納米TiO2對(duì)銅板帶軋制乳化液摩擦學(xué)性能的影響

蔡文通，孫建林

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司潤(rùn)滑油研發(fā) （北京）中心，北京100085；2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

在冷軋銅板帶的生產(chǎn)過(guò)程中，一般都使用乳化液來(lái)進(jìn)行軋制潤(rùn)滑。在傳統(tǒng)乳化液中含有大量的基礎(chǔ)油及油性添加劑等［1］，這些物質(zhì)的存在使得軋制過(guò)程中的油霧污染嚴(yán)重，且含有芳烴類的乳化液容易誘發(fā)癌癥，對(duì)工人的身心健康造成很大危害。另外，為了增加乳化液的極壓潤(rùn)滑性能，傳統(tǒng)的乳化液常添加大量硫系極壓抗磨劑，含這些物質(zhì)的乳化液在廢液排放時(shí)會(huì)對(duì)水環(huán)境造成很大的污染［2］。納米TiO2粒子具有小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)以及低熔點(diǎn)等特性［3－5］，將其添加到軋制乳化液中，不僅能使乳化液具有良好的摩擦學(xué)性能，而且還可以修復(fù)破損的摩擦表面，同時(shí)，納米TiO2粒子的水性軋制液具有環(huán)境友好等特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境不造成污染。本研究選用納米TiO2作為軋制液添加劑，利用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和四輥冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)考察其摩擦學(xué)性能及對(duì)銅板帶的冷軋潤(rùn)滑效果，并初步探討其抗磨機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 納米TiO2的表征

文獻(xiàn)［6］報(bào)道，未經(jīng)修飾的TiO2納米粒子不能分散于非極性有機(jī)溶劑中，在水中卻有較好的分散性，因此本課題在對(duì)水基軋制液的研究中采用未經(jīng)修飾的納米TiO2粒子。利用JEM－2010型高分辨透射電鏡對(duì)納米TiO2的粒度和表面形貌進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，納米TiO2大多呈類球形狀，經(jīng)計(jì)算其單分散的顆粒粒徑約為10nm。

圖1 納米TiO2粒子透射電鏡照片

1.2 軋制液的配制

以可生物降解的環(huán)保型棕櫚油和中性油作為基礎(chǔ)油組分，添加除極壓抗磨劑外的其它功能添加劑，配制成基礎(chǔ)軋制乳化油，代號(hào)為ZL。將極壓抗磨劑加到基礎(chǔ)軋制乳化油樣品中，添加量為18%～25%，代號(hào)為ZL＋Co。利用KQ－50E型超聲波分散儀，將未經(jīng)修飾的納米TiO2粒子分散到基礎(chǔ)軋制乳化油樣品中，添加量為16%～24%，代號(hào)為ZL＋Nano。以水為稀釋劑，將兩種軋制乳化油配制成體積分?jǐn)?shù)為5%的乳化液，其中ZL＋Nano軋制乳化油配制的軋制乳化液中納米TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%。

1.3 軋制液的四球機(jī)摩擦學(xué)性能測(cè)試

在MRS－10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，采用GB/T 12583—1998方法測(cè)定軋制乳化液的最大無(wú)卡咬負(fù)荷（PB值）和摩擦系數(shù)，評(píng)價(jià)各軋制乳化液的承載能力。在載荷為（392±5）N、轉(zhuǎn)速為（1 200 ±5）r/min的條件下，進(jìn)行60min的摩擦磨損試驗(yàn)，用四球試驗(yàn)機(jī)附帶的軟件計(jì)算軋制液的平均摩擦系數(shù)。采用德國(guó)產(chǎn)NEOPHOT－2型光學(xué)顯微鏡測(cè)量鋼球磨斑直徑，以比較兩種軋制乳化液的抗磨減摩性能。所用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的一級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑為12.7mm，硬度為61～65HRC。

1.4 銅板帶冷軋?jiān)囼?yàn)

采用Φ95mm/Φ200mm×200mm四輥冷軋?jiān)囼?yàn)軋機(jī)測(cè)試銅板帶最小可軋厚度，軋制速率為60r/min，所用銅板為常州某銅廠生產(chǎn)的H68黃銅板帶，規(guī)格為150mm×50mm×1mm。軋制前分別用浸有汽油、丙酮和酒精的棉紗擦洗輥面，再用干凈醫(yī)用棉擦干，銅板帶試樣用同樣的方法擦洗干凈。軋制前，將軋制液噴射到軋輥上，空轉(zhuǎn)幾周，待軋制液均勻分布在輥面后再開(kāi)始進(jìn)行軋制試驗(yàn)。軋制時(shí)，將軋制液均勻噴射到軋輥和軋件表面，用千分尺測(cè)量銅板帶的初始厚度和每次軋后厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 軋制液的摩擦學(xué)性能

PB值用來(lái)表征軋制液的承載能力［7］，而PB值結(jié)合摩擦系數(shù)可以很好地反映軋制乳化液的極壓性能和抗磨減摩性能。分別使用ZL＋Co和ZL＋Nano進(jìn)行四球摩擦磨損試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)的平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出：添加納米TiO2粒子的軋制乳化液的PB值達(dá)到755N，摩擦系數(shù)為0.069，比不添加納米TiO2粒子的傳統(tǒng)軋制乳化液分別提高5.44%和減小5.48%。表明添加納米TiO2粒子的軋制乳化液具有優(yōu)良的極壓抗磨性能和負(fù)荷承載能力，能夠有效地提高軋制乳化液的綜合摩擦學(xué)性能。

