玻璃粉、玻璃垫、玻璃垫的应用及金属垂直热挤压的方法与流程

本发明涉及金属热挤压技术领域，具体而言，涉及一种玻璃粉、玻璃垫、玻璃垫的应用及金属垂直热挤压的方法。

背景技术：

金属热挤压是将金属加热至一定温度(不同金属加热温度不同)，使用金属热成型挤压机从模具端口挤出制品的金属热成型加工工艺。制品以管材为主，也可以挤压型材。从设计形式上分，金属热成型挤压机有两种：卧式挤压机和立式挤压机，它们分别采用卧式热挤压工艺和垂直热挤压工艺进行生产。在金属热挤压的过程中，需要使用到玻璃润滑剂。主要是利用玻璃在高温时熔融的特性，事先将其涂覆或放置在热金属的形变面上，在相当大的挤压力面前，金属开始形变，玻璃润滑剂熔融成膜，随着金属的流动而被拉伸延展，始终起到润滑作用。玻璃润滑剂的作用最主要就是防止出现表面缺陷，一般包括：划痕、压坑、撕裂、褶皱。以上缺陷越多，越严重，说明表面质量越差，润滑效果越不好。

在一个挤压工艺过程中，玻璃润滑剂并非只有一种，而是一个组合，有两到三种。在不同工艺时间点以不同方式施加，作用于坯料的不同部位，最终起到润滑的作用效果。细致来讲，玻璃润滑剂分为外涂粉、内涂粉(制品截面为环形的才需要内涂粉)及玻璃垫。外涂粉，施加在坯料外表面，用于润滑坯料外表面挤压筒；内涂粉，施加在坯料内表面，用于润滑坯料内表面和芯棒；玻璃垫，使用前由玻璃粉制成，施加在坯料前端和挤压模具之间，用于润滑挤出的新鲜表面和挤压模口。

现有的金属热挤压工艺中，采用的卧式挤压机的设备能力上限一般不超过1万吨，国内投产的有十几台，玻璃润滑剂的配备比较成熟，润滑良好，挤出制品的表面缺陷少。而设备能力上限超过1万吨的挤压机属于大型挤压机，国内建造完成的有4台，都是立式挤压机。目前国内立式挤压机使用的玻璃润滑剂，都是从卧式挤压机移植过来的，匹配并不好，防护润滑效果只能满足基本工艺要求。大量现场反馈表明，现有的玻璃润滑剂，特别是玻璃垫在立式挤压机的生产工艺应用方面确实存在劣势。润滑差、挤不出、挤出困难、工模具寿命短、设备故障率高、制品表面质量差、划痕多、压坑深，甚至严重撕裂也是寻常可见。

总之，现有的玻璃润滑剂，特别是玻璃垫能够很好的满足卧式挤压机生产工艺要求，但是无论从结构设计、工作流程、工艺制度还是挤压方式，两种挤压机都存在着相当大的差异，简单的移植嫁接无法适应不同的工艺环境，同样的玻璃润滑剂，特别是玻璃垫，在立式挤压机上就失去了用武之地。

基于上述原因，有必要提供一种适用于大型立式挤压机的，用来制作金属垂直热挤压用玻璃垫的玻璃粉。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种玻璃粉，以解决现有技术中玻璃垫在金属垂直热挤压中存在的润滑性能不良的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种玻璃粉，按重量百分比计，该玻璃粉包括：50％～62％的SiO₂、2％～8％的Al₂O₃、0.1％～13％的CaO、0.1％～10％的MgO、0.1％～10％的K₂O、0.1％～30％的Na₂O、0～12％的B₂O₃、0～7％的F及0～2％的杂质。

进一步地，按重量百分比计，玻璃粉包括：55％～62％的SiO₂、2％～5％的Al₂O₃、6％～13％的CaO、2％～5％的MgO、6％～8％的K₂O、10％～25％的Na₂O、0～7％的B₂O₃,、0～7％的F及0～2％的杂质。

