冷軋用水基納米潤滑液的研究

王 冰，孫建林

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京，100083）

促進節能減排是國家“十二五”規劃重點發展的趨勢，而鋼鐵行業的能耗已成為關注的焦點。目前，帶鋼冷軋過程中采用傳統乳化液進行工藝潤滑，雖然能夠減少摩擦磨損的發生［1－2］，但其中添加的油性劑、極壓劑、抗氧劑等使乳化液在排放過程中對環境造成污染，同時，冷軋時產生的油煙油霧也對現場工作人員造成一定的危害［3－4］，因此，研究水基環保軋制液具有重要意義。納米技術的不斷發展為解決上述問題提供了新的思路［5－9］。納米粒子具有優良的潤滑性能以及抗摩擦磨損特性，但大多作為添加劑應用在機械潤滑領域，而在軋制潤滑領域的應用目前還少有文獻報導。本文以蒸餾水為基礎，用三乙醇胺等將納米Fe2O3修飾后均勻分散在基體中，替代傳統極壓添加劑，通過四球摩擦和冷軋試驗，分別研究其摩擦學性能及潤滑特征，并對冷軋后帶鋼表面質量進行分析，初步研究了納米粒子在冷軋過程中的潤滑機理，以期為納米材料在冷軋潤滑中的應用提供理論指導。

1 試驗

1.1 水基納米軋制液的制備

水基納米軋制液由水溶性添加劑與無機納米粒子制備而成，其中納米粒子為機械球磨法制備出的納米Fe2O3粒子。采用JEM－2010高分辨透射電鏡對納米Fe2O3粒子的形貌和粒徑進行表征，結果如圖1所示。由圖1中可以看出，納米Fe2O3粒子的粒徑為20～60 nm，呈類球狀，由于顆粒表面能較高，偶爾出現團聚現象，但總體上分布較為均勻。

圖1 納米Fe2 O3的TEM照片Fig.1 TEM image of nano Fe2 O3

為了避免高表面能Fe2O3納米粒子的團聚，將化學分散（所用分散劑為聚乙二醇（PEG－4000）和脂肪醇聚氧乙烯醚等）與物理分散（超聲波分散20 min）兩種方法配合使用，并調整納米粒子與添加劑的配比，通過長時間加熱攪拌對Fe2O3進行表面修飾，冷卻后將其分散在水中，制備出體積分數為4%的水基納米軋制液，其中納米粒子含量為0.7%（質量分數）。

1.2 四球摩擦試驗

在MRS－10A四球摩擦磨損試驗機上進行水基納米軋制液摩擦學性能研究，所用鋼球為一級GCr15標準鋼球，直徑為12.7 mm，硬度（HRC）為61～65。試驗條件如下：載荷為392±5 N、轉速為1 200±5 r／min、時間為30 min。根據GB／T12583—1998測量軋制液的最大無卡咬負荷PB值。根據摩擦系數隨時間的變化計算出平均摩擦系數μ。在光學顯微鏡下對鋼球磨斑形貌進行觀察，分析納米Fe2O3的添加對水基潤滑液抗磨減磨性能的影響。

將水基納米軋制液與未添加納米Fe2O3粒子的水基軋制液和傳統商品乳化液（體積分數為4%）進行摩擦學性能比較。

1.3 冷軋潤滑實驗

采用φ95／200×200 mm四輥冷軋試驗機研究水基納米軋制液在冷軋過程中對軋制功率的影響，軋機功率為35 k W，軋制速度為60 r／min，所選帶鋼為IF鋼，其力學性能參數如表1所示。在試驗前及更換軋制液時，分別用浸有汽油、丙酮和酒精的棉紗擦洗輥面與帶鋼表面，并用干凈醫用棉擦干，以保證結果的準確性。記錄每道次軋制功率。

表1 IF鋼力學性能參數Table 1 Mechanical performance of IF steel

1.4 帶鋼表面分析

將不同潤滑條件下經過6道次軋制后的板帶鋼制作成6 mm×6 mm的試樣，放入含丙酮的燒杯中進行超聲波清洗，去除殘留軋制液，并用酒精擦拭干凈，通過光學顯微鏡觀察其表面形貌。

2 結果與討論

2.1 軋制液的摩擦學性能

添加了納米Fe2O3粒子的水基納米軋制液、未添加納米Fe2O3粒子的水基軋制液和乳化液的摩擦學性能比較結果如表2所示。由表2中可知，添加納米Fe2O3粒子后，水基納米軋制液的PB值大幅提高，與乳化液和水基軋制液相比分別提高約4%和19%；其摩擦系數大幅下降，比使用乳化液和水基軋制液時分別下降約20%和43%；同時磨斑直徑也比使用乳化液和水基軋制液時分別減小約14%和23%，表明納米Fe2O3的添加能夠有效提高軋制液的極壓潤滑性能。

