玻璃粉、玻璃墊、玻璃墊的應用及金屬垂直熱擠壓的方法與流程
2023-06-26 18:13:03 3
本發明涉及金屬熱擠壓技術領域，具體而言，涉及一種玻璃粉、玻璃墊、玻璃墊的應用及金屬垂直熱擠壓的方法。
背景技術：
金屬熱擠壓是將金屬加熱至一定溫度(不同金屬加熱溫度不同)，使用金屬熱成型擠壓機從模具埠擠出製品的金屬熱成型加工工藝。製品以管材為主，也可以擠壓型材。從設計形式上分，金屬熱成型擠壓機有兩種：臥式擠壓機和立式擠壓機，它們分別採用臥式熱擠壓工藝和垂直熱擠壓工藝進行生產。在金屬熱擠壓的過程中，需要使用到玻璃潤滑劑。主要是利用玻璃在高溫時熔融的特性，事先將其塗覆或放置在熱金屬的形變面上，在相當大的擠壓力面前，金屬開始形變，玻璃潤滑劑熔融成膜，隨著金屬的流動而被拉伸延展，始終起到潤滑作用。玻璃潤滑劑的作用最主要就是防止出現表面缺陷，一般包括：劃痕、壓坑、撕裂、褶皺。以上缺陷越多，越嚴重，說明表面質量越差，潤滑效果越不好。
在一個擠壓工藝過程中，玻璃潤滑劑並非只有一種，而是一個組合，有兩到三種。在不同工藝時間點以不同方式施加，作用於坯料的不同部位，最終起到潤滑的作用效果。細緻來講，玻璃潤滑劑分為外塗粉、內塗粉(製品截面為環形的才需要內塗粉)及玻璃墊。外塗粉，施加在坯料外表面，用於潤滑坯料外表面擠壓筒；內塗粉，施加在坯料內表面，用於潤滑坯料內表面和芯棒；玻璃墊，使用前由玻璃粉製成，施加在坯料前端和擠壓模具之間，用於潤滑擠出的新鮮表面和擠壓模口。
現有的金屬熱擠壓工藝中，採用的臥式擠壓機的設備能力上限一般不超過1萬噸，國內投產的有十幾臺，玻璃潤滑劑的配備比較成熟，潤滑良好，擠出製品的表面缺陷少。而設備能力上限超過1萬噸的擠壓機屬於大型擠壓機，國內建造完成的有4臺，都是立式擠壓機。目前國內立式擠壓機使用的玻璃潤滑劑，都是從臥式擠壓機移植過來的，匹配並不好，防護潤滑效果只能滿足基本工藝要求。大量現場反饋表明，現有的玻璃潤滑劑，特別是玻璃墊在立式擠壓機的生產工藝應用方面確實存在劣勢。潤滑差、擠不出、擠出困難、工模具壽命短、設備故障率高、製品表面質量差、劃痕多、壓坑深，甚至嚴重撕裂也是尋常可見。
總之，現有的玻璃潤滑劑，特別是玻璃墊能夠很好的滿足臥式擠壓機生產工藝要求，但是無論從結構設計、工作流程、工藝制度還是擠壓方式，兩種擠壓機都存在著相當大的差異，簡單的移植嫁接無法適應不同的工藝環境，同樣的玻璃潤滑劑，特別是玻璃墊，在立式擠壓機上就失去了用武之地。
基於上述原因，有必要提供一種適用於大型立式擠壓機的，用來製作金屬垂直熱擠壓用玻璃墊的玻璃粉。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種玻璃粉，以解決現有技術中玻璃墊在金屬垂直熱擠壓中存在的潤滑性能不良的問題。
為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種玻璃粉，按重量百分比計，該玻璃粉包括：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％的雜質。
進一步地，按重量百分比計，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％的雜質。
進一步地，SiO2和Al2O3的重量比為20～27:1。