进一步地，SiO₂和Al₂O₃的重量比为20～27:1。

进一步地，SiO₂和Na₂O的重量比为2.2～3:1。

进一步地，玻璃粉的粒径小于5目。

根据本发明的另一方面，还提供了一种玻璃垫，其是采用水玻璃和上述的玻璃粉为原料制备而成。

进一步地，水玻璃占玻璃粉重量的1～30％。

进一步地，形成玻璃垫的方法包括：将玻璃粉与水玻璃混合，得到混合物；将混合物进行压制、固化，得到玻璃垫。

根据本发明的另一方面，还提供了一种玻璃垫在金属垂直热挤压过程中的应用。

根据本发明的另一方面，还提供了一种金属垂直热挤压的方法，其包括以下步骤：对金属坯料进行加热，得到加热料；将上述的玻璃垫放置在加热料和模具之间，垂直挤压，得到挤压料；以及对挤压料进行退火、喷砂及抛光，得到金属成品。

本发明提供的上述玻璃粉，各组分之间具有特定的用量关系，在根本上改变了玻璃性能。采用其制作的玻璃垫，软化点和高温粘度均较低，能够匹配立式挤压机的温度制度，因而对于金属垂直热挤压过程中的热金属具有非常好的润滑效果，能够有效减少制品表面划痕压坑等小缺陷，杜绝撕裂、褶皱等大缺陷，同时延长模具使用寿命，综合提高设备利用率。总之，采用本发明提供的玻璃粉制作的玻璃垫，更适于作为金属垂直热挤压工艺中玻璃润滑剂的一部分使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施例19中的金属垂直热挤压过程中金属制品刚挤出时的照片；

图2示出了本发明实施例19中的金属垂直热挤压过程中金属制品经退火喷砂后的照片；

图3示出了对比例3中的金属垂直热挤压过程中金属制品刚挤出时的照片；

图4示出了对比例3中的金属垂直热挤压过程中金属制品经退火喷砂后的照片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所介绍的，现有的玻璃垫在金属垂直热挤压中存在润滑性能差的问题。为了解决这一问题，本发明提供了一种玻璃粉，按重量百分比计，玻璃粉包括：50％～62％的SiO₂、2％～8％的Al₂O₃、0.1％～13％的CaO、0.1％～10％的MgO、0.1％～10％的K₂O、0.1％～30％的Na₂O、0～12％的B₂O₃、0～7％的F及0～2％的杂质。

传统的玻璃垫之所以不能完全试用立式挤压，主要是因为温度制度差异太大。以不锈钢管材挤压为例，坯料进入挤压阶段前的温度一般保持在1180℃～1200℃，如果发现温度偏低还可以使用中频加热补温。所以卧式挤压能够保证坯料以较高且合适的温度进入挤压阶段。由于质构要求的限制，立式挤压坯料的加热温度并不比卧式挤压高多少，但是其个体巨大，转移时间很长，温降严重且无法快速补温(目前没有这么大的中频加热设备)，挤压前坯料表面温度基本不会超过1050℃。此时如果使用传统的玻璃润滑剂，根本无法很好的熔融，液相出现极少，也就谈不到润滑良好。

而本发明提供的上述玻璃粉，各组分之间具有特定的用量关系，在根本上改变了玻璃性能。采用其制作的玻璃垫，软化点和高温粘度均较低，能够匹配立式挤压机的温度制度，因而对于金属垂直热挤压过程中的热金属具有非常好的润滑效果，能够有效减少制品表面划痕、压坑等小缺陷，杜绝撕裂、褶皱等大缺陷，同时延长模具使用寿命，综合提高设备利用率。总之，采用本发明提供的玻璃粉制作的玻璃垫，更适于作为金属垂直热挤压工艺中玻璃润滑剂的一部分使用。

特别地，由于垂直挤压的坯料普遍巨大，单支价值基本十万以上，特殊材料甚至更高，百万以上也不鲜见。所以作为最关键的工艺辅材，本发明提供的玻璃垫用玻璃粉展现出的良好润滑效果，对于经济效益方面的提高也具有相当大的帮助。