圖2為使用不同潤滑液時摩擦系數與摩擦時間的關系曲線。由圖2中可見，使用乳化液時，摩擦系數隨時間的延長波動較大，這是由于在長時間的摩擦磨損過程中乳化液的油膜會出現破損，導致摩擦系數不穩定，平均摩擦系數為0.079；而使用水基納米軋制液時，摩擦系數由開始的0.075呈現先下降后緩慢升高的趨勢，最終得到平均摩擦系數為0.063，在此期間數值波動較小，較為平穩，總體上低于使用乳化液時的摩擦系數，這與納米粒子具有優良的抗磨減磨特性相對應。

表2 軋制液摩擦性能參數Table 2 Tribological property parameters of rolling liquids

圖2 摩擦系數與時間關系曲線Fig.2 Relationship between friction coefficient and time

圖3 磨斑形貌金相顯微照片Fig.3 Metallographic photo of wear scar morphology

圖3為四球摩擦試驗后鋼球磨斑的金相顯微照片。由圖3中可知，使用體積分數為4%的商品乳化液時鋼球的的磨斑直徑達到了0.58 mm，且邊緣處參差不齊，表明磨損較為嚴重；而使用水基納米軋制液時，鋼球磨斑邊緣部位較為圓整，中心區域的磨痕較淺，這是由于在長時間摩擦過程中，類球狀的納米粒子能夠有效鋪展在鋼球表面，形成類似“微軸承”的過渡區［10］，將局部的滑動摩擦變為滾動摩擦，從而有效減少了摩擦磨損的發生。

2.2 軋制液對軋制功率的影響

軋制過程中使用不同的潤滑液，所得各道次軋制功率變化曲線如圖4所示。由圖4中可以看出，采用工藝潤滑與無潤滑條件下，在第一道次軋制功率變化不大，而從第二道次開始工藝潤滑條件下軋制功率均有不同程度降低，尤其是采用水基納米軋制液時降低更為明顯，與無潤滑相比，其軋制功率降低了16.6%，與使用水基軋制液和乳化液相比，其軋制功率分別降低了13.4%和5.8%，表現出優良的軋制潤滑性能。另一方面，水基納米潤滑液在冷軋過程中不會產生油煙，可有效起到節能減排的作用。

圖4 不同潤滑條件下各軋制道次的軋制功率Fig.4 Rolling power for several rolling passes under different lubrication conditions

2.3 軋制液對帶鋼表面質量的影響

不同潤滑條件下軋制出的帶鋼表面形貌照片如圖5所示，表面粗糙度如表3所示。由圖5中可以看出，在無潤滑條件下，軋后表面存在大量劃痕，且深淺不一，分布雜亂，板面質量較差，這是由于帶鋼新生表面與軋輥直接接觸，導致帶鋼表面摩擦磨損；使用水基軋制液或乳化液潤滑時，帶鋼表面質量有了一定的改善，但仍然不可避免地與“硬質點”相接觸，在犁削的作用下產生細小的劃痕；結合表3可知，使用水基納米軋制液時，帶鋼表面質量明顯提高，這是由于高表面能的納米Fe2O3粒子能夠附著在帶鋼表面，改變原有摩擦狀態為滾動摩擦，有效降低了軋輥與帶鋼表面的直接接觸，減少了帶鋼劃傷的幾率，從而降低了表面粗糙度Ra值，輪廓最大谷深Rv值減小尤為明顯，表明納米粒子能夠填充在表面損傷處，“修復”表面缺陷，進一步減少磨損的發生［11］，提高帶鋼表面質量。

圖5 不同潤滑條件下帶鋼表面形貌照片Fig.5 Strip surface micro－photographs under different lubricating conditions

表3 帶鋼表面粗糙度Table 3 Surface roughness of the strip

在軋制過程中，對使用水基納米軋制液潤滑時軋制的帶鋼表面進行整體觀察，不存在明顯的宏觀缺陷，表面光潔度高，無油污殘留，由此也表明使用水基納米軋制液潤滑時軋制出的板帶鋼表面質量較高。

3 結論

（1）在水基軋制液中添加納米Fe2O3粒子能夠有效提高其摩擦學性能，水基納米軋制液的PB值達到了755 N，平均摩擦系數為0.063，分別比乳化液提高約4%和降低約20%；四球摩擦試驗中，使用水基納米軋制液時磨斑直徑降至0.50 mm，表現出其具有良好的抗磨減磨特性。

（2）在冷軋過程中，水基納米軋制液的使用降低了軋制功率，且無油煙排放，有效達到節能減排的效果。

（3）與乳化液相比，采用添加納米Fe2O3的水基納米軋制液潤滑時冷軋出的帶鋼表面劃傷少，且納米粒子能夠“修復”缺陷，減少軋制過程中磨損的發生，提高了帶鋼表面質量。

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