热锻中的润滑剂选择与应用

热锻中，由于高温、高压和界面摩擦使模具磨损成为一个主要问题。因此，使用润滑剂的主要目的是减少模具磨损。在各种热锻润滑剂中使用最多的是水基石墨，据国内近几年推广应用统计，它与盐水、润滑油、油基石墨相比，一般能使模具寿命提高50%左右。

在等温锻造以及钛、镍合金和高熔点金属的热模锻中，用玻璃润滑剂效果较好。因玻璃有防氧化作用，且具有流体动力润滑作用（厚膜润滑）。应用玻璃润滑剂时，应选择合适粘度。为保护模具常加入分离剂（石墨、BN），这样即使润滑膜破裂也不致对模具发生过度的磨损。

热锻工序中各种润滑剂的选择列于表1-6-5。

1.热锻用石墨型润滑剂

热模锻工艺要求润滑剂具有冷却、高温润滑及脱模等综合性能，而历来使用的润滑剂，例如盐水、锯末，润滑油+石墨（或MoS₂）等材料缺乏综合性能，故影响了金属材料在型腔中的充填高度，模具的冷却及生产率，造成锻件的废品率较高，模具寿命较低。此外，这类润滑剂无法在自动化生产中应用，故在一定程度上影响了热模锻工艺及生产的发展。水基石墨具有十分良好的综合性能；因而，现已在热模锻、温热挤压生产中广泛使用。

国内目前在热锻上应用的水基石墨润滑剂主要有上海胶体化工厂、山东青岛莱西市青岛润霸石墨制品有限公司（原名：申墅石墨制品厂）及丹阳市石墨制品厂等单位生产的一些品种。

1）上海胶体化工厂生产的水基石墨品种有以下三种，见表1-6-6。

表1-6-5 通常使用的热锻润滑剂及典型的摩擦值

注：ST为粘着摩擦；GR为石墨；所给玻璃粘度为锻造温度时粘度。

表1-6-6 上海胶体化工厂三种水基石墨的技术指标

注：表中含量均为质量分数。

表中三种水基石墨润滑剂主要应用于热模锻及热挤压。其中SG-1胶体状超微水基石墨润滑剂，它是由北京机电研究所研制，上海胶体化工厂生产，并获得国家科学进步奖。它具有十分优良的润滑、脱模性能；其良好的分散性能，使石墨颗粒沉降后不会结板，不易堵塞喷枪，非常适合锻压自动生产线上应用。它已在桑塔纳轿车锻造自动生产线上大量应用。

除了表中三种热锻水基石墨润滑外还有S-6热轧钢管芯棒水基石墨润滑剂，它是专为无缝钢管连轧机组用的新型石墨润滑剂。它也能在热锻压、热挤压工艺中作为润滑剂应用。

2）青岛润霸石墨制品有限公司生产的MD系列水基石墨润滑剂品种见表1-6-7。

表1-6-7 MD系列水基石墨的技术指标

注：表中含量均为质量分数。

3）丹阳市石墨制品厂生产水基石墨润滑剂有以下四个品种，见表1-6-8。

表1-6-8 丹阳市石墨制品厂生产的四种水基石墨的技术指标

应用水基石墨润滑剂时应注意以下三点：

①在热模锻生产中使用水基石墨时，首先应根据工艺及锻件的特点来选择适宜的品种，对于变形量大的或温热挤压应选择润滑性能较好的品种；模具温度高的应采用润滑性能及冷却性能较优的品种；对于深型腔，难脱模的要选用脱模性能较优的品种。

②喷涂润滑剂冷却模具时，其效果与单位时间的喷涂量及喷射速度（压力）有关。从图1-6-10中看出，单位时间加大两倍的冷却剂量要比延长两倍喷射时间有效。喷射速度是一个重要因素，在高温时为了驱散包围在模具上的热蒸汽，采用高速喷射较好。

图1-6-10 依赖于喷射量的时间冷却曲线

③关于润滑剂量的控制。从图1-6-11中可见润滑剂层达到一定厚度后，μ值几乎不再降低。一般在5μm（约0.6mg/cm²）后μ值趋向平缓。过多的润滑剂并不会给润滑带来太多的好处，要注意的是每次锻打前都应喷涂润滑剂。

图1-6-11 润滑剂层厚度（重量）与摩擦因数的关系

2.热锻用玻璃润滑剂

在一些塑性成形工艺中，例如钢管、钢材的挤压，不锈钢、钛合金、高温合金热模锻以及等温锻造时，常用玻璃作润滑剂。玻璃可以看做一种空间网状结构的无机热塑性聚合物，它从高温按通常速率冷却时，粘度逐渐增加而成为固体，但不形成为晶体结构，而是一种无定形结构。因而在物理性能上它是各向同性的，在加热过程中它逐渐软化，粘度变小而成液态，不像晶体有固定的熔点。它所具有的特点是：

