CN102533423A - 一种金属热模锻用非石墨型润滑剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水基非石墨型润滑剂，其特征在于，各组分及其重量百分比含量如下：层状晶格结构的无机物26％～35％，耐高温润滑剂10％～15％，悬浮剂12％～24％，高温粘结剂30％～47％，辅助剂1％～3％。本发明是一种环境友好型的热模锻润滑剂，可以替代石墨型润滑剂，特别适用于金属热模锻，尤其是大型铝件的热模锻。本发明还公开了一种水基非石墨型润滑剂的制备方法。该方法制作工艺简单，成膜性能良好。

Description

一种金属热模锻用非石墨型润滑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料塑性加工技术领域，具体为一种金属热模锻用润滑剂及其制备方法。 

背景技术

在金属材料的热模锻工艺中，无润滑时摩擦系数随着温度的升高而逐渐增大，因而模具的高温润滑对于锻件的顺利脱模至关重要，现今一般通过选用一种合适的润滑剂来改善或解决脱模问题。尤其是对于极易发生粘膜现象的铝合金热模锻，选择合适的润滑剂尤为重要。 

国内金属材料热模锻润滑剂多为石墨型润滑剂，我国相继成功开发出了多种水剂石墨型热锻润滑剂，如我国的MD-2，MD-7系列润滑剂，具备良好的成膜性、悬浮性和润滑性能，其性能可以和美国的Dug-31，西德的Delta-144等优良的热模锻润滑剂相媲美，先已得到广泛应用。又如CN101463288A公开的石墨基粘结固体润滑剂，润滑剂组成为：聚酰胺酰亚胺、石墨、二硫化钼、稀土氟化物、金属氧化物、γ-环氧丙氧丙基三甲基硅烷、混合有机溶剂，具有非常良好的高温耐磨性和润滑性；CN101126046A公开的铝合金等温成形用润滑剂，是由石墨、石油磺酸钡、二硫化钼以及汽缸油组成，特别适用于铝合金等温成形过程中的润滑，其减磨、防粘和脱模性能优异；CN1570049A公开的石墨润滑剂主要由石墨微粉、甲基纤维素、亚甲基双钠磺酸钠、硅酸钠及表面活性剂组成，具备良好的高温润滑特性；CN101914412A公开的水性石墨润滑剂，它的主要成分为天然或者人造石墨粉、稀土氧化物、二硫化钼、丙酮、乙醇、分散剂、水玻璃等，具备表面自动修复功能，并提高了应用温度范围和润滑效果；一种研制成功的配方为：炮油40～50％，二硫化钼5～10％，胶状石墨20～30％和铝粉 15～20％的石墨油剂，可应用于铝合金汽油机连杆和柴油机活塞的生产；同时有报道称已研制出一种可适用于各种复杂铝合金模锻件用润滑剂，其配方为：90％油酸和10％石蜡；也有学者提出在模压铝合金时可采用汽缸油或锭子油添加一定比例的石墨进行润滑。 

虽然石墨具有容易形成润滑膜的层状结构以及承压能力强等优点，但石墨色黑、粒小、易扩散，极易污染环境，对工人的身体健康有害；石墨是电的良导体，空气中弥散的石墨容易造成电器事故，国内已有过由弥散在空气中的石墨造成电器事故的报道；用石墨型润滑剂后锻件表面非不易清理，要花费大量物力人力。因此在环保要求日益严格的今天，发展非石墨型润滑剂势在必行，石墨型润滑剂用量逐年减少，非石墨型的环保型锻造润滑剂发展很快。 

国内外已经成功研制出非石墨型润滑剂，其润滑性能已接近水基石墨润滑剂。如近年来国内研制出MK系列环保型水基锻造油润滑剂，可生物降解，在不同的规格、形状、重量及金属的形态下，产生最大的成形功能及绝佳的模具湿润效果，适用于表面要求洁净的锻造和压铸工艺；又如CN101811173A公开的无石墨高性能环境友好型热锻加工液，它是由高分子化合物、耐高温润滑剂、无机物、辅料、水加上一些附加物组成，润滑性能达到或者超过石墨型产品同等水平。而日本新发明的新型锻造、挤压润滑剂的水溶性低融点玻璃，是在磷酸系玻璃中加硼酸而制得，然后同胶状含氟硅酸镁的层状化合物复合化而制成新型润滑剂，能取得很好的润滑效果；日本特开平5-271684号公报提出一种非石墨润滑剂用于钢的热塑性加工，它是将几种金属氧化物粉末和硅酸钠混合后在它们的溶融温度以上充分加热保温，待完全冷却后得到玻璃状物质，再将玻璃状物质粉碎成粉末并和水玻璃混合制成金属氧化物粉末-水玻璃系非石墨润滑剂，例如将FeO和Na₂SiO₃混合熔融反应生成物NaO·FeO·SiO₂熔点为976℃，可以利用反应生成物成为流体状态进行润滑。1982年韩国人开发出W-400环保型透明 水溶性无石墨锻造润滑剂，该产品按一定比例兑水稀释后，均匀涂抹于金属模表面，呈白色，锻造后金属模凹凸部位的残留粉易于清除，产品没有结块现象，脱模性良好。 