在一种优选的实施方式中，按重量百分比计，玻璃粉包括：55％～62％的SiO₂、2％～5％的Al₂O₃、6％～13％的CaO、2％～5％的MgO、6％～8％的K₂O、10％～25％的Na₂O、0～7％的B₂O₃,、0～7％的F及0～2％的杂质。将各组分的用量控制在上述范围内，能够进一步降低软化点和高温粘度。玻璃垫用于金属垂直热挤压时，其润滑效果更佳。

在一种优选的实施方式中，上述玻璃粉中SiO₂和Al₂O₃的重量比为20～27:1。更优选地，SiO₂和Na₂O的重量比为2.2～3:1。控制SiO₂、Al₂O₃、Na₂O之间的比例关系，能够使玻璃垫具备更优异的润滑性。进一步优选地，按重量百分含量计，玻璃粉包括57％的SiO₂、2.5％的Al₂O₃、7％的CaO、2％的MgO、6％的K₂O、2％的Na₂O、5％的B₂O₃以及0.5％的F。

由于完全或部分使用矿物原料，玻璃粉中必然会被带入相当量的杂质。上述的玻璃粉组分中，杂质可包括Fe₂O₃、FeO、TiO₂、ZnO、MnO₂、SO₃、Cr₃O₂等，其重量百分比合量为0～2％。

本发明的玻璃粉各组分可以从适当的原料中获取，如石英砂(主要提供SiO₂)、叶腊石(主要提供Al₂O₃)、高岭土(主要提供Al₂O₃)、石灰石(主要提供CaO)、方解石(主要提供CaO)、硅灰石(主要提供CaO、SiO₂)、长石(主要提供Al₂O₃、Na₂O和K₂O)、白云石(主要提供CaO、MgO)、碳酸钾(主要提供K₂O)、纯碱(主要提供Na₂O)、五水硼砂(主要提供B₂O₃)、萤石(主要提供F)、碳酸钡(主要提供BaO)、无水硼砂(主要提供B₂O₃)、十水硼砂(主要提供B₂O₃)、硼酸(主要提供B₂O₃)、氟硅酸钠(主要提供Na₂O、F和SiO₂)、氟化钙(主要提供CaO和SiO₂)等等。

综合成本、简化配置工艺等方面的考虑，优选采用石英砂作为SiO₂供源，叶腊石作为Al₂O₃供源，石灰石作为CaO供源、白云石作为MgO供源、碳酸钾作为K₂O供源、纯碱作为Na₂O供源、五水硼砂作为B₂O₃供源、萤石作为F供源、碳酸钡作为BaO供源。

在实际操作中，只需按料方将各组分的供源称量后混匀，在高温下熔制，待出料后破碎加工即可得到玻璃粉成品。优选地，混合过程中均匀度达到97％，高温熔制时的温度为1000℃～1600℃。优选地，破碎加工过程中，将玻璃粉的粒径破碎至小于5目。

另外，根据本发明的另一方面，还提供了一种玻璃垫，其是采用水玻璃和上述的玻璃粉为原料制备而成。

该玻璃垫采用上述玻璃粉制成，其具有较低的软化点和高温粘度，能够匹配立式挤压机的温度制度，因而对于金属垂直热挤压过程中的热金属形变具有非常好的润滑效果，能够有效减少制品表面划痕、压坑等小缺陷，杜绝撕裂、褶皱等大缺陷，同时延长模具使用寿命，综合提高设备利用率。

具体的玻璃垫制作工艺可以采用本领域的常规工艺。在一种优选的实施方式中，上述混合的步骤中，水玻璃占玻璃粉重量的1％～30％。更优选地，其由以下步骤制备而成：将上述的玻璃粉与水玻璃混合，得到混合物；将混合物进行压制、固化，得到玻璃垫。

另外，本发明还提供了上述玻璃垫在金属垂直热挤压过程中的应用。该玻璃垫因其较低的软化点和高温粘度，在金属垂直热挤压过程中能够对热金属的新鲜表面和挤压模口进行更有效地润滑。经过垂直挤压得到的制品表面不存在褶皱、撕裂这样的大缺陷，且划痕、压坑等小缺陷也很少。能够有效改善金属垂直热挤压的产品质量。