進一步地，SiO2和Na2O的重量比為2.2～3:1。
進一步地，玻璃粉的粒徑小於5目。
根據本發明的另一方面，還提供了一種玻璃墊，其是採用水玻璃和上述的玻璃粉為原料製備而成。
進一步地，水玻璃佔玻璃粉重量的1～30％。
進一步地，形成玻璃墊的方法包括：將玻璃粉與水玻璃混合，得到混合物；將混合物進行壓制、固化，得到玻璃墊。
根據本發明的另一方面，還提供了一種玻璃墊在金屬垂直熱擠壓過程中的應用。
根據本發明的另一方面，還提供了一種金屬垂直熱擠壓的方法，其包括以下步驟：對金屬坯料進行加熱，得到加熱料；將上述的玻璃墊放置在加熱料和模具之間，垂直擠壓，得到擠壓料；以及對擠壓料進行退火、噴砂及拋光，得到金屬成品。
本發明提供的上述玻璃粉，各組分之間具有特定的用量關係，在根本上改變了玻璃性能。採用其製作的玻璃墊，軟化點和高溫粘度均較低，能夠匹配立式擠壓機的溫度制度，因而對於金屬垂直熱擠壓過程中的熱金屬具有非常好的潤滑效果，能夠有效減少製品表面劃痕壓坑等小缺陷，杜絕撕裂、褶皺等大缺陷，同時延長模具使用壽命，綜合提高設備利用率。總之，採用本發明提供的玻璃粉製作的玻璃墊，更適於作為金屬垂直熱擠壓工藝中玻璃潤滑劑的一部分使用。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1示出了本發明實施例19中的金屬垂直熱擠壓過程中金屬製品剛擠出時的照片；
圖2示出了本發明實施例19中的金屬垂直熱擠壓過程中金屬製品經退火噴砂後的照片；
圖3示出了對比例3中的金屬垂直熱擠壓過程中金屬製品剛擠出時的照片；
圖4示出了對比例3中的金屬垂直熱擠壓過程中金屬製品經退火噴砂後的照片。
具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
正如背景技術部分所介紹的，現有的玻璃墊在金屬垂直熱擠壓中存在潤滑性能差的問題。為了解決這一問題，本發明提供了一種玻璃粉，按重量百分比計，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％的雜質。
傳統的玻璃墊之所以不能完全試用立式擠壓，主要是因為溫度制度差異太大。以不鏽鋼管材擠壓為例，坯料進入擠壓階段前的溫度一般保持在1180℃～1200℃，如果發現溫度偏低還可以使用中頻加熱補溫。所以臥式擠壓能夠保證坯料以較高且合適的溫度進入擠壓階段。由於質構要求的限制，立式擠壓坯料的加熱溫度並不比臥式擠壓高多少，但是其個體巨大，轉移時間很長，溫降嚴重且無法快速補溫(目前沒有這麼大的中頻加熱設備)，擠壓前坯料表面溫度基本不會超過1050℃。此時如果使用傳統的玻璃潤滑劑，根本無法很好的熔融，液相出現極少，也就談不到潤滑良好。
而本發明提供的上述玻璃粉，各組分之間具有特定的用量關係，在根本上改變了玻璃性能。採用其製作的玻璃墊，軟化點和高溫粘度均較低，能夠匹配立式擠壓機的溫度制度，因而對於金屬垂直熱擠壓過程中的熱金屬具有非常好的潤滑效果，能夠有效減少製品表面劃痕、壓坑等小缺陷，杜絕撕裂、褶皺等大缺陷，同時延長模具使用壽命，綜合提高設備利用率。總之，採用本發明提供的玻璃粉製作的玻璃墊，更適於作為金屬垂直熱擠壓工藝中玻璃潤滑劑的一部分使用。
