汽車板冷軋乳化液潤滑技術的發展

孫建林，程紫旋

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083）

2017年，國內汽車生產量總計已超過了2 900萬輛，其中鋼鐵材料占到了汽車用材的70%～80%。汽車板除了對鋼的強度、延展、耐蝕、焊接等性能有嚴格要求，還對表面質量有著非?？量痰目刂埔螅绫砻婢鶆蚬饣瑹o孔洞、凹坑、銹斑、擦劃傷和壓痕等缺陷。其冷軋后表面質量的優劣，直接影響到下道工序對表面進行的后續處理，包括涂油、鍍鋅、磷化、鈍化、耐指紋、彩涂等工藝［1］。而冷軋潤滑狀態對軋后表面質量至關重要，若冷軋過程乳化液潤滑工藝設置不當，會導致軋后表面出現諸如黑斑、乳化液斑、銹斑等表面缺陷［2］。隨著用戶對表面質量要求的提高，冷軋潤滑已成為鋼鐵企業提高產品表面質量的一個關鍵技術。

1 乳化液的性能要求

表面質量是衡量板帶鋼質量水平的重要方面，對汽車板尤為重要［3］。冷軋汽車板產品必須滿足兩方面最重要的基本質量精度檢驗指標：一是幾何精度，包括板厚精度、板凸度、平直度、平坦度和平面形狀；二是表面質量精度，包括表面缺陷控制、粗糙度、紋理形貌和清潔度［4］。冷軋潤滑狀態對汽車板的幾何精度和表面質量精度都有很大影響，如生產中出現的軋機振顫、熱劃傷和復雜浪形等問題，都和冷軋潤滑狀態有直接關聯，潤滑狀態對軋件、軋制工藝和軋輥的影響如表1所示。

表1 潤滑狀態對軋件、軋制工藝和軋輥的影響

乳化液除了要滿足其工藝要求外，往往還要實現多種功能，而這些要求可能是矛盾或相互制約的，因此選擇乳化液要多方面權衡利弊，乳化液的主要功能要求如下：

（1）潤滑性能好，能夠有效降低或調控摩擦系數。

（2）冷卻能力強，具有較高的導熱系數和傳熱系數。

（3）性能穩定，在高溫、高壓環境下循環使用不變質，潤滑效果不變，具有較長的使用周期。

（4）使用方便，作為乳化液應在乳化溫度、時間、水質等方面無特殊要求，乳化液管理維護方便，破乳方法簡單。

（5）清凈性強，在使用過程中能隨時帶走軋輥和板帶表面的磨削和粉塵，軋后板面無油漬，退火后表面無油斑。

（6）防銹性好，能有效地防止與其長期接觸的軋機與板帶材銹蝕。

（7）無毒、無味，排放或者板帶材表面殘留物符合環保要求。

為了使乳化液滿足工藝潤滑和另一些特定的要求，需要在配方中引入一些有特定功能的成分［5］，這會使乳化液的配方變得相對復雜，典型冷軋乳化油的成分見表2。

表2 典型冷軋乳化油的成分（質量分數） %

2 乳化液軋制潤滑機理及其影響因素

2.1 乳化液潤滑機理

針對乳化液在冷軋過程中的潤滑機理，目前主要存在 Plate-out和Dynamic concentration兩種理論。這兩種理論分別對乳化液中油滴在金屬表面的捕獲、吸附成膜以及入口處的動態濃度變化作出了很好的解釋。

Plate-out理論［6］認為，乳化液的潤滑效果主要取決于進入軋制變形區前，乳化液中的油滴顆粒在金屬表面的吸附情況，其與油滴從乳化液中析出并吸附于金屬表面形成油膜的難易程度有關。Plate-out油膜形成示意圖如圖1所示。

圖1 Plate-out油膜形成示意圖

Dynamic concentration 理論［7］指出，在供給區域，乳化液中油滴相互獨立存在，在濃度集中區域，由于乳化液的油水分離，越來越多的水相隨著輥縫的進一步減小被擠壓出來，乳化液中的油相濃度逐漸增大，乳化液將由O/W型逐漸轉換成W/O型，在增壓區域，乳化液里的水相基本被擠壓完全，只有少量的細小水滴被包裹在油相里，乳化液會在帶鋼和軋輥表面形成連續的油膜，防止軋輥和帶鋼的直接接觸，以起到抗磨減摩的作用［8］。軋制入口區乳化液潤滑區域劃分見圖2。

圖2 軋制入口區乳化液潤滑區域劃分

2.2 影響乳化液潤滑性能的主要因素

在實際生產中，軋制潤滑條件復雜，影響乳化液潤滑性能因素眾多。了解乳化液的使用性能的影響因素并合理控制，對提高其軋制潤滑效果，改善軋后表面質量十分重要，下面簡述了影響乳化液潤滑性能的幾個因素。

（1）濃度

乳化液濃度質量分數一般控制在1.5%～5.0%，根據軋件的不同，乳化液有不同的適中值。濃度高，離水展著量增大，油膜厚度增加，容易出現過潤滑，造成軋件和軋輥之間打滑，板形不良，同時軋件表面乳化液殘留也會過高，增加乳化液消耗，提高了生產成本；濃度低，則離水展著量減少，會導致潤滑不足，容易產生熱劃傷，造成軋后帶鋼表面發黑等問題［9］。在使用過程中，軋制變形區內溫度急劇升高，對乳化液的濃度變化產生影響，進而影響潤滑性能。乳化液皂化值在合理區間時，其濃度值判定方可認為有效，如液壓油的泄漏也會造成乳化液濃度檢測值的變化。

