赵帆等：锆合金热挤压用防护润滑剂的试制与性能 233· interfacial heat transfer coefficient increases from 250 W.m2.C-to 2700 W.m2.C-.On the other and,when the lubricant was used. the time for the surface temperature of Zr-4 alloy to reach stability is prolonged to 12 s,and the interfacial heat transfer coefficient increases from 131 W.m2.Cto 1900 W.m2.C,indicating that the lubricant has good thermal barrier properties. KEY WORDS zirconium alloy;extrusion;lubricant;friction factor;thermal protection 锆合金具有优异的核性能、适中的力学性能 远低于钛合金，使用此方法很难将润滑剂均匀涂 及良好的加工性能，是核反应堆的重要组成材 覆于坯料表面.此外，相对于钛合金，锆合金在加 料-但我国目前无法大批量生产优质锆材，这 热与保温时，更容易与周围环境发生反应，在加热 是由于锆合金的挤压温度较高、挤压时的变形抗 时要避免其吸氧、吸氢、吸氨等.因此，锆合金在 力较大、并且容易粘模.除此之外，锆合金的热态 热挤压时需要一种同时满足热防护与润滑效果的 化学活性比较强，在高温状态下会与周围介质中 材料，在坯料加热之前涂覆于坯料表面，这要求润 的氢、氧、氨、二氧化碳等气体发生反应，产生氧 滑材料具有良好的致密性与附着力，保证在移动 化皮、氢化物等，影响材料的使用性能-6 坯料过程中润滑材料不发生脱落.目前，国内锆合 润滑是能否得到良好挤压成形制品的关键， 金热挤压用润滑剂仍依赖进口. 在合理的润滑条件下挤压，不仅能够得到质量优 近年来，我国核电事业飞速发展，带来了锆合 良的挤压产品、降低挤压能耗，并且可以延长工模 金需求量的持续增加，实现锆合金挤压用玻璃润 具的使用寿命.玻璃润滑是目前钛合金等难挤压 滑剂的国产化具有十分重要的意义，本文试制了 金属最优选的润滑方式，因为其不仅成本较低，能 一种由有机硅树脂、低软化点玻璃粉、A12O3粉、 够提供良好的润滑作用，并且具有较好的绝热、抗 滑石粉、云母粉、MoS2粉、石墨粉等组成的润滑 氧化、减少吸氢量等防护效果)段素杰和李锡 材料，可有效减小锆合金挤压时的摩擦系数，且涂 春图的研究表明，T281环保型玻璃防护润滑剂在 覆于锆合金坯料上时不易脱落，同时防止合金加 850~960℃能满足钛合金精锻工艺和静电喷涂工 热时与周围气氛的反应 艺的要求，防护润滑效果好.金峰等9研究了一种 新型玻璃润滑剂（磷酸盐玻璃/SiO,NaCI的质量分 1实验材料与方法 数分别为70%、20%、10%).该润滑剂在900~950℃ 1.1实验材料 对钛合金具有较好的润滑、热防护和热障性能.王 实验所使用的主要材料：Zr-4合金，国核宝钛 淑云等©通过对不同温度下的硼硅酸盐玻璃料的 锆业股份公司；YT3019胶粘剂（有机硅树脂），上 玻璃化程度进行测试，研制出了可在850~1080℃ 海玉桃化工科技有限公司；YB-D50低软化点玻璃 温度范围内使用的钛合金锻造用玻璃防护润滑 粉末，1000目，佛山市优合化工有限公司；云母粉， 剂.陈晓东等用B2O3和CaO分别替代SiO2和 800目，上海九洁实业有限公司：滑石粉，1250目，广 A12O3,以调整铝硅酸盐玻璃的黏度，发现了最适 西K牌；氧化铝粉，1.5um,耐博检测技术（上海） 合TCI1钛合金热挤压用的玻璃润滑剂组分，适用 有限公司；二硫化钼，上海麦克林生化科技有限公 温度区间为900~1050℃.鲍天骄等2研制了以 司；石墨粉，8000目，上海麦克林生化科技有限公 SiO2-NaO-B,O3-ZnO-AlO3为基础成分的玻璃 司：无水乙醇，北京通广精细化工有限公司.其中， 防护润滑剂，其可以在800~1000℃长期使用，为 无铅低软化点玻璃粉末主要成分如表1所示 大型钛合金锻件提供润滑保护.Fan等D]研制了 适用于在800℃挤压纯钛的玻璃润滑剂，在冷却 表1无铅低软化点玻璃粉末主要成分（质量分数） 时，由于玻璃与纯钛热膨胀系数的差异，该玻璃润 Table I Main components of lead-free low softening point glass 滑剂可自行脱落，简化了工艺，提高经济性.另外 powder % 玻璃润滑防护在铬镍铁合金、镍基合金啊、不锈 P2O5 B203 ZnO N20+K20 钢、耐热钢7等材料的热成形中也有所应用 60 6 21 Bal. 但工业上常用的钛合金热挤压用玻璃润滑剂 并不能很好的适用于锆合金挤压.