特別地，由於垂直擠壓的坯料普遍巨大，單支價值基本十萬以上，特殊材料甚至更高，百萬以上也不鮮見。所以作為最關鍵的工藝輔材，本發明提供的玻璃墊用玻璃粉展現出的良好潤滑效果，對於經濟效益方面的提高也具有相當大的幫助。
在一種優選的實施方式中，按重量百分比計，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％的雜質。將各組分的用量控制在上述範圍內，能夠進一步降低軟化點和高溫粘度。玻璃墊用於金屬垂直熱擠壓時，其潤滑效果更佳。
在一種優選的實施方式中，上述玻璃粉中SiO2和Al2O3的重量比為20～27:1。更優選地，SiO2和Na2O的重量比為2.2～3:1。控制SiO2、Al2O3、Na2O之間的比例關係，能夠使玻璃墊具備更優異的潤滑性。進一步優選地，按重量百分含量計，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。
由於完全或部分使用礦物原料，玻璃粉中必然會被帶入相當量的雜質。上述的玻璃粉組分中，雜質可包括Fe2O3、FeO、TiO2、ZnO、MnO2、SO3、Cr3O2等，其重量百分比合量為0～2％。
本發明的玻璃粉各組分可以從適當的原料中獲取，如石英砂(主要提供SiO2)、葉臘石(主要提供Al2O3)、高嶺土(主要提供Al2O3)、石灰石(主要提供CaO)、方解石(主要提供CaO)、矽灰石(主要提供CaO、SiO2)、長石(主要提供Al2O3、Na2O和K2O)、白雲石(主要提供CaO、MgO)、碳酸鉀(主要提供K2O)、純鹼(主要提供Na2O)、五水硼砂(主要提供B2O3)、螢石(主要提供F)、碳酸鋇(主要提供BaO)、無水硼砂(主要提供B2O3)、十水硼砂(主要提供B2O3)、硼酸(主要提供B2O3)、氟矽酸鈉(主要提供Na2O、F和SiO2)、氟化鈣(主要提供CaO和SiO2)等等。
綜合成本、簡化配置工藝等方面的考慮，優選採用石英砂作為SiO2供源，葉臘石作為Al2O3供源，石灰石作為CaO供源、白雲石作為MgO供源、碳酸鉀作為K2O供源、純鹼作為Na2O供源、五水硼砂作為B2O3供源、螢石作為F供源、碳酸鋇作為BaO供源。
在實際操作中，只需按料方將各組分的供源稱量後混勻，在高溫下熔制，待出料後破碎加工即可得到玻璃粉成品。優選地，混合過程中均勻度達到97％，高溫熔制時的溫度為1000℃～1600℃。優選地，破碎加工過程中，將玻璃粉的粒徑破碎至小於5目。
另外，根據本發明的另一方面，還提供了一種玻璃墊，其是採用水玻璃和上述的玻璃粉為原料製備而成。
該玻璃墊採用上述玻璃粉製成，其具有較低的軟化點和高溫粘度，能夠匹配立式擠壓機的溫度制度，因而對於金屬垂直熱擠壓過程中的熱金屬形變具有非常好的潤滑效果，能夠有效減少製品表面劃痕、壓坑等小缺陷，杜絕撕裂、褶皺等大缺陷，同時延長模具使用壽命，綜合提高設備利用率。
具體的玻璃墊製作工藝可以採用本領域的常規工藝。在一種優選的實施方式中，上述混合的步驟中，水玻璃佔玻璃粉重量的1％～30％。更優選地，其由以下步驟製備而成：將上述的玻璃粉與水玻璃混合，得到混合物；將混合物進行壓制、固化，得到玻璃墊。
另外，本發明還提供了上述玻璃墊在金屬垂直熱擠壓過程中的應用。該玻璃墊因其較低的軟化點和高溫粘度，在金屬垂直熱擠壓過程中能夠對熱金屬的新鮮表面和擠壓模口進行更有效地潤滑。經過垂直擠壓得到的製品表面不存在褶皺、撕裂這樣的大缺陷，且劃痕、壓坑等小缺陷也很少。能夠有效改善金屬垂直熱擠壓的產品質量。
