CN102092987B - 锻件模锻用保温粘接剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模锻成形的锻件模锻用保温粘接剂，特别适合于高温合金、钛合金及铝合金模锻件的保温成形的粘接剂。本发明提供的能在锻件表面形成一层连续、均匀、致密起保温、润滑作用的薄膜的保温材料用粘接剂，其按重量百分比包括以下组分，有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂20-40％、玻璃粉20-40％、磷酸三钠0-5％、无水硼砂、2-6％、石墨0-5％、浮型铝粉浆1-3％、硅酸铝镁悬浮剂1-5％，二甲苯10-40％。本发明具有能够精确控制锻造温度，减少坯料回炉次数，延长每火可锻时间，降低了使用包覆材料的成本，扩大了保温包覆材料的选用范围等优点。同时本发明还提供了该保温粘接剂的制备方法。

Description

锻件模锻用保温粘接剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及模锻成形技术领域，除可用作一般的模锻件外，特别适合于大型复杂的航空、航天器械中使用的高温合金、钛合金及铝合金模锻件的保温成形的粘接剂。

背景技术

锻造特别是模锻过程的保温材料对产品成形具有关键作用，性能优良的模锻用保温材料不仅能保证模锻顺利地进行，还能延长模具的寿命，提高工件成形质量。世界各国对此都进行了大量的研究，形成了以包覆材料实现保温的技术方式，主要有“硬包套”法和“软包套”法。

“硬包套”法，即采用铜板或普通钢板或不锈钢板，通过焊接成铜套或不锈钢套，再把绝热棉包覆在合金钢坯表面后装上这些金属套进行加热和保温锻造。如申请号为86106477的“双层包套挤压钛合金的方法”，它是在钛合金锻件上先包上薄的软质钢板、然后再包上软质紫铜板，这种方法存在诸多缺点，如操作繁杂、模锻时包套材料不能随着锻件金属的变形而变形，只能使用一次效率低等。

而不用铜板或不锈钢板的“软包套”保温锻造技术，是采用具有保温兼润滑功能的“可粘贴绝热棉”，适用于锤锻、模锻、热挤压、热轧等多种热加工工艺。相对“硬包套”保温技术，“软包套”具有以下优点：(1)成本较低，包套工序较方便；(2)当工件加热时可以敞开一面不包绝热棉时，工件升温速度较快；(3)锻造过程中可粘贴绝热棉不会脱落，并伴随锻坯变形而变形；(4)理论上可以进行多火锻造。如申请号为200510024208.8的“大型高温合金涡轮盘的热加工锻造方法”，是将锻件包覆后在炉中加热，其加热时间比常规加热时间多3-6小时。申请号为200510024207.3的“GH742合金大钢锭的保温锻造开坯方法”、申请号为200520039486.6的“一种可粘贴绝热棉”、申请号为200510023801.0的“可粘贴绝热棉及其制备方法”、申请号为200710042561.8的“一种高温合金模锻方法”，申请号为200910032912.6的“一种高温合金圆锭镦粗方法”的这些专利申请文件所公开技术均是用称为双粘接剂(淀粉及水玻璃)及软化点700-850℃的玻璃粉作高温粘接剂，把陶瓷纤维包覆到高温合金上去后置于炉内加热，然后进行锻造。经试验表明，均需要在200℃以下的温度使用，锻件包覆后还需在炉中长时间加热，敞开一面不包绝热棉实际会带来后期操作上的问题，在实际使用过程中往往达不到理想的效果。同时由于“软包套”还需要在锻件表面形成一层润滑剂有助于锻件成型，因上述现有以水玻璃、硼砂为粘接剂，由于在高温下放出的二氧化碳、水蒸汽等而形成的气泡，使锻件表面无法形成连续、均匀、致密的润滑层，因此也不能发挥出应有的润滑作用。

现有技术中还有申请号为200710118126.9的“热加工温控保温材料及其制备方法和应用”，据述仍是用绝热棉作保温材料，绝热棉与坯料直接接触的表面称为高温粘性层，绝热棉与模具接触的表面称为基底层，基底层与高温粘性层之间的部分称为中温粘性层。当在压机的压应力作用下与坯料接触的高温粘性层能够产生出较高的延伸率、基底层产生出高的抗压强度，能够避免模具与坯料直接接触产生剧烈磨擦，而锻件变形过程中与模具接触紧密，可以得到要求形状和尺寸的锻件。中温粘性层起粘接高温粘性层、基底层和调节它们变形的作用。因此在同一块绝热棉中具有不同功能的三层材料，这三层材料的组成、结构均不同，所以其工艺复杂，不便于锻件加工中使用。