进一步地，本发明还提供了一种金属垂直热挤压的方法，其包括以下步骤：对金属坯料进行加热，得到加热料；将上述的玻璃垫放置在加热料和模具之间，垂直挤压，得到挤压料；以及对挤压料进行退火、喷砂及抛光，得到金属成品。

如前文所述，采用本发明上述的玻璃垫，对金属垂直热挤压能够起到很好的润滑作用。总之，上述挤压方法得到的金属产品，表面缺陷极少。

在实际操作过程中，本领域技术人员可以根据现有的金属垂直热挤压工艺进行操作，比如在挤压过程中使用外涂份和内涂粉进行管材挤压。只需在放置玻璃垫时选用本发明上述的玻璃垫，即可有效改善垂直热挤压的效果。优选地，对金属坯料进行加热的步骤中，加热温度为900℃～1400℃。

以下以管材挤压为例说明实际的金属垂直热挤压工艺过程:

1)玻璃粉制成玻璃垫备用。

2)大型金属实心坯料放入加热炉，高温加热(900℃～1400℃)，保温一定时间(2小时—24小时)。

3)将坯料转移至除鳞工位，完全去除表面氧化皮。

4)将坯料转移至玻璃粉涂覆工位，在其表面涂覆一种玻璃粉，名称为外涂粉。此时外涂粉的作用是润滑坯料外表面和冲孔挤压筒内壁。有时也可省略此步骤，不施加外涂粉。

5)将坯料转移至冲孔工位，坯料立式进入冲孔挤压筒，在其上端面施加一种玻璃粉，名称为内涂粉。冲孔过后，实心坯料变成空心。

6)空心坯料转移至加热炉，高温加热(900℃～1400℃)，补温一定时间(1～12小时)。

7)空心坯料转移至除鳞工位，去除内外表面的氧化皮。

8)将坯料转移至玻璃粉涂覆工位，外表面施加外涂粉，内表面施加内涂粉。一般是同时施加。此时外涂粉的作用是润滑坯料外表面和挤压筒内壁，内涂粉的作用是润滑坯料内表面和挤压针。

9)转移至挤压工位，坯料立式进入挤压筒。将玻璃垫放置在坯料上端面，挤压针穿过坯料、玻璃垫和上方的模具。开始挤压，空心金属坯料通过模口变成管坯。此时玻璃垫的作用是润滑坯料新生成的外表面和模口。

10)管坯由设备上方吊出，转移至退火炉退火，后经冷却、喷砂、修磨、剖光、切割等后道工序，最后变成成品。

以下通过实施例进一步说明本发明的有益效果：

实施例1至7及对比例1

原材料：石英砂(主要提供SiO₂)、叶腊石(主要提供Al₂O₃)、石灰石(主要提供CaO)、白云石(主要提供MgO)、碳酸钾(主要提供K₂O)、纯碱(主要提供Na₂O)、五水硼砂(主要提供B₂O₃)、萤石(主要提供F₂)、碳酸钡(主要提供BaO)。

实施例1至9及对比例1中均采用上述原料进行混合、高温熔制、出料、破碎加工步骤制备了玻璃粉。其中，混合过程中均匀度达到97％，高温熔制时的温度为1000～1600℃，破碎加工过程中将玻璃粉的粒径破碎至小于5目。

不同之处在于，各原料的配比不同，所制成的玻璃粉中各成分的含量不同，具体见下表：

化学成分采用美国热电公司生产的X射线荧光光谱仪测定，其单位是重量百分比。

实施例8至14及对比例2

实施例8至14中分别使用上述实施例1至7中的玻璃粉制备玻璃垫，对比例2中使用上述对比例1中的玻璃粉制备玻璃垫：

将玻璃粉与水玻璃混合，得到混合物；将混合物进行压制、固化，得到所述玻璃垫。其中，将玻璃粉与水玻璃按重量比10:1进行混合，压制过程如下：将混合料倒入压制模腔，摊平，盖上上模具，靠上模具自重压实混合物，脱模，得到厚度为10cm的玻璃垫。