進一步地，本發明還提供了一種金屬垂直熱擠壓的方法，其包括以下步驟：對金屬坯料進行加熱，得到加熱料；將上述的玻璃墊放置在加熱料和模具之間，垂直擠壓，得到擠壓料；以及對擠壓料進行退火、噴砂及拋光，得到金屬成品。
如前文所述，採用本發明上述的玻璃墊，對金屬垂直熱擠壓能夠起到很好的潤滑作用。總之，上述擠壓方法得到的金屬產品，表面缺陷極少。
在實際操作過程中，本領域技術人員可以根據現有的金屬垂直熱擠壓工藝進行操作，比如在擠壓過程中使用外塗份和內塗粉進行管材擠壓。只需在放置玻璃墊時選用本發明上述的玻璃墊，即可有效改善垂直熱擠壓的效果。優選地，對金屬坯料進行加熱的步驟中，加熱溫度為900℃～1400℃。
以下以管材擠壓為例說明實際的金屬垂直熱擠壓工藝過程:
1)玻璃粉製成玻璃墊備用。
2)大型金屬實心坯料放入加熱爐，高溫加熱(900℃～1400℃)，保溫一定時間(2小時—24小時)。
3)將坯料轉移至除鱗工位，完全去除表面氧化皮。
4)將坯料轉移至玻璃粉塗覆工位，在其表面塗覆一種玻璃粉，名稱為外塗粉。此時外塗粉的作用是潤滑坯料外表面和衝孔擠壓筒內壁。有時也可省略此步驟，不施加外塗粉。
5)將坯料轉移至衝孔工位，坯料立式進入衝孔擠壓筒，在其上端面施加一種玻璃粉，名稱為內塗粉。衝孔過後，實心坯料變成空心。
6)空心坯料轉移至加熱爐，高溫加熱(900℃～1400℃)，補溫一定時間(1～12小時)。
7)空心坯料轉移至除鱗工位，去除內外表面的氧化皮。
8)將坯料轉移至玻璃粉塗覆工位，外表面施加外塗粉，內表面施加內塗粉。一般是同時施加。此時外塗粉的作用是潤滑坯料外表面和擠壓筒內壁，內塗粉的作用是潤滑坯料內表面和擠壓針。
9)轉移至擠壓工位，坯料立式進入擠壓筒。將玻璃墊放置在坯料上端面，擠壓針穿過坯料、玻璃墊和上方的模具。開始擠壓，空心金屬坯料通過模口變成管坯。此時玻璃墊的作用是潤滑坯料新生成的外表面和模口。
10)管坯由設備上方吊出，轉移至退火爐退火，後經冷卻、噴砂、修磨、剖光、切割等後道工序，最後變成成品。
以下通過實施例進一步說明本發明的有益效果：
實施例1至7及對比例1
原材料：石英砂(主要提供SiO2)、葉臘石(主要提供Al2O3)、石灰石(主要提供CaO)、白雲石(主要提供MgO)、碳酸鉀(主要提供K2O)、純鹼(主要提供Na2O)、五水硼砂(主要提供B2O3)、螢石(主要提供F2)、碳酸鋇(主要提供BaO)。
實施例1至9及對比例1中均採用上述原料進行混合、高溫熔制、出料、破碎加工步驟製備了玻璃粉。其中，混合過程中均勻度達到97％，高溫熔制時的溫度為1000～1600℃，破碎加工過程中將玻璃粉的粒徑破碎至小於5目。
不同之處在於，各原料的配比不同，所製成的玻璃粉中各成分的含量不同，具體見下表：
化學成分採用美國熱電公司生產的X射線螢光光譜儀測定，其單位是重量百分比。
實施例8至14及對比例2
實施例8至14中分別使用上述實施例1至7中的玻璃粉製備玻璃墊，對比例2中使用上述對比例1中的玻璃粉製備玻璃墊：
將玻璃粉與水玻璃混合，得到混合物；將混合物進行壓制、固化，得到所述玻璃墊。其中，將玻璃粉與水玻璃按重量比10:1進行混合，壓制過程如下：將混合料倒入壓制模腔，攤平，蓋上上模具，靠上模具自重壓實混合物，脫模，得到厚度為10cm的玻璃墊。
