绿色化冷锻润滑技术的优化

1.概述

冷锻（含多工位冷挤压、冷镦）是坯料在环境温度下的成形工艺，具有节约原材料、产品精度高、粗糙度低、减少切削加工、产品强度指标高、生产效率高等一系列优点。冷锻加工零件正朝着精密化方向发展，其精度几乎可以与切削加工相媲美，已经成功应用于制造汽车、飞机、机器等重要零件。从技术上讲，它是少无切削加工中最为困难的成形方法之一，加工条件一般都比较苛刻，当加工零件形状复杂，变形率高达70％～80％时，需要很高的变形压力才能使金属成形。据报道，某些零件变形时即使在润滑良好状态下挤压应力仍很高，接近于金属材料的破坏应力范围。由于连续挤压产生了金属流动和晶体变形，使坯件在变形中与模具剧烈摩擦，变形热与摩擦热使模具温度骤升达200～300℃，瞬间温度甚至更高，故两个相接触的金属面处于极压条件下工作，如无良好的润滑条件则模具和坯件易因摩擦磨损过大影响模具的使用寿命，严重时会出现模具和坯件烧粘在一起而损坏的事故，甚至会使冷挤压无法正常加工。

冷锻加工时的润滑问题，从本质上讲是在边界润滑的条件下如何防止金属和金属直接接触，即隔开金属；避免金属之间发生拉伤和烧伤，以及在加工时降低摩擦力，减少摩擦损耗的目的，所以从塑性加工的特性来看，若要使钢件挤压加工能正常连续进行，除要求对毛坯进行表面润滑处理外，还需要有合适的模具润滑剂来配合完成。

目前毛坯广泛采用磷酸盐、草酸盐涂层再施加润滑剂后达到冷成形润滑目的，碳钢、低碳合金钢等主要采用磷化方式形成被膜，当钢中铬的含量超过5％（质量分数）时，就不能被磷化，因此不锈钢、镍基合金、高铬合金的表面处理采用草酸盐的方式形成被膜。尽管这种预处理工序能保证冷挤压工艺的顺利进行，但是由于工序繁多，处理时间长，质量要求严格，处理成本较高，同时，废液（含无机酸、亚硝酸盐、重金属Pb、Cr、Zn、Ni等）对环境造成污染，因而世界各国都在寻求新的润滑方式以取代磷化皂化工艺。

磷化-皂化处理生成一层具有极压性能的多孔磷酸盐被膜，它的耐热能力可达600℃，膜的吸润滑剂的能力是光滑表面的13倍，可容纳油和皂，起到良好的润滑作用。此膜是在坯件表面上由金属置换作用而形成的，与金属基体有很强的结合力，能牢固地附着在基体上而不易剥落，且能随工件塑性流动，即使在其下表面挤压延伸到17倍时仍不至于脱落。膜的厚度一般为5～15μm，不改变零件尺寸，不会影响加工。冷锻过程中，润滑膜能有效地起到隔开金属的作用，磷化膜是钢坯冷挤压的润滑支承层，在此基础上再用硬脂酸钠与磷酸锌之间发生化学作用进行皂化，得到有效的硬脂酸锌润滑层。这种润滑方法在单工序的冷挤压加工方式中是工艺成败的关键之一。经过改进，至今仍在冷成形加工中应用。

2.绿色化冷锻润滑技术研究

冷锻（冷挤压、冷镦）常用的润滑工艺及材料列于表3-2。

表3-2冷锻（冷挤压、冷镦）常用润滑工艺及材料

在取代磷化-皂化润滑技术研究领域，多年来，国内外研究者开展了大量工作，归纳为以下几方面：

（1）“高压静电法”高分子涂层润滑 采用聚乙烯（平均相对分子质量20万左右）为原料，粒度35μm左右，经过高压静电喷涂的方法在毛坯上形成坚固润滑涂层。工艺过程描述如下：将坯料表面清洁后，用8万～9万V的 高 压 静 电，20～60mA电 流，用1atm（101.325kPa）的压缩空气将聚合物粉末通过喷枪喷到坯料上；将坯料放在电热烘箱内，经过一定时间的塑化，取出后在空气中冷却，润滑涂层制备完毕。喷涂的厚度为40μm左右最为适宜。以某钢质药筒的成形工艺为例，采用本方法润滑，一次拉伸时挤压力为390kN，二次拉伸时的挤压力为170kN，采用磷化-皂化工艺润滑时，一次拉伸的挤压力为420kN，二次拉伸的挤压力为185kN，说明该工艺的润滑效果较好。

