锻造工艺用玻璃防护润滑剂的应用及发展方向

文／冯驰·北京天力创玻璃科技开发有限公司

玻璃防护润滑剂以其独特的优势，能很好地解决金属热锻过程中遇到的高温防护、润滑和脱模问题；
同时，其保温性能优良，能减缓热锻过程中锻件的温降，从而降低变形抗力。目前玻璃防护润滑剂可适用于多种金属、各温度段的热加工工艺，适用性强、无毒环保，得到了广泛的应用。

玻璃防护润滑剂是一种加热前涂覆于金属锻件坯料表面的涂层，待涂层干燥后随锻件坯料入炉加热，玻璃防护润滑剂的主要作用有以下三点：

防护

玻璃防护润滑剂在高温下可在锻件坯料表面形成一层致密、连续、均匀的玻璃薄膜，隔绝O2、H2、N2、SO2等气体对坯料的热腐蚀，提高材料利用率，并抑制晶界腐蚀和合金元素贫化，保证了金属的强度、刚度、硬度等力学性能不受高温环境的影响。

润滑

在坯料锻压时，玻璃防护润滑剂可起到高温润滑、隔离、脱模作用，改善金属锻件塑性、减少加工余量、提高制品表面质量，并降低设备能源消耗。

保温

在金属坯料加热到高温出炉转移、锻造时，玻璃防护润滑剂可以减少坯料的温降，起到保温作用；
在金属坯料与工模具接触时，玻璃防护润滑剂可起到隔离作用，防止工模具过热，延长模具寿命。

由此可见，玻璃防护润滑剂具有油脂、蜡、石墨、二硫化钼等传统模具润滑剂无可比拟的、更全面的性能优势，在金属热锻行业中得到广泛应用。

金属锻造用玻璃防护润滑剂组成

在锻造工艺中使用的玻璃防护润滑剂是以非晶态玻璃为主要固体基料，与其他添加剂、粘接剂和溶剂混合后，经特殊工艺制备而成的浆状物，在坯料加热前均匀刷涂、喷涂或浸涂到金属锻件坯料表面，干燥后形成涂层。

金属锻造用玻璃防护润滑剂的适用范围

玻璃防护润滑剂作为一种适应性很强的涂料，可应用于镁合金、铝合金、钛合金、高温合金、合金钢、钛铝合金等金属的热锻造过程中。无论对于形状复杂、加工余量小的锻件(如飞机发动机叶片、人工关节等)，还是大尺寸、长时间加热的锻件(如涡轮盘、眼镜框、起落架等)，玻璃防护润滑剂的使用可以显著提高锻件质量，同时减少锻造火次、降低锻压力、提高锻造模具使用寿命。

金属锻造用玻璃防护润滑剂的防护作用

在有色金属锻造过程中，在高温下不可避免地会氧化、吸氢、吸氮，从而导致合金元素贫化、塑性降低、表面高温腐蚀产物增多，严重影响锻压后的锻件质量，甚至会导致锻压工序无法进行。

不同有色金属的热锻温度大致在400 ～1350℃范围内，在这样高的温度环境下，金属氧化层、晶界氧化层、渗气层、贫化层的产生，会对金属的组织形貌造成很大影响，并显著降低金属的强度、刚度、耐蚀性、耐酸性等性能，如不加以防护，就会对锻压工序及锻件质量造成很大影响，并造成很大的原材料浪费。

有色金属坯料在室温下涂覆玻璃防护润滑剂后，随着温度的升高，坯料表面会形成连续、封闭、均匀的玻璃态薄膜，使整个热历程都能隔绝O2、H2、N2、SO2等气体对坯料的影响，其具体防护过程如图1 所示。

图1 玻璃防护润滑剂涂层防护效果图

由图1 可见，随着温度升高，粘结剂逐渐烧失，涂层不断熔融减薄，软化温度较低的玻璃粉先熔融，保证了金属坯料在入炉加热后玻璃防护润滑剂能迅速熔融，形成一层连续、封闭的玻璃薄膜，对坯料起到防护作用；
随着温度进一步升高，软化温度高的玻璃粉开始熔融，并保持合理粘度，以保证在较高温度下玻璃态薄膜的稳定性，从而保证了整个热历程的防护作用。

图2对比了表面有无玻璃防护润滑剂的300M钢，在1200℃保温6h 后的氧化情况。

图2 300M 钢1200℃保温6h 后的氧化情况

由图2 可见，表面涂覆玻璃防护润滑剂的300M钢试样，氧化层厚度较裸材试样减少了近100%，有涂层的300M 钢几乎看不到氧化皮。同时，涂层在300M 钢冷却过程中具有较好的自剥落性能，可省去后续去除涂层的工序。

综上所述，玻璃防护润滑剂能够在锻造的全过程对坯料进行防护，保证了后续锻压过程的顺利进行，不仅可以减少加工余量，提高材料利用率，也提升了锻件质量。

金属锻造用玻璃防护润滑剂的润滑作用

锻造润滑是在模锻和精锻工艺中保证锻件成形的关键技术环节之一。目前模锻和精锻工艺中使用的润滑剂分为模具润滑剂和坯料防护润滑剂两种，模具润滑剂涂覆于模具表面，只起到润滑和脱模作用，其成分以石墨为主；
玻璃防护润滑剂属于典型的坯料防护润滑剂，涂覆于锻件坯料表面，能保护模具、促进润滑和脱模。