虽然非石墨型润滑剂其润滑性能已接近水基石墨润滑剂，在一些发达国家已有逐渐取代石墨型润滑剂的趋势。但是石墨型润滑剂目前仍占有相当大的比重，如日本完全或者主要使用石墨型润滑剂的公司仍占65％以上。非石墨型润滑剂目前仅适用于温锻和小件高温锻造，对于复杂大件高温锻造，目前仍采用超微颗粒水基石墨润滑剂，如CN87100337A公开的超细人造石墨润滑剂，它就是用于精密模锻件的润滑剂，采用高纯度超细石墨粉与水或者油混合并搅拌成悬浮液，可以保证精密复杂锻件的尺寸精度。非石墨型润滑剂与石墨型润滑剂相比，还存在的模具磨耗大，寿命短，制作工艺复杂，润滑性能比较差和运输存储不便等问题，因此非石墨型润滑剂性能还需进一步提高。 

发明内容

为了避免石墨型润滑剂的在生产中对环境的污染和对人身安全的威胁，本发明提供一种水基非石墨型润滑剂，其具有良好的润滑效果，无污染，制备简单尤其适用于大型金属热模锻润滑。 

本发明金属热模锻用非石墨型润滑剂，选用的载体是悬浮性好、触变性好、安全无毒、便宜的常用载体水；按照除去载体水之外各配料的质量百分数计量，其组成原料的配比为： 

所加载体水为其他附加物总质量的5倍及以上。 

上述的层状晶格结构的无机物优选氮化硼(BN)，也可以考虑用滑石或者云母来替代，其目数位320目以上。 

上述的耐高温润滑剂可以是硬脂酸钠、硬脂酸钡、硬脂酸锌、硬脂酸钙中的任选两种或者三种，因为他们均具有很低的高温摩擦系数，在0.06～0.09之间，考虑其在水中的溶解度，其中优选硬脂酸钡和硬脂酸锌。 

上述悬浮剂可以是无机悬浮剂加有机悬浮剂配合使用，其中无机悬浮剂选用的是膨润土和凹凸棒土，有机悬浮剂选用的是在水基润滑剂中应用广泛的羧甲基纤维素钠(CMC)。 

上述的高温粘结剂可以是无机粘结剂中的硅溶胶和磷酸盐配合使用，其中磷酸盐可以是磷酸一氢盐或磷酸二氢盐。粘结因该适量，粘结剂过多，容易使润滑层开裂和剥落，太少则附着强度不够。 

其他附加物的加入是为了改善润滑剂的某些性能，如促进乳化作用的OP乳化剂、促进颗粒的分散和润湿的脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)、用来消除泡沫的消泡剂正丁醇、正戊醇和正辛醇以及用来调节PH的氨水。 

本发明的金属热模锻用非石墨型润滑剂的润滑机理如下： 

BN是本发明的主体润滑材料，BN是由在同一个平面上展开的六角网面状原子层垒集而成，这种与石墨结构类似的层状结构导致了BN的硬度和强度很低，塑性也很差，层与层之间很容易发生相对滑动，起到了很好的减摩擦的作用，在温度范围740℃～900℃内其高温摩擦系数在0.3～0.4左右变化，而石墨型润滑剂通常的高温润滑系数在0.1左右变化，这样相比于同类的石墨型高温润滑剂，BN型高温润滑剂的高温润滑性能偏低，考虑加入一些物质来改善BN的高温润滑性能，而硬脂酸盐类具有容易在金属材料表面形成的多层化学吸附膜，阻止金属表面的微观凸起相互接触的特点，当硬脂酸盐的多分子吸附膜受到垂直方向的作用力时，很容易在分子层间发生相对滑动，从而降低剪切强度，减小了摩擦力，以此来起到润滑作用。因而加入润滑性能很好的硬脂酸盐分子来改善它的润滑性能，实验证明， 加入硬脂酸盐后，润滑剂的摩擦系数显著下降达到了0.1以下，润滑性能得到大大提高，可见硬脂酸盐和氮化硼混合使用可以得到综合性能优良的润滑剂，氮化硼有助于提高润滑剂的热稳定性能和脱模性能，使得锻件表面光亮，脱模容易；硬脂酸盐有助于提高润滑剂的润滑性能。 