（2）含硫、磷、氯元素的高分子润滑涂层 一般极压润滑剂中都含有一定数量的活泼硫、磷、氯等元素的化合物，根据这一原理，可分别采用含20％（质量分数）的聚氯乙烯的甲乙酮溶液、三甲酚磷酸酯甲醇溶液、聚硫-聚氯乙烯等作为润滑剂，其中聚硫类材料发挥的性能最好，以中碳钢挤压为例，润滑膜厚度采用50μm，润滑效果与磷化-皂化润滑相当。

（3）以聚合物为基础的金属盐润滑涂层 以含有1.5％～30％（质量分数，下同）的含氯聚合物或共聚物（如氯乙烯或共聚物），复合0.5％～10％（以聚合物为基础）的不稳定盐作为润滑剂，将之施涂在坯料上，干燥后成形加工，产品表面不出现拉丝和伤痕。

（4）纤维素类高分子润滑涂层 采用乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛和聚醋酸乙烯酯复合后作为润滑涂层使用，满足火花塞铁壳（10号钢）、Q345钢弹头等零件的冷成形工艺，所需要的挤压力和零件表面质量与磷化-皂化工艺相当。(www.xing528.com)

采用羧甲基纤维素为基础的含有苯甲基硅油和聚氧化乙烯的高分子润滑剂，在活塞销（20Cr）、球头销（20Cr）、杯型铁壳件等冷挤压工艺中效果良好。

（5）四氟乙烯类高分子润滑涂层 以四氟乙烯100份、粘合剂1～15份调配成润滑剂，施涂在不锈钢坯料上，用于管材的拉拔，模具无拉伤，拉拔进行顺利。

（6）聚合物与矿物油复合涂层 以含有20％（质量分数）的聚甲基丙烯酸十二醇酯和矿物油复合，可作为冷轧、冷挤压坯料的润滑剂使用，成形负荷可降低15％以上。

（7）高分子与磷酸盐、石墨等复合涂层 为了弥补各类润滑涂层存在的缺陷，发明了一种高分子与磷酸盐、石墨等复合涂层，组成基料差别较大，主要根据坯料的变形量以及零件复杂程度来确定配比。这种润滑方式只需要浸涂和干燥工序，减轻了磷化的工序复杂程度，依靠聚合物成膜，来弥补润滑膜的粘附性不足，依靠石墨等固体润滑剂在涂层里的有效含量，来弥补润滑性，目前已在冷挤压等工艺中得到应用。

以纤维素醚为成膜剂、石墨为固体润滑剂，添加高效防锈剂等，用水为分散介质，制成悬浮体系，能与金属工件表面产生强相互作用，形成一层牢固的固体润滑膜，用于纯铁和碳钢的冷成形加工，形变率可达30％～70％。

3.材料配方设计原则

要满足冷锻成形工艺的润滑要求，且采用绿色化润滑技术取代磷化-皂化润滑工艺，选用的润滑材料中一般包含以下功能组分：

1）水基体系。以水为分散介质，形成稳定的悬浮体系，是满足环保要求的基础条件。

2）短链水性聚合物。有利于毛坯在一定温度条件下在表面形成膜层。

3）固体超微润滑组分。选用层格结构的固体润滑组分，最大限度降低摩擦系数，粒子应尽量小，以满足悬浮体系的稳定性要求。

4）极性润滑组分。在毛坯适温条件下，与金属基体通过强化物理吸附和化学反应，生成致密润滑膜。

5）其他功能组分。如分散剂可实现较好的悬浮稳定性，如增溶剂可增加固体在溶液体系中的溶解度，如防锈剂可抑制毛坯加工后的锈蚀，如防腐剂可保持润滑剂的存储稳定性等。