为了测定玻璃防护润滑剂在高温下的润滑效果，依据标准：《HB 7065-1994 金属材料热变形用玻璃防护润滑剂规范》，在630t 液压机上通过圆环镦粗试验测定了不同温度下TC4 钛合金表面涂覆玻璃防护润滑剂前后的摩擦系数(μ)差别。

具体试验条件如下：在630t 液压机上安装表面粗糙度为Ra0.6μm 的上下垫板，锻压前垫板加热到(400±20)℃，钛合金圆环尺寸为外径(20±0.2)mm、内径(10±0.2)mm、高(7±0.2)mm，采用箱式电炉加热TC4 钛合金试样，锻压时压机下压速度为3mm/s。在930℃、950℃、970℃三个温度段下分别锻压有涂层和无涂层的钛合金试样，其中每个温度段设置5 个平行试样。试验结果如表1、表2 所示，根据试验数据可计算出TC4 钛合金试样的压缩比和内径缩减率的平均值，再通过圆环镦粗法测摩擦系数的理论校正曲线查得相应的摩擦系数μ。

表1 无玻璃防护润滑剂涂层的TC4 钛合金试样圆环镦粗试验结果

表2 有玻璃防护润滑剂涂层的TC4 钛合金试样圆环镦粗试验结果

经计算分析，无玻璃防护润滑剂的试样在高温锻压时，摩擦系数在0.48 ～0.57；
而有玻璃防护润滑剂时摩擦系数则降低到0.19 ～0.26。

图3 为表面涂覆玻璃防护润滑剂的锻件坯料在锻后的状态，可见玻璃防护润滑剂涂层在高温下形成均匀、致密、封闭的熔融态玻璃薄膜，将锻件与模具隔开，从而将固固接触转变为固液接触，将锻件与模具的外摩擦变为熔融态玻璃间的内摩擦，起到良好的润滑效果。

图3 锻造工艺用玻璃防护润滑剂状态

进一步而言，润滑对锻件生产的影响是综合性的，并不限于降低工件与模具接触表面之间摩擦、减小变形抗力、提高模具寿命的作用。良好的润滑还可以节省设备能源和锻件材料、提升设备寿命和锻件性能。

金属锻造用玻璃防护润滑剂(保温涂料)的保温作用

在锻造过程中对锻件进行保温，是自由锻和轧制工艺中保证锻件成形的关键技术环节之一。

玻璃的另一主要性能是导热系数低。由图4 可见，玻璃的导热系数比常见金属小1 ～2 个数量级，这使得玻璃防护润滑剂在高温熔融后具有非常好的隔热和保温性能。同时，通过对玻璃配方的特殊调整，在自由锻和轧制工艺中使用的玻璃防护润滑剂可不产生润滑作用，为避免产生误解，常称之为保温涂料。

图4 玻璃与常见金属导热系数对比

图5 对比了表面有无保温涂料的GH141 高温合金，加热至(1100±20)℃出炉轧制后的表面状态。

图5 GH141 高温合金加热至(1100±20)℃出炉轧制后的表面状态

由图5 可见，表面涂覆保温涂料的GH141 高温合金，轧制后几乎未见裂纹，而未涂覆保温涂料的GH141，由于轧制过程中温降过快导致变形抗力过大，造成轧制后环件的内圆出现了明显的裂纹。

综上所述，保温涂料良好的隔热和保温效果可以显著提升锻件质量，并延长锻造时间，特别是对于GH141、GH738 等锻造温度范围窄的金属来说，作用更为明显。同时也避免了坯料向模具过多的传热，延长了模具的使用寿命。

生产及使用的标准化

随着锻造工艺的进步，对于玻璃防护润滑剂、保温涂料的要求也越来越高，这就要求锻造工艺用玻璃防护润滑剂、保温涂料在生产过程中要确保稳定的质量，在使用过程中要严格按照相应的标准或使用说明进行。

2023 年，由北京天力创玻璃科技开发有限公司牵头制定的《金属热锻工艺用玻璃防护润滑剂 技术规范》团体标准将正式发布，为玻璃防护润滑剂的生产方和使用方提供了重要依据，可指导生产方对玻璃防护润滑剂的质量进行严格把控，同时可指导使用方正确、规范地使用玻璃防护润滑剂，具有良好的可操作性和指导性，助力锻造行业和企业实现高质量发展。

品种的多样化

随着锻件材料的多样化和锻造工艺的进步，对于玻璃防护润滑剂、保温涂料的要求趋于多样化，使得玻璃防护润滑剂、保温涂料的品种也趋于多样化。这就要求玻璃防护润滑剂的使用方要摒弃一种玻璃防护润滑剂适用很多种锻造工艺的旧思维，同时，玻璃防护润滑剂、保温涂料的研制和生产方要与使用方建立紧密的联系，及时为使用方的新锻造工艺匹配新的产品，只有双方共同紧密合作，才能发挥玻璃防护润滑剂、保温涂料的最佳效果。

锻造工艺用玻璃防护润滑剂、保温涂料具有优异的防护、润滑、保温性能，且使用工艺简便、无毒环保，能保证全热历程隔绝所有气体对坯料的影响；
并在热成形时提高工件的塑性和表面质量、减少加工余量、节约设备能源；
同时在工件转移时减少工件热量损失，防止工模具过热，延长模具寿命。

综上所述，锻造工艺用玻璃防护润滑剂、保温涂料在多种金属热锻造、挤压、轧制等热加工中都得到了广泛的应用。

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