測量各實施例中玻璃墊的軟化點和高溫粘度，結果如下表所示：
高溫物性是採用北京電影研究所生產的GX-III型高溫物性測試儀，其單位是℃；高溫粘度是採用美國Theta生產的旋轉式高溫粘度測量儀，其單位是℃。
另外，作為對比，中國專利ZL201110115128.9中玻璃墊的軟化點為1260±40℃，高溫粘度為1170±50℃，中國專利201310481682.8中玻璃墊的軟化點為1060±40℃，高溫粘度為1090±50℃。
實施例15
採用實施例14中製備的玻璃墊進行金屬垂直熱擠壓試驗，試驗過程如下：
大型不鏽鋼實心坯料放入加熱爐，高溫加熱(1200℃)，保溫一定時間(14小時)。將坯料轉移至除鱗工位，完全去除表面氧化皮。將坯料轉移至玻璃粉塗覆工位，在其表面塗覆外塗粉844-7。將坯料轉移至衝孔工位，坯料立式進入衝孔擠壓筒，在其上端面施加內塗粉。空心坯料轉移至修圓工位，將坯料儘量修成圓柱體。空心坯料轉移至加熱爐，高溫加熱(1200℃)，補溫一定時間(4小時)。空心坯料轉移至除鱗工位，去除內外表面的氧化皮。
將坯料轉移至玻璃粉塗覆工位，外表面施加外塗粉，內表面施加內塗粉。轉移至擠壓工位，坯料立式進入擠壓筒。將實施例18中製得的玻璃墊放置在坯料上端面，擠壓針穿過坯料、玻璃墊和上方的模具。開始擠壓，空心金屬坯料通過模口變成管坯。管坯由設備上方吊出，轉移至退火爐退火，後經冷卻、噴砂、修磨、剖光、切割等後道工序，最後變成成品。
觀察擠壓效果，剛擠出時，玻璃熔化良好，潤滑良好，目測可知管材表面沒有大缺陷(如圖1所示)；退火噴砂後，管材表面平整，目測沒有大缺陷，小缺陷也不明顯(如圖2所示)。
對比例3
採用對比例2中製備的玻璃墊進行金屬垂直熱擠壓試驗，試驗過程如下：
大型不鏽鋼實心坯料放入加熱爐，高溫加熱(1200℃)，保溫一定時間(14小時)。將坯料轉移至除鱗工位，完全去除表面氧化皮。將坯料轉移至玻璃粉塗覆工位，在其表面塗覆外塗粉844-7。將坯料轉移至衝孔工位，坯料立式進入衝孔擠壓筒，在其上端面施加內塗粉。空心坯料轉移至修圓工位，將坯料儘量修成圓柱體。空心坯料轉移至加熱爐，高溫加熱(1200℃)，補溫一定時間(4小時)。空心坯料轉移至除鱗工位，去除內外表面的氧化皮。
將坯料轉移至玻璃粉塗覆工位，外表面施加外塗粉，內表面施加內塗粉。轉移至擠壓工位，坯料立式進入擠壓筒。將對比例2中製得的玻璃墊放置在坯料上端面，擠壓針穿過坯料、玻璃墊和上方的模具。開始擠壓，空心金屬坯料通過模口變成管坯。管坯由設備上方吊出，轉移至退火爐退火，後經冷卻、噴砂、修磨、剖光、切割等後道工序，最後變成成品。
觀察擠壓效果，剛擠出時，管材表面附著有很多未熔玻璃，目測超過30％，潤滑較差，距離較遠，無法看出缺陷(如圖3所示)；退火噴砂後，很明顯，管材表面不平整，壓坑、劃痕等小缺陷較多(如圖4所示)。
由以上數據可知，本發明實施例1至7中製備的玻璃粉，製成玻璃墊後其軟化點和高溫粘度均較低，非常適用於金屬垂直熱擠壓中的潤滑劑使用。實施例15中證實了採用本發明提供的玻璃粉，製成玻璃墊後作為金屬熱擠壓過程中的潤滑劑，能夠有效改善金屬擠壓製品的質量。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。