納米添加劑對板帶鋼冷軋乳化液潤滑性能的影響

王一助,孫建林,王士庭,趙永濤,朱廣平

(北京科技大學材料科學與工程學院,北京,100083)

軋制乳化液在降低軋制壓力和軋機功率、改善軋件表面質量方面起著重要的作用,然而傳統軋制乳化液含有硫、氯和磷等添加劑,其廢液中有機物含量高,對環境的污染較嚴重[1-2]。目前國內一般對軋制乳化液廢液進行破乳及相關處理之后再將其排放,但這也會產生大量氫氧化物污泥,從而造成二次污染[3],因此對新型環保軋制乳化液制備技術的研究刻不容緩。納米粒子能夠在摩擦表面以納米顆粒或納米膜的形式存在,其具有良好的潤滑和減摩抗磨性能[4-5],且能承受高載荷,可以作為新型潤滑油抗磨劑[6-7]。本文比較了傳統軋制乳化液與含有納米添加劑的軋制乳化液(以下簡稱新型軋制乳化液)的摩擦學性能,分析了納米添加劑對板帶鋼冷軋過程和板面質量的影響,以期為環保型納米水性板帶鋼軋制乳化液規模化生產提供參考。

1 試驗

1.1 納米粒子的制備與分散

選用的納米添加劑為納米氮化硼粒子,采用氣流粉碎法進行制備[8]。用JEM-1230型透射電子顯微鏡檢測可知:經過粉碎以后,95%以上的納米氮化硼粒子粒徑為39～43 nm,其余的粒子粒徑為78～82 nm。

納米粒子粒徑小、表面能高,具有自發團聚的趨勢,而團聚的存在將大為影響納米粒子潤滑優勢的發揮,因此如何改善納米粒子在液相介質中的分散性和穩定性十分重要。納米粒子的分散可以采用物理和化學兩種方法。本試驗采用化學分散方法,即用適當配比的Span系列乳化劑和油酸作為改性劑對納米氮化硼進行表面改性,防止在納米氮化硼微粒表面形成低表面能油膜,改變納米粒子與液相介質、納米粒子與粒子之間的相互作用,使得各顆粒間有較強的排斥力,從而使納米氮化硼粒子在軋制乳化液中的穩定分散能夠更持久。

1.2 新型軋制乳化液的制備

綜合考慮潤滑效果和制備成本,確定新型軋制乳化液的基礎油采用棕櫚油和菜籽油的混合油,乳化劑采用Span系列和Tween系列。根據基礎油被乳化所需的親水親油平衡(HLB)值,將復合乳化劑的HLB值分別調節為10.5、12.5和14.5,將軋制乳化油中復合乳化劑的質量分數分別調節為8%、11.5%和15.5%。通過對潤滑效果進行試驗對比,最后選用復合乳化劑的HLB值為10.5、質量分數為15.5%。

在試驗前期,對軋制乳化液中納米氮化硼的最佳含量進行了單因素正交試驗。在此過程中,配制了一系列的軋制乳化油,其中納米氮化硼的質量分數分別為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。將軋制乳化油兌水配成5%(軋制乳化油的質量分數)的冷軋乳化液。根據乳化油試樣靜置7 d之后的穩定性和乳化液試樣放置12 h以后的析油析皂情況進行初步判斷,然后對符合相關使用標準或使用經驗的乳化液試樣進行四球摩擦學試驗和板帶鋼冷軋潤滑試驗。對比分析試驗結果和總體潤滑效果,發現軋制乳化油中納米氮化硼的質量分數為0.6%時,其綜合使用性能最好。因此,本試驗所配制的新型軋制乳化油中w(BN)=0.6%。

1.3 試驗方法

1.3.1 四球摩擦學試驗

在M RS-10A四球摩擦磨損試驗機上,按GB/T 12583—1998測定傳統軋制乳化液和新型軋制乳化液的最大無卡咬負荷PB,以比較其承載能力。在載荷為(392±2)N,轉速為(1200±5)r/m in的條件下,進行10 min的長磨試驗,采用四球摩擦磨損試驗機上的隨機軟件計算出兩種軋制乳化液的平均摩擦因數μ,并通過光學顯微鏡測定鋼球磨斑的平均直徑D392N10min,以比較乳化液的抗磨減摩性能。