到目前为止，上述专利无法使用的问题在于：在模锻变形过程中高温粘性层与坯料接触时要产生润滑作用，粘性层内的成分必须熔融成玻璃态，而这种玻璃态物质还需要自行粘接到坯料表面，在压应力作用下发生剪切流动，以使坯料、高温粘性层、基底层等之间发生变形，在剧烈条件下变形又保持完整，防止由于保温材料破裂使坯料与模具直接接触导致磨擦阻力增大，坯料温度快速下降，从而使这种多层复合材料起到润滑保温作用。而合适的粘度又与温度有关。比如用于高温合金的高温粘性层达到合适粘度的温度一般在1050℃以上，用于钛合金的高温粘性层达到合适粘度的温度在750℃以上。因此如何根据坯料材质、锻造温度确定这些材料的成分，然后再将它们制成纤维根据现有的陶瓷纤维制造技术都是无法实现的。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供能在锻件表面形成一层连续、均匀、致密起保温、润滑作用的薄膜的保温材料用粘接剂。

本发明解决其技术问题所采用的锻件模锻用保温粘接剂，按重量百分比包括以下组分，有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂20-40％、玻璃粉20-40％、磷酸三钠0-5％、无水硼砂2-6％、石墨0-5％、浮型铝粉浆1-3％、硅酸铝镁悬浮剂1-5％，二甲苯10-40％。

所述的有机硅耐热树脂为甲基苯基有机硅树脂。

高温合金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在850℃以上、钛合金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在700℃以上、铝金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在300℃以上。

所述石墨为胶体石墨。

本发明还提供了一种制备锻件模锻用保温粘接剂的方法，包括以下步骤：

(1)按比例称取有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯、玻璃粉、石墨、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂；

(2)将称得的上述材料中的玻璃粉、石墨、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量65％-85％的有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌4小时以上；

(3)再将步骤(2)得到的混合物放入砂磨机中研磨；

(4)研磨完成后的混合物转移到反应器中，加入剩余的有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯，充分搅拌即得。

进一步的改进，步骤(3)中的混合物在砂磨机中研磨的细度小于30μm。

进一步的改进，步骤(2)中在反应器中的搅拌时间在4小时以上。

本发明与现有技术相比有下述优点：

将本发明的锻件模锻用保温粘接剂，采用刷、滚、静电喷涂等方法把作为粘接剂的材料料涂到陶瓷纤维表面，锻件在加热炉内加热到温出炉后立即置于表面涂有粘接剂的陶瓷纤维上进行包覆，包覆后即进行锻造勿需再置于加热炉内加热，锻件不会因为在空气中或和模具接触散热从而实现保温的目的，而粘接剂中的润滑材料又保证能在锻件表面形成一层连续、均匀、致密起保温、润滑作用的薄膜。

粘接剂中含有的高温耐热树脂保证了陶瓷纤维在不同温度下均能成功粘接，也保证了陶瓷纤维与锻件表面接触后形成一层连续、均匀、致密起保温、润滑作用的薄膜；涂料中不含水，锻件不会因此而散热降温，所以不需再进加热炉加热，涂料中含有的少量溶剂、铝粉与锻件接触后生成的热量，抵消了锻件出炉后散失的热量，实现了锻件的热平衡，保证了锻件的始锻温度不因包覆陶瓷纤维而降低。

①本发明的大型锻件模锻用保温粘接剂与现有技术中的粘接剂相比，在锻件的整个变形表面它都有一层连续、均匀起保温、润滑作用的液膜，能够有效降低锻件的变形阻力，减少压机的工作负荷，保证得到满足质量要求的大型模锻件。润滑学和模锻的实际过程都证明，模锻件表面只有部分润滑剂时，不论这种部分润滑剂是原先固定在保温材料表面上还是以粉末形式撤在表面上，在模锻过程中这些部分表面的润滑剂是无法流到其它表面上去的，更不可能流动到锻件新生出的表面上，断续的液膜是起不到润滑作用的。

②不同的材料在不同的温度下有不同的变化也有不同的熔点。本发明的大型锻件模锻用保温粘接剂与现有技术中的粘接剂相比，它对不同的锻造温度、不同的锻件材质选用不同成分的粘接剂，而不是使用一种固定不变的粘接剂，这样就能够保证对不同的锻造温度、不同的锻件材质保温材料都能得到牢固的粘连，锻件表面都能得到一层连续、均匀起保温、润滑作用的液膜，

③本发明的大型锻件模锻用保温粘接剂与现有技术中的粘接剂相比，由于在高温下不会生成大量的水蒸气、二氧化碳等气体，因此能在锻件表面形成连续、均匀起保温、润滑作用的液膜。

④本发明的大型锻件模锻用保温粘接剂与现有技术中的粘接剂相比，它不是在锻件进入加热炉前于较低的温度下就必须使用粘接剂把保温材料包到锻件上，而是在锻件加热后模锻之前包上表面有一层具有润滑功能的粘接剂，随即进行模锻。即使用本发明的保温润滑材料，能够更加精确控制锻造温度，减少坯料回炉次数，延长每火可锻时间。