本发明使用的粘结剂为磷酸盐类和硅溶胶配合使用，在高温下磷酸的聚合程度增大，容易形成完整的高分子聚合物，而硅溶胶可以使涂层易于从金属型上剥落下来，不仅能保证了高温粘结强度，也大大的减轻了清理工作量。 

本发明中使用的悬浮剂为具备很强吸水膨胀特性的膨润土、凹凸棒土和羧甲基纤维素钠。目的是在润滑剂中形成网状结构从而阻止润滑剂中不溶微粒的下沉和凝聚，还能起到调节润滑剂粘度的作用。 

本发明与现有的技术相比较，具有如下显著优点和突出特点：①本产品可以润滑悬浮液的产品，润滑剂悬浮液具有配制过程简单，悬浮性能好等优点，总体来说，本发明价格比较便宜。②本发明中的各种组分及其高温分解的无害产物对工模具及工件不会产生物理和化学反应，同时在热加工温度范围内除了有机化合物进行分解以外，大部分无机化合物都处于液体摩擦条件，这样就避免了工模具与工件的直接接触，不仅有利于提高工模具的使用寿命而且能保证工件的表面质量。③本发明润滑剂中不含有石墨，从而避免了使用石墨型润滑剂在热加工中会发生渗碳等影响热加工金属质量的不良影响，而且在制备过程和使用过程中不会因为石墨引起环境污染。④本发明在保证在锻造温度范围内具有良好的润滑性、脱模性能、冷却及绝热性能、高温润湿性(成膜性)、悬浮分散性和可喷射性的同时，还具备与石墨型润滑剂相当的润滑性能，尤其是高温润滑性能，并且实现了残留物清理容易，可以替代石墨型润滑剂，特别适用于金属热模锻尤其是大型铝件的热模锻。 

本发明润滑剂实际应用高温摩擦系数与石墨型相当，不仅适用于碳钢 的低、中、高问模锻，也适用于铝合金等其他金属的热模锻，是一种通用性是一种通用性较好的润滑剂。其制造工艺简单，润滑效果良好，清理效果好，无污染，可用以取代传统的石墨型润滑剂。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

实施例一 

本实施例的金属热模锻用非石墨型润滑涂料，组成原料的重量百分比配比如下： 

其中水为载体。 

该润滑涂料在不同温度下的摩擦系数： 

圆环温度  750℃  800℃  850℃  900℃ 

摩擦系数  0.067  0.067  0.062  0.063 

实施例二 

本实施例中的金属热模锻用非石墨型润滑涂料，组成原料的重量百分比配比如下： 

其中水为载体。 

该润滑涂料在不同温度下的摩擦系数： 

圆环温度  750℃  800℃  850℃  900℃ 

摩擦系数  0.066  0.067  0.063  0.064 

实施例三 

本实施例中的金属热模锻用非石墨型润滑涂料，组成原料的重量百分比配比如下： 

其中水为载体。 

该润滑涂料在不同温度下的摩擦系数： 

圆环温度  750℃  800℃  850℃  900℃ 

摩擦系数  0.065  0.067  0.061  0.063 

上述各实施例中，均以水作为载体，其质量为其他附加物总质量的5倍以上即可。氮化硼(BN)为一种层状晶格结构的无机物，其也可以考虑选用其他的层状晶格结构的无机物，如滑石或云母等，层状晶格结构的无机物一般要求其目数位在320目以上。 

实施例中的硬脂酸盐是一种典型的的耐高温润滑剂，如硬脂酸钠、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸钙，可以选择其中的任选两种或者三种，因为他们均具有很低的高温摩擦系数，在0.06～0.09之间，考虑到其在水中的溶解度，优选硬脂酸钡和硬脂酸锌。 