钛合金是在加 1.2 润滑效果评价方法 热至指定温度后，在其表面以滚涂或喷涂的方式 圆环压缩法8-0是能较为便捷、准确的测定 施加玻璃润滑剂：而锆合金的挤压温度（约700℃） 塑性成形时摩擦因子的方法，将Z4合金加工成interfacial heat transfer coefficient increases from 250 W·m−2 ·℃−1 to 2700 W·m−2 ·℃−1. On the other and, when the lubricant was used, the  time  for  the  surface  temperature  of  Zr-4  alloy  to  reach  stability  is  prolonged  to  12  s,  and  the  interfacial  heat  transfer  coefficient increases from 131 W·m−2 ·℃−1 to 1900 W·m−2 ·℃−1, indicating that the lubricant has good thermal barrier properties. KEY WORDS    zirconium alloy；extrusion；lubricant；friction factor；thermal protection 锆合金具有优异的核性能、适中的力学性能 及良好的加工性能，是核反应堆的重要组成材 料[1−4] . 但我国目前无法大批量生产优质锆材，这 是由于锆合金的挤压温度较高、挤压时的变形抗 力较大、并且容易粘模. 除此之外，锆合金的热态 化学活性比较强，在高温状态下会与周围介质中 的氢、氧、氮、二氧化碳等气体发生反应，产生氧 化皮、氢化物等，影响材料的使用性能[5−6] . 润滑是能否得到良好挤压成形制品的关键， 在合理的润滑条件下挤压，不仅能够得到质量优 良的挤压产品、降低挤压能耗，并且可以延长工模 具的使用寿命. 玻璃润滑是目前钛合金等难挤压 金属最优选的润滑方式，因为其不仅成本较低，能 够提供良好的润滑作用，并且具有较好的绝热、抗 氧化、减少吸氢量等防护效果[7] . 段素杰和李锡 春[8] 的研究表明，T281 环保型玻璃防护润滑剂在 850～960 ℃ 能满足钛合金精锻工艺和静电喷涂工 艺的要求，防护润滑效果好. 金峰等[9] 研究了一种 新型玻璃润滑剂（磷酸盐玻璃/SiO2 /NaCl 的质量分 数分别为 70%、20%、10%），该润滑剂在 900～950 ℃ 对钛合金具有较好的润滑、热防护和热障性能. 王 淑云等[10] 通过对不同温度下的硼硅酸盐玻璃料的 玻璃化程度进行测试，研制出了可在 850～1080 ℃ 温度范围内使用的钛合金锻造用玻璃防护润滑 剂. 陈晓东等[11] 用 B2O3 和 CaO 分别替代 SiO2 和 Al2O3，以调整铝硅酸盐玻璃的黏度，发现了最适 合 TC11 钛合金热挤压用的玻璃润滑剂组分，适用 温度区间为 900～1050 ℃. 鲍天骄等[12] 研制了以 SiO2−Na2O−B2O3−ZnO−Al2O3 为基础成分的玻璃 防护润滑剂，其可以在 800～1000 ℃ 长期使用，为 大型钛合金锻件提供润滑保护. Fan 等[13] 研制了 适用于在 800 ℃ 挤压纯钛的玻璃润滑剂，在冷却 时，由于玻璃与纯钛热膨胀系数的差异，该玻璃润 滑剂可自行脱落，简化了工艺，提高经济性. 另外， 玻璃润滑防护在铬镍铁合金[14]、镍基合金[15]、不锈 钢[16]、耐热钢[17] 等材料的热成形中也有所应用. 但工业上常用的钛合金热挤压用玻璃润滑剂 并不能很好的适用于锆合金挤压. 钛合金是在加 热至指定温度后，在其表面以滚涂或喷涂的方式 施加玻璃润滑剂；而锆合金的挤压温度（约 700 ℃） 远低于钛合金，使用此方法很难将润滑剂均匀涂 覆于坯料表面. 此外，相对于钛合金，锆合金在加 热与保温时，更容易与周围环境发生反应，在加热 时要避免其吸氧、吸氢、吸氮等. 因此，锆合金在 热挤压时需要一种同时满足热防护与润滑效果的 材料，在坯料加热之前涂覆于坯料表面，这要求润 滑材料具有良好的致密性与附着力，保证在移动 坯料过程中润滑材料不发生脱落. 目前，国内锆合 金热挤压用润滑剂仍依赖进口. 近年来，我国核电事业飞速发展，带来了锆合 金需求量的持续增加，实现锆合金挤压用玻璃润 滑剂的国产化具有十分重要的意义. 本文试制了 一种由有机硅树脂、低软化点玻璃粉、Al2O3 粉、 滑石粉、云母粉、MoS2 粉、石墨粉等组成的润滑 材料，可有效减小锆合金挤压时的摩擦系数，且涂 覆于锆合金坯料上时不易脱落，同时防止合金加 热时与周围气氛的反应. 1    实验材料与方法 1.1    实验材料 实验所使用的主要材料：Zr-4 合金，国核宝钛 锆业股份公司；YT3019 胶粘剂（有机硅树脂），上 海玉桃化工科技有限公司；YB-D50 低软化点玻璃 粉末，1000 目，佛山市优合化工有限公司；云母粉， 800 目，上海九洁实业有限公司；滑石粉，1250 目，广 西 K 牌；氧化铝粉，1.5 μm，耐博检测技术（上海） 有限公司；二硫化钼，上海麦克林生化科技有限公 司；石墨粉，8000 目，上海麦克林生化科技有限公 司；无水乙醇，北京通广精细化工有限公司. 其中， 无铅低软化点玻璃粉末主要成分如表 1 所示. 表 1 无铅低软化点玻璃粉末主要成分（质量分数） Table 1   Main components of lead-free low softening point glass powder                                                                                             % P2O5 B2O3 ZnO N2O+K2O 60 6 21 Bal. 1.2    润滑效果评价方法 圆环压缩法[18−20] 是能较为便捷、准确的测定 塑性成形时摩擦因子的方法，将 Zr-4 合金加工成 赵    帆等： 锆合金热挤压用防护润滑剂的试制与性能 · 233 ·