 60 o 度，和模具接触的部分温度低，和坯料接触的部分温 20 70 10 度高，现有的玻璃润滑剂很难保证其黏度在上述高、 低温条件下均处于有效黏度范围之内.因此采用单 1.2 润滑剂性能评价方法 一品种的硅酸盐玻璃润滑剂进行钛合金挤压生产 将磷酸盐玻璃、SiO,和NaCl按不同质量比混合 时，不同程度地存在工艺控制难度较大，模具寿命、 后，以适量的水玻璃（硅酸钠浓度1.0~1.1mol· 制品质量和成材率较低等问题.目前的解决办法是 L-)为粘结剂，模压成中15mm×20mm的圆柱试 采用多层涂覆方式图，即在坯料表面涂覆高软化点 样，然后在200℃下烘干30min.对圆柱试样进行模 润滑剂、在模具表面涂覆低软化点润滑剂，但相应地 拟挤压实验，钛合金挤压实际生产中，由于模具温度 增加了生产工序、降低了生产效率 较低，玻璃润滑剂的实际工作温度范围约为500~ 本文针对现有钛合金挤压润滑剂存在的不足， 900℃，因此本文主要分析500~900℃温度范围内 研究了一种以磷酸盐玻璃、SiO,和NaCl为主要组成 玻璃润滑剂的特性：模拟挤压中挤压筒内径为16 的新型玻璃润滑剂，采用模拟挤压实验获得了不同 mm,模孔内径为6mm,挤压比为7.1.挤压时的载 组成比玻璃润滑剂的黏度一温度曲线，分析了玻璃 荷一位移曲线由计算机自动采集.工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 steel increases from 185 to 1714 W·m － 2·s － 1 with an increase in contact time． In a traditional silicate glass lubricant，used in the hot extrusion of titanium alloys，the heat transfer coefficient increases from 286 to 2025 W·m － 2·s － 1 ． This demonstrates that the proposed glass lubricant exhibits better thermal barrier properties at high temperatures than the traditional one． KEY WOＲDS titanium alloy; extrusion; glass lubricant; viscosity; heat transfer 钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀等优点， 广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、医疗卫 生等领域［1］． 钛合金的产品形式主要有管材、型材、 棒材、板材等，其中管材、型材、棒材通常采用挤压成 形生产［2--3］． 挤压法相对于轧制法，不需要成本较高 的整套孔型设计及制造，仅需合理的挤压模具设计 即可，加工效率高，生产灵活［4］． 由于挤压温度高、 变形抗力大、容易粘模等原因，润滑是钛合金材料挤 压生产的关键技术之一，合理选择润滑方式和润滑 剂可以有效降低挤压力，延长工模具使用寿命，提高 制品质量，降低挤压能耗［5］． 传统钛合金挤压常用的润滑剂有润滑脂、铜包 套以及玻璃润滑剂． 采用润滑脂时，可挤出型材的 长度有限; 采用纯铜包套挤压时，由于铜和钛合金在 高温下易发生反应生成 Ti--Cu 共晶产物，导致挤压 力增大，后续酸洗污染大［6］，且在挤压管材时，内孔 铜皮在挤压过程中易断裂，造成润滑不连续． 玻璃 润滑是钛合金挤压最先进的润滑方式，但是目前市 售的以 SiO2、B2 O3 为主要成分的硅酸盐玻璃润滑 剂，其黏度随温度变化幅度大，在 700 ～ 900 ℃ 之间 的黏度范围甚至达到 102 ～ 107 Pa·s，而适合钛合金 挤压用的润滑剂黏度范围为 103 ～ 105 Pa·s( 有效润 滑黏度) ［7］，黏度太高或太低均难以获得良好的润 滑效果． 大多数钛合金挤压坯料加热温度超过 900 ℃， 而模具的预热温度通常不超过 500 ℃，因此在挤压 时坯料与模具钢之间的润滑剂存在很大的温度梯 度，和模具接触的部分温度低，和坯料接触的部分温 度高，现有的玻璃润滑剂很难保证其黏度在上述高、 低温条件下均处于有效黏度范围之内． 因此采用单 一品种的硅酸盐玻璃润滑剂进行钛合金挤压生产 时，不同程度地存在工艺控制难度较大，模具寿命、 制品质量和成材率较低等问题． 目前的解决办法是 采用多层涂覆方式［8］，即在坯料表面涂覆高软化点 润滑剂、在模具表面涂覆低软化点润滑剂，但相应地 增加了生产工序、降低了生产效率． 本文针对现有钛合金挤压润滑剂存在的不足， 研究了一种以磷酸盐玻璃、SiO2和 NaCl 为主要组成 的新型玻璃润滑剂，采用模拟挤压实验获得了不同 组成比玻璃润滑剂的黏度--温度曲线，分析了玻璃 润滑剂对钛合金的高温腐蚀的影响，根据钛合金与 模具钢之间界面换热特征评价了润滑剂的热障 效果． 1 润滑剂的制备和性能评价方法 1. 1 润滑剂的制备 按质量分数 70% 的( NH3 ) 2HPO4、7% 的 H3BO3、 13% 的 ZnO、10% 的 Na2CO3 + KNO3进行配料，机械 混合均匀后将混合料加热至 1100 ℃、保温 1 h，然后 随炉冷却，破碎后用 900 目的筛子过筛，得到低软化 点磷酸盐玻璃粉末( 软化点约为 450 ℃ ) ，其主要化 学成分( 质量分数) 为 60% 的 P2 O5、6% 的 B2 O3、 21% 的 ZnO、剩余的为 Na2O + K2O． 将上述磷酸盐玻璃粉末以及粒度 900 目的 SiO2 粉末、粒度 100 目的 NaCl 粉末，按表 1 进行配比并 机械混合均匀获得润滑剂混合体． 前期实验表明， 若粉末组成中 NaCl 的含量过高，在 NaCl 熔点( 801 ℃ ) 以上温度挤压实验时，部分 NaCl 将被挤出润滑 剂混合体从而导致黏度显著增大，多次试验后确定 NaCl 较合适的质量比为 10% ． 表 1 玻璃润滑剂组成( 质量分数) Table 1 Components of the glass lubricant % 试样 磷酸盐玻璃 SiO2 NaCl a 70 20 10 b 60 30 10 c 45 45 10 d 30 60 10 e 20 70 10 1. 2 润滑剂性能评价方法 将磷酸盐玻璃、SiO2和 NaCl 按不同质量比混合 后，以适量的水玻璃( 硅酸钠浓度 1. 0 ～ 1. 1 mol· L － 1 ) 为粘结剂，模压成 15 mm × 20 mm 的圆柱试 样，然后在 200 ℃下烘干 30 min． 对圆柱试样进行模 拟挤压实验，钛合金挤压实际生产中，由于模具温度 较低，玻璃润滑剂的实际工作温度范围约为 500 ～ 900 ℃，因此本文主要分析 500 ～ 900 ℃ 温度范围内 玻璃润滑剂的特性; 模拟挤压中挤压筒内径为 16 mm，模孔内径为 6 mm，挤压比为 7. 1． 挤压时的载 荷--位移曲线由计算机自动采集． · 227 ·