实施例中的悬浮剂可以是无机悬浮剂加有机悬浮剂配合使用，其中无机悬浮剂选用的是膨润土和凹凸棒土，有机悬浮剂选用的是在水基润滑剂 中应用广泛的羧甲基纤维素钠(CMC)。 

实施例中的高温粘结剂可以是无机粘结剂中的硅溶胶和磷酸盐配合使用，其中磷酸盐可以是磷酸一氢盐或磷酸二氢盐。粘结因该适量，粘结剂过多，容易使润滑层开裂和剥落，太少则附着强度不够。 

其他附加物的加入是为了改善润滑剂的某些性能，如促进乳化作用的OP乳化剂、促进颗粒的分散和润湿的脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)、用来消除泡沫的消泡剂正丁醇、正戊醇和正辛醇以及用来调节PH的氨水。 

上述实施例中各组分的含量只是示意性的，不构成对本发明的限定，只要无机物层状晶格结构的无机物重量百分比含量在26％～35％，耐高温润滑剂在10％～15％，悬浮剂在12％～24％，高温粘结剂含量在30％～37％，其他附加物在1％～3％的范围内，都可以构成本发明的非石墨型润滑剂。 

本发明的一种非石墨型润滑剂的制备方法，具体步骤为： 

首先，在45℃的温水中按照比例徐徐加入一定量的羧甲基纤维素钠(CMC)。因为羧甲基纤维素钠在常温下在水中的溶解度较低而且慢而在温水中能得到很好的改善，加入量根据实际情况可以具体选定，如本实施例中水为100g，可加入0.5g左右的CMC。 

待其慢慢溶解后，再加入悬浮剂锂基膨润土和凹凸棒土，并搅拌均匀，优选加入量为3g。 

随后加入少量的润湿分散剂脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)和高温粘结剂磷酸一氢钠，加入量可以是0.6gJFC，1g磷酸一氢钠。 

滴入氨水，调节PH在8～10之间，再加入高温粘结剂硅溶胶，保证高温粘结剂硅溶胶能正常稳定工作，其将搅拌均匀，从而使溶液形成一个均 匀的分散体系；硅溶胶加入量优选为5g。 

最后按比例加入氮化硼(BN)，硬脂酸盐钡和硬脂酸锌，搅拌20～30mins制止均匀分散之后，即可制备出润滑剂。加入量根据具体比较进行选择，如可以选择氮化硼5g，硬脂酸盐钡和硬脂酸钙各1g。 

在制备的过程中，如果出现过多的气泡，可以滴入少量的消泡剂正丁醇，以达到消泡的作用。 

在使用之前，应该进行适当搅拌，以防止润滑剂涂料的沉淀和分层，在热模锻过程中，当模具预热之后，进行喷涂。 

Claims (10)

1.一种水基非石墨型润滑剂，其特征在于，各组分及其重量百分比含量如下：

。

2.根据权利要求1所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，该润滑剂载体为水，其重量为上述各组分总重量的5倍以上。

3.根据权利要求1或2所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，所述层状晶格结构的无机物为氮化硼(BN)，滑石或者云母。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，所述耐高温润滑剂是硬脂酸盐，例如为硬脂酸钠、硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙中的任意两种或三种。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，所述悬浮剂为无机悬浮剂与有机悬浮剂的混合，其中无机悬浮剂可以为膨润土或凹凸棒土，有机悬浮剂为羧甲基纤维素钠(CMC)。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，所述高温粘结剂是硅溶胶和磷酸盐的混合，其中磷酸盐可以是磷酸一氢盐或磷酸二氢盐。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，所述辅助剂为OP乳化剂、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)、消泡剂和 /或氨水。

8.根据权利要求7所述的一种水基非石墨型润滑剂，其中，所述消泡剂为正丁醇、正戊醇或正辛醇。

9.一种水基非石墨型润滑剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)在温水中按照比例加入一定量的羧甲基纤维素钠(CMC)；

(2)加入锂基膨润土和凹凸棒土作为悬浮剂，并搅拌均匀；

(3)加入辅助剂脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)和高温粘结剂磷酸一氢盐；

(4)滴入氨水，调节PH在8～10之间，再加入硅溶胶作为高温粘结剂，使溶液形成一个均匀的分散体系；

(5)最后按比例加入层状晶格结构的无机物，硬脂酸盐钡和硬脂酸锌，搅拌至均匀分散后，即可制备出润滑剂。

10.权利要求9述的制备方法，其特征在于，所述层状晶格结构的无机物为氮化硼(BN)，滑石或者云母。