1.3.2 冷軋潤滑實驗

在?130 mm×200 mm二輥冷軋試驗機上進行冷軋潤滑試驗,分別在無潤滑、采用傳統軋制乳化液和采用新型軋制乳化液3種潤滑條件下進行軋制。試驗用帶鋼為150 mm×50 mm×2 mm的IF鋼(退火狀態),軋制速度為10 r/m in。軋制時,在每道次輥縫調節到相同值的情況下,測定不同潤滑條件下帶鋼各道次的軋后厚度、軋制壓力和軋機功率,以比較乳化液的冷軋潤滑效果。

2 結果與分析

2.1 納米添加劑對軋制乳化液摩擦學性能的影響

傳統軋制乳化液和新型軋制乳化液的摩擦學性能測試結果如表1所示。從表1中可以看出,添加了納米粒子后,軋制乳化液的承載能力和抗磨減摩性能均得到了改善。

表1 軋制乳化液的摩擦學性能指標Table 1 Frictional behavior indexes of rolling emulsions

2.2 納米添加劑對冷軋過程的影響

在不同潤滑條件下,各道次軋后帶鋼厚度如圖1所示。從圖1中可以看出,與無潤滑軋制相比,使用乳化液潤滑后,各道次軋后帶鋼厚度減小,并且隨著冷軋道次的增加,帶鋼厚度差別逐漸增大。同時,與采用傳統軋制乳化液相比,采用新型軋制乳化液潤滑的各道次軋后帶鋼厚度也明顯減小。

圖1 不同潤滑條件下各道次軋后帶鋼厚度Fig.1 Steel strip thickness at each pass after cold rolling process under different lubrication conditions

在不同潤滑條件下,各道次軋制壓力和軋機功率分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中可以看出,與無潤滑軋制相比,使用乳化液潤滑后,各道次軋機功率和軋制壓力都有明顯降低。與傳統軋制乳化液相比,新型軋制乳化液在冷軋過程中表現出了更加優越的潤滑性能。軋機功率是能量消耗的直接體現,各道次軋機功率的降低,表明采用乳化液潤滑之后能夠有效降低能量消耗。而納米添加劑的使用,使軋制乳化液在降低軋機功率方面的效果更加明顯。

圖2 不同潤滑條件下各道次軋制壓力Fig.2 Rolling pressuresat each pass under different lubrication conditions

圖3 不同潤滑條件下各道次軋機功率Fig.3 Mill powersat each pass under different lubrication conditions

2.3 納米添加劑對軋后帶鋼表面質量的影響

軋后帶鋼表面質量的一個主要表征是表面粗糙度。圖4為軋件在不同潤滑條件下軋后表面粗糙度測量值,其中:Ra為輪廓的算術平均偏差;Rq為輪廓的均方根偏差;Rv為輪廓最大谷深。從圖4中可以看出,在乳化液潤滑條件下軋制的帶鋼表面輪廓更加平整,其表面粗糙度明顯降低,其中,采用新型軋制乳化液潤滑的軋后帶鋼表面粗糙度下降最為顯著。

軋制乳化液的添加劑通常在邊界潤滑或混合潤滑狀態下才能發揮作用,潤滑狀態可以從膜厚比、摩擦因數和表面質量等3個方面來判定。當潤滑劑黏度小、軋制速度低、流體動壓作用不大、不能形成有效的油膜厚度時,只有含添加劑的邊界潤滑膜將軋輥和工件表面分開,軋輥光潔表面才能被復映到工件表面上。圖5為不同潤滑條件下帶鋼冷軋5個道次后的表面形貌。從圖5中可以看出:冷軋過程大部分處于邊界潤滑狀態,使用軋制乳化液進行潤滑后,板面出現缺陷的幾率明顯減少,而采用新型軋制乳化液潤滑的軋后板面質量也明顯比采用傳統軋制乳化液潤滑的軋后板面質量好得多,這表明納米添加劑發揮了較好的潤滑作用。

圖4 不同潤滑條件下軋后帶鋼表面粗糙度Fig.4 Roughness of strip after cold rolling under differen t lubrication conditions

圖5 不同潤滑條件下帶鋼冷軋5個道次后的表面形貌Fig.5 Surface appearances of strip after 5 passes under differen t lubrication conditions

3 結論

(1)采用經過表面改性的納米氮化硼粒子作為添加劑,可提高軋制乳化液的承載能力、改善其抗磨減摩性能。

(2)帶鋼冷軋過程中采用含納米添加劑的軋制乳化液進行潤滑,可有效降低軋制壓力和軋機功率,減少能耗,并且軋后帶鋼表面質量也有明顯改觀。

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