测量各实施例中玻璃垫的软化点和高温粘度，结果如下表所示：

高温物性是采用北京电影研究所生产的GX-III型高温物性测试仪，其单位是℃；高温粘度是采用美国Theta生产的旋转式高温粘度测量仪，其单位是℃。

另外，作为对比，中国专利ZL201110115128.9中玻璃垫的软化点为1260±40℃，高温粘度为1170±50℃，中国专利201310481682.8中玻璃垫的软化点为1060±40℃，高温粘度为1090±50℃。

实施例15

采用实施例14中制备的玻璃垫进行金属垂直热挤压试验，试验过程如下：

大型不锈钢实心坯料放入加热炉，高温加热(1200℃)，保温一定时间(14小时)。将坯料转移至除鳞工位，完全去除表面氧化皮。将坯料转移至玻璃粉涂覆工位，在其表面涂覆外涂粉844-7。将坯料转移至冲孔工位，坯料立式进入冲孔挤压筒，在其上端面施加内涂粉。空心坯料转移至修圆工位，将坯料尽量修成圆柱体。空心坯料转移至加热炉，高温加热(1200℃)，补温一定时间(4小时)。空心坯料转移至除鳞工位，去除内外表面的氧化皮。

将坯料转移至玻璃粉涂覆工位，外表面施加外涂粉，内表面施加内涂粉。转移至挤压工位，坯料立式进入挤压筒。将实施例18中制得的玻璃垫放置在坯料上端面，挤压针穿过坯料、玻璃垫和上方的模具。开始挤压，空心金属坯料通过模口变成管坯。管坯由设备上方吊出，转移至退火炉退火，后经冷却、喷砂、修磨、剖光、切割等后道工序，最后变成成品。

观察挤压效果，刚挤出时，玻璃熔化良好，润滑良好，目测可知管材表面没有大缺陷(如图1所示)；退火喷砂后，管材表面平整，目测没有大缺陷，小缺陷也不明显(如图2所示)。

对比例3

采用对比例2中制备的玻璃垫进行金属垂直热挤压试验，试验过程如下：

大型不锈钢实心坯料放入加热炉，高温加热(1200℃)，保温一定时间(14小时)。将坯料转移至除鳞工位，完全去除表面氧化皮。将坯料转移至玻璃粉涂覆工位，在其表面涂覆外涂粉844-7。将坯料转移至冲孔工位，坯料立式进入冲孔挤压筒，在其上端面施加内涂粉。空心坯料转移至修圆工位，将坯料尽量修成圆柱体。空心坯料转移至加热炉，高温加热(1200℃)，补温一定时间(4小时)。空心坯料转移至除鳞工位，去除内外表面的氧化皮。

将坯料转移至玻璃粉涂覆工位，外表面施加外涂粉，内表面施加内涂粉。转移至挤压工位，坯料立式进入挤压筒。将对比例2中制得的玻璃垫放置在坯料上端面，挤压针穿过坯料、玻璃垫和上方的模具。开始挤压，空心金属坯料通过模口变成管坯。管坯由设备上方吊出，转移至退火炉退火，后经冷却、喷砂、修磨、剖光、切割等后道工序，最后变成成品。

观察挤压效果，刚挤出时，管材表面附着有很多未熔玻璃，目测超过30％，润滑较差，距离较远，无法看出缺陷(如图3所示)；退火喷砂后，很明显，管材表面不平整，压坑、划痕等小缺陷较多(如图4所示)。

由以上数据可知，本发明实施例1至7中制备的玻璃粉，制成玻璃垫后其软化点和高温粘度均较低，非常适用于金属垂直热挤压中的润滑剂使用。实施例15中证实了采用本发明提供的玻璃粉，制成玻璃垫后作为金属热挤压过程中的润滑剂，能够有效改善金属挤压制品的质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。