1）在金属热成形中，它是唯一在高温下具有流体动力润滑（厚膜润滑）的材料；因此，摩擦因数很低。(www.xing528.com)

2）有优越的绝热性能，能减少高温锻件对模具的热传导，这样既可以使锻件温度不会过于降低，又可使模具温度不致升得过高。

3）涂抹于变形金属表面，能具有一定的防氧化、脱碳、渗氢及合金元素贫化的功效。

4）变化玻璃组分，可在500～2000℃的温度范围内使用，这样宽广的温度范围是其他任何种类的润滑材料所无法满足的。

其缺点是制备麻烦，且使用后覆盖在锻件表面的玻璃薄膜不易去除；相对于其他类型润滑剂其价格较贵，故在应用面上受一定限制。

玻璃在塑性成形中作为润滑剂应用时，它最重要的两个性能指标是粘度及湿润性。

（1）粘度 玻璃没有边界润滑性，故它们最重要的性能是粘度，它们的粘度随温度的升高而降低，按照指数定律表达为如式（1-6-7）：

η=Aexp（E/RT） （1-6-7）

式中 A——常数；

E——活化能；

R——气体常数；

T——热力学温度。

可通过调节玻璃成分而获得所需的粘度。玻璃作为润滑剂使用时，要求它的粘度—温度曲线的斜率较小为好（也即料性较长）。因为料性较长的玻璃，它的粘度随温度变化的影响较小，这对非等温锻造更为重要。

对于塑性成形来说，最佳的粘度尚没有一致结论，原因是试验研究时工艺条件不同，所得的结论也不一样，一般说来粘度在10～100Pa·s范围使用较合适。建议在非等温锻造时粘度采用上述范围的下限较好，如果加热时间较长则在上限更好些。

（2）粘附性或湿润性 因为玻璃没有边界润滑性，故润滑薄膜必须连续。因此，它必须粘到工件表面上，完全湿润工件表面，也即要有好的湿润性，湿润角要大，但不应侵蚀模具材料。

目前国内研制和生产的玻璃润滑剂主要有以下几种，见表1-6-9。

表1-6-9 热锻用玻璃润滑剂

3.热精锻用非石墨型润滑剂

随着热模锻生产的不断扩大，油基石墨、水基石墨润滑剂的使用量越来越多。由于石墨润滑剂造成的黑脏、粉尘污染问题越来越严重，作业环境恶劣，石墨粉在设备上的堆积清理困难，设备受到损害，操作者的健康也会受到不利的影响。因此，在生态环境越来越受到重视的情况下，由润滑剂造成的黑脏及粉尘污染问题迫切需要得到改善和解决。

非石墨型热精锻润滑剂就是在这样的背景下研究开发的，国外在20世纪90年代初开始已有一些产品陆续供应市场，替代水基石墨润滑剂应用于生产，使用量也在逐年增大。

非石墨型润滑剂满足环保要求的，一般可分为两种类型：①白色；②无色。白色的又可分为含白色固体和乳化油两种。考虑含固体成分的白色润滑剂，虽然解决了黑脏问题，但仍未克服粉尘污染；而含乳化油的润滑剂，虽然没有白色粉尘污染，但遇到高温时，会产生浓烟，也有一定的污染。所以无色的应较为理想。北京机电研究所在1999年研制开发，并

由上海胶体化工厂生产的无色水溶性的S-16非石墨型热精锻润滑剂，即为此种类型。该润滑剂经在上海汽车锻造总厂的桑塔纳轿车连杆生产线上应用考核，模具寿命达8000件/套左右，达到水基石墨润滑剂的水平，证明了它有良好的润滑、脱模及高温湿润性能。

采用圆环镦粗测摩擦因数方法将S-16与SG-1水基石墨润滑剂进行了润滑性能的对比测试，试验条件如下：

圆环试样材料 铝合金

圆环试样尺寸 外径×内径×高=24mm×16mm×8mm

模具温度 200℃

试样温度 460℃

试样结果见表1-6-10。

表1-6-10 非石墨型与石墨型两种润滑剂的μ值

从测试数据看，非石墨型的润滑性能要稍劣于石墨型的（表1-6-10），这也是之所以现在还不能全部替代石墨型的一个主要原因，并因此会影响一些经济效益。它主要是为了环保的要求而使用的，有的甚至牺牲一些直接经济效益以换取一定的社会效益，在锻造生产中，一些对润滑、脱模要求高的或变形量大的锻件仍只能使用石墨的润滑剂。