表1 兩種軋制乳化液的極壓抗磨性能

ZL＋Co和ZL＋Nano軋制液潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，兩種軋制液潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)有所不同。ZL＋Nano軋制液潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)較低，隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。原因可能在于納米微粒的粒徑小、表面能高、熔點(diǎn)低，在摩擦過(guò)程中可在摩擦副的接觸表面形成摩擦化學(xué)反應(yīng)膜和吸附膜。

圖2 摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

兩種軋制乳化液潤(rùn)滑下長(zhǎng)磨60min后的鋼球磨斑形貌顯微照片見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：傳統(tǒng)軋制乳化液潤(rùn)滑后，形成的邊界潤(rùn)滑油膜不完整，導(dǎo)致磨斑形貌的邊界比較凌亂，劃痕也比較深，而采用添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤(rùn)滑后的磨斑邊界整齊、劃痕淺和磨斑半徑較小，這與納米TiO2粒子良好的減摩、抗磨及極壓性能相對(duì)應(yīng)。在摩擦過(guò)程中，軋制乳化液中的納米TiO2顆粒可沉積在摩擦副的接觸表面凹陷處，起到填平修復(fù)作用，同時(shí)隨著摩擦的進(jìn)行，納米TiO2顆粒在摩擦表面局部或瞬時(shí)高溫作用下處于熔化或半熔化狀態(tài)，在摩擦副表面的潤(rùn)濕性增強(qiáng)［8］，最終形成含納米TiO2的保護(hù)膜，從而阻止摩擦副表面間的直接接觸，減輕摩擦磨損。對(duì)使用添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤(rùn)滑下鋼球表面進(jìn)行EDS圖譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，在鋼球表面有Ti元素存在，這也證明了駐留在磨痕表面的納米TiO2粒子起到了修復(fù)缺陷和微裂紋的作用。

圖3 鋼球表面磨斑形貌顯微照片

圖4 試驗(yàn)后鋼球表面的EDS圖譜

2.2 軋制乳化液在銅板帶冷軋中的潤(rùn)滑性能及軋件軋后表面形貌分析

軋制力和極限壓下率是銅板帶冷軋過(guò)程中的兩個(gè)重要參數(shù)，其值的大小直接反映了軋制過(guò)程中能耗的高低和軋制液潤(rùn)滑性能的好壞。圖5為分別采用干軋、傳統(tǒng)軋制乳化液和添加納米TiO2粒子的軋制乳化液3種潤(rùn)滑狀態(tài)下，軋件在軋制過(guò)程中的實(shí)測(cè)軋制力和壓下率之間的關(guān)系曲線。從圖5可以看出，相同的壓下率時(shí)，添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤(rùn)滑條件下的軋制力比干軋和傳統(tǒng)軋制乳化液潤(rùn)滑條件下的軋制力低，最大降幅分別可達(dá)29.3%和10.3%，軋機(jī)能耗明顯降低。表明添加納米TiO2粒子的軋制乳化液具有較好的軋制潤(rùn)滑性能，完全能夠替代傳統(tǒng)乳化液。

圖5 不同潤(rùn)滑條件下軋制力和壓下率的關(guān)系曲線■—干軋；●—ZL＋Co；▲—ZL＋Nano

不同軋制液潤(rùn)滑條件下的銅帶軋后表面形貌照片見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：在干軋條件下，由于在軋制過(guò)程中不能形成有效的邊界潤(rùn)滑膜，導(dǎo)致軋輥和軋件表面直接接觸，引起黏輥或磨粒磨損，軋后帶鋼板面紋理粗糙、光潔度差；使用傳統(tǒng)乳化液潤(rùn)滑時(shí)，在軋制過(guò)程中可以形成極壓潤(rùn)滑膜，從而減小摩擦、降低磨損、提高軋制產(chǎn)品板面平整度和光潔度；使用添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤(rùn)滑時(shí)，納米TiO2粒子和油酸在軋制過(guò)程中形成穩(wěn)定的邊界潤(rùn)滑膜，其效果如同傳統(tǒng)乳化液的極壓潤(rùn)滑膜，并且在冷軋過(guò)程中的高負(fù)荷下，納米TiO2粒子能在軋件表面鋪展壓合，對(duì)軋件表面的缺陷和微裂紋起到修補(bǔ)作用，從而使得板面質(zhì)量有進(jìn)一步的提高。

圖6 不同軋制液潤(rùn)滑條件下的銅帶軋后表面形貌照片

3 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)軋制乳化液相比，添加納米TiO2粒子的軋制乳化液的PB值提高5.44%、摩擦系數(shù)減小5.48%，具有優(yōu)良的極壓抗磨能力和負(fù)荷承載能力，綜合摩擦學(xué)性能提高。

（2）在水性軋制液中添加納米TiO2粒子能有效降低軋制過(guò)程中的實(shí)測(cè)軋制力，提高極限壓下率，其軋制潤(rùn)滑效果優(yōu)于傳統(tǒng)乳化液。

（3）水性軋制液中的納米TiO2粒子能形成牢固的邊界潤(rùn)滑膜和對(duì)表面缺陷進(jìn)行修復(fù)，可提高銅板帶軋后表面質(zhì)量。

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