因为任何具有保温功能的材料必然具有绝热的性能，即具有阻止热量进入的性能，这样就会阻止锻件受热，大幅度延长锻件在炉中的加热时间，使带上保温材料的锻件在炉内长时间受热，这样不仅造成能源浪费延长生产周期，而且不利于得到晶粒细小的锻件。

⑤本发明的大型锻件模锻用保温粘接剂与现有技术中的粘接剂相比，使用更方便，更具有可操作性。根据现有生产出的陶瓷纤维尚无在锻造温度下短时间即形成液膜的实际情况，仅用不同的陶瓷(即硅酸盐)纤维是得不到润滑膜的，而且要得到不同功能如高温粘性层、中温粘性层、阻渗层等的复合陶瓷纤维不仅具有技术上的障碍而且经济上的成本也十分昂贵难以实施。

⑥本发明的大型锻件模锻用保温粘接剂成功解决了使用陶瓷纤维等软包套保温材料的技术难题，克服了用软钢板或不锈钢、铜皮等包覆锻件毛坯需要焊接的烦琐和缺陷，降低了使用包覆材料的成本，扩大了保温包覆材料的选用范围。

具体实施方式

本发明的锻件模锻用保温粘接剂，按重量百分比包括以下组分制成，有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂20-40％、玻璃粉20-40％、磷酸三钠0-5％、无水硼砂2-6％、石墨0-5％、浮型铝粉浆1-3％、硅酸铝镁悬浮剂1-5％，二甲苯10-40％。其制备方法包括以下步骤：

(1)按比例称取有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、玻璃粉、磷酸三钠、无水硼砂、石墨、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂、二甲苯；

(2)将称得的上述材料中的玻璃粉、石墨、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量65％-85％的有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌4小时以上；

(3)再将上述步骤(2)得到的混合物放入砂磨机中研磨；

(4)研磨完成后的混合物转移到反应器中，加入剩余的有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯，充分搅拌即得。

所述的有机硅耐热树脂选择为具有优异的耐高低温性的甲基苯基硅树脂。

由于不同材质的模锻温度要求不同，为了在不同的温度环境都能在锻件表面形成连续、均匀、致密起保温、润滑作用的薄膜，高温合金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在850℃以上、钛合金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在700℃以上、铝金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在300℃以上。

为了提高粘接剂形成薄膜的润滑性能，所述的石墨选择胶体石墨，也可以将步骤(3)中的混合物在砂磨机中研磨的细度控制在小于30μm。

为了保证步骤(2)在反应器中的充分搅拌，搅拌时间在4小时以上。

为了减少有机硅耐热树脂、有机钛环氧树脂、二甲苯在步骤(2)中的损耗，保证粘接剂中含量，因此将有机硅耐热树脂、有机钛环氧树脂、二甲苯分两次加入，即在步骤(4)中加入剩余的组分。

实施例一：

按照制备粘接剂重量称取有机硅耐热树脂35％、软化点850℃的玻璃粉38％、磷酸三钠1％、无水硼砂3％、胶体石墨1％、浮型铝粉浆1％、二甲苯19％、硅酸铝镁悬浮剂2％，然后将玻璃粉、胶体石墨、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量65％的有机硅耐热树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌4小时以上，然后将搅拌得到的混合物放入砂磨机中进行研磨，再转移到反应器中，并加入剩余的有机硅耐热树脂、二甲苯，充分搅拌即得模锻保温材料用粘接剂。

把得到的上述保温粘接剂用滚涂的方法涂于陶瓷纤维毯上，涂层厚度0.2mm，然后将其包到加热温度为1150℃的4169高温合金上。

实施例二：

按照制备粘接剂重量称取甲基苯基有机硅树脂40％、软化点700℃的玻璃粉22％、无水硼砂4％、石墨5％、浮型铝粉浆2.5％、硅酸铝镁悬浮剂4、二甲苯22.5％，然后将玻璃粉、胶体石墨、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量73％。的甲基苯基有机硅树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌5小时以上，然后将搅拌得到的混合物放入砂磨机中进行研磨，待细度达到30μm以下后，再转移到反应器中，并加入剩余的甲基苯基有机硅树脂、二甲苯，充分搅拌即得模锻保温材料用粘接剂。

把得到的上述保温粘接剂用滚涂的方法涂于陶瓷纤维毯上，涂层厚度0.2mm，然后将其包到加热温度为950℃的钛合金上。

实施例三：

按照制备粘接剂重量称取有机硅耐热树脂21％、软化点300℃的玻璃粉26％、磷酸三钠5％、无水硼砂5％、浮型铝粉浆2％、硅酸铝镁悬浮剂4％、二甲苯37％，然后将玻璃粉、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量80％的有机硅耐热树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌4小时以上，然后将搅拌得到的混合物放入砂磨机中进行研磨，待细度达到30μm以下后，再转移到反应器中，并加入剩余的有机硅耐热树脂、二甲苯，充分搅拌即得模锻保温材料用粘接剂。

把得到的上述保温粘接剂用静电喷涂方法涂于绝热棉上，涂层厚度0.3mm，然后将其包到加热温度为600℃的铝合金上。

实施例四：

按照制备粘接剂重量称取有机钛环氧树脂25％、软化点850℃的玻璃粉40％、磷酸三钠1％、无水硼砂2％、胶体石墨3％、浮型铝粉浆3％、硅酸铝镁悬浮剂1％、二甲苯25％，然后将玻璃粉、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量85％的有机钛环氧树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌2小时以上，然后将搅拌得到的混合物放入砂磨机中进行研磨，待细度达到30μm以下后，再转移到反应器中，并加入剩余的有机钛环氧树脂、二甲苯，充分搅拌即得模锻保温材料用粘接剂。

把得到的上述保温粘接剂用涂刷方法涂于陶瓷纤维毯上，涂层厚度0.2mm，然后将其包到加热温度为600℃的铝合金上。

实施例五：

按照制备粘接剂重量称取有机钛环氧树脂38％、软化点700℃的玻璃粉33％、磷酸三钠3％、无水硼砂6％、胶体石墨3％、浮型铝粉浆2％、硅酸铝镁悬浮剂5％、二甲苯10％，然后将玻璃粉、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量70％的有机钛环氧树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌2小时以上，然后将搅拌得到的混合物放入砂磨机中进行研磨，待细度达到30μm以下后，再转移到反应器中，并加入剩余的有机钛环氧树脂、二甲苯，充分搅拌即得模锻保温材料用粘接剂。

把得到的上述保温粘接剂用滚涂方法涂于陶瓷纤维毯上，涂层厚度0.4mm，然后将其包到加热温度为950℃的钛合金上。

实施例六：

按照制备粘接剂重量称取有机钛环氧树脂37％、软化点850℃的玻璃粉20％、无水硼砂4％、石墨4％、浮型铝粉浆2％、硅酸铝镁悬浮剂4％、二甲苯29％，然后将玻璃粉、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量65％的有机钛环氧树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌4小时以上，然后将搅拌得到的混合物放入砂磨机中进行研磨，待细度达到30μm以下后，再转移到反应器中，并加入剩余的有机钛环氧树脂、二甲苯，充分搅拌即得模锻保温材料用粘接剂。

把得到的上述保温粘接剂用滚涂方法涂于陶瓷纤维毯上，涂层厚度0.2mm，然后将其包到1150℃的4169高温合金上。

Claims (7)

1.锻件模锻用保温粘接剂，其特征是，按重量百分比由以下组分构成：有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂20-40%、玻璃粉20-40%、磷酸三钠0-5%、无水硼砂2-6%、石墨0-5%、浮型铝粉浆1-3%、硅酸铝镁悬浮剂1-5%，二甲苯10-40%。

2.根据权利要求1所述的锻件模锻用保温粘接剂，其特征是，所述的有机硅耐热树脂为甲基苯基有机硅树脂。

3.根据权利要求1所述的锻件模锻用保温粘接剂，其特征是：高温合金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在850℃以上、钛合金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在700℃以上、铝金锻件使用的保温粘接剂中的玻璃粉的软化点在300℃以上。

4.根据权利要求1所述的锻件模锻用保温粘接剂，其特征是，所述石墨为胶体石墨。

5.制备锻件模锻用保温粘接剂的方法，包括以下步骤：

（1）按重量百分比称取以下材料，有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂20-40%、玻璃粉20-40%、磷酸三钠1-5%、无水硼砂2-6%、石墨1-5%、浮型铝粉浆1-3%、硅酸铝镁悬浮剂1-5%，二甲苯10-40%；

（2）将称得的上述材料中的玻璃粉、石墨、磷酸三钠、无水硼砂、浮型铝粉浆、硅酸铝镁悬浮剂和称样量65%-85%的有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯置于反应器中充分搅拌；

（3）再将步骤（2）得到的混合物放入砂磨机中研磨；

（4）研磨完成后的混合物转移到反应器中，加入剩余的有机硅耐热树脂或有机钛环氧树脂、二甲苯，充分搅拌即得。

6.根据权利要求5所述的制备锻件模锻用保温粘接剂的方法，其特征是，步骤（3）中的混合物在砂磨机中研磨的细度小于30μm。

7.根据权利要求5所述的制备锻件模锻用保温粘接剂的方法，其特征是，步骤（2）中在反应器中的搅拌时间在4小时以上。