（2）pH 值

乳化液的pH值一般呈弱酸性，穩定在4.5～7.0范圍內，過酸性或者過堿性對乳化液性能都有不利影響。乳化液pH值過低，乳化液粒徑偏大，穩定性降低，導致乳化液有效濃度降低，從而增大了摩擦系數，使乳化液潤滑效果減弱；但乳化液pH值過高，容易發生皂化，甚至形成鐵皂，鐵皂值不斷增加會造成軋后表面臟污。

新配制的乳化液pH值呈弱堿性，在軋制使用過程中，pH值不斷下降，最后達到平衡，乳化液pH值變化情況如圖3所示［10］。此外，細菌也會引起pH值下降，特別是停機不使用乳化液時，這種情況經常發生，乳化液受到細菌侵害后，會散發出難聞的氣味。

圖3 乳化液pH值變化情況

（3）電導率

一般情況下電導率會隨著軋制周期的延長而緩慢上升。電導率過高，使pH值升高，生成鈣皂、鎂皂，破壞乳化液體系，導致乳化液的潤滑性能下降。電導率不僅與水中的鈣、鎂等離子含量有關，也與乳化液系統循環過濾有關。軋制乳化液電導率的分布與鐵含量有直接關系。鐵含量過高容易和 H+、 OH-、 Cl-、 SO42-結合， 而不容易與 Ca2+、Mg2+及有機酸結合。

（4）鐵粉含量

乳化液中鐵粉會破壞乳化液的穩定性，惡化乳化液的潤滑性能，導致軋后表面質量差，引發嚴重的生產事故，同時鐵粉會與乳化液中油分反應，生成軋制油泥［11］。油泥粘度大，處理困難，易粘附在軋件和軋輥表面，腐蝕生產設備，大大降低了軋件的軋后表面質量，造成巨大的資源浪費和環境污染。盡管現場采用的乳化液過濾系統盡可能地過濾掉了乳化液中的鐵粉顆粒，但依然有大量的鐵粉殘留其中對乳化液潤滑性能造成影響。

隨著近年來“微納米顆粒潤滑”和“液-固二相流體潤滑”理論的發展，研究發現，在乳化液中添加一定粒徑大小和含量的固體顆粒能夠有效提高乳化液的油膜強度，降低摩擦系數，改善乳化液的潤滑性能［12-14］。而粒徑較小的鐵粉顆粒進入乳化液體系后即類似于“液-固二相流體”，鐵粉顆?？梢云鸬轿⒓{米顆粒添加劑的作用，對乳化液的綜合潤滑性能產生積極影響。企業可以通過控制乳化液中鐵粉，達到提高乳化液潤滑性能的目的。

尺寸較小的鐵粉在軋輥和軋件之間產生相對運動，由于其尺寸小，在變形區以滾動運動的方式減小摩擦系數，與軋件的相對運動能夠對軋件表面的凸峰進行拋光磨削。越往接觸區運動，鐵粉逐漸聚集，鐵粉濃度增大，拋光磨削作用越明顯［15］。因此，軋件表面的凸峰逐漸被磨削而變得平坦，軋件的粗糙度降低而表面質量得到提高。小尺寸鐵粉在軋制變形區作用機理分析示意圖見圖4。

圖4 小尺寸鐵粉在軋制變形區作用機理分析示意圖

3 乳化液對冷軋板帶表面質量影響的控制

3.1 冷軋潤滑效果評價指標

采用乳化液進行冷軋潤滑時，需要對乳化液的使用效果進行檢測評價，現場常見評價指標包括軋后反射率、殘油、殘鐵、油耗、銹蝕及軋輥損耗等，由于軋制工藝與產品不同，如連軋、單機可逆，或者光輥、毛輥等，相關評價指標也有較大變動。根據普遍使用的乳化液產品應用效果及現場對冷軋板帶表面質量的一般要求，表征冷軋乳化液潤滑效果的常見指標與范圍見表3。

表3 冷軋乳化液潤滑效果常見評價指標與范圍

3.2 冷軋板帶常見問題與解決方法

在冷軋過程中，乳化液參數、軋制工藝參數、設備工況、軋輥狀態、退火工藝、平整工藝等任何一個情況發生變化，都會對軋件的表面質量產生影響。一旦出現問題，首先要分析產生問題的原因，是出自乳化液系統、軋制工藝參數還是軋機工況（如液壓、電力、機械故障等），有的放矢地提出正確解決方案。常見的冷軋板帶潤滑表面問題如下［16-18］：

（1）熱劃傷

熱劃傷產生原因主要包括乳化液濃度過低、輥溫過低或異物進入軋機等，導板或開卷帶鋼之間摩擦也會導致熱劃傷缺陷的產生，提高乳化液濃度、預熱軋輥、酸洗涂油或增大軋制張力可以避免熱劃傷的產生。

（2）乳化液斑

乳化液斑是由軋件表面殘留的O/W型乳化液濃縮形成W/O型乳化液引起的，若軋件表面出現乳化液斑缺陷，可以通過增加軋機吹掃壓力、減少雜油含量或改善存放條件來減少乳化液斑的產生。

（3）銹蝕

乳化液濃度過低、酸值過高或鋼板表面鐵粉含量增加，容易導致銹蝕缺陷的產生，出現銹蝕缺陷后，應檢測乳化液濃度、pH值、氯含量、鐵粉過濾裝置等，并及時進行調整。

（4）碳化邊

如果連軋機組末機架乳化液濃度偏高，加之出口吹掃效果不佳，或者乳化液中雜油含量高等，將會導致軋后板面殘油量較高，在退火時易在軋件表面形成碳化邊，同時退火制度設計和氣氛控制也對碳化邊缺陷的形成有很大影響。

（5）其他

乳化液泡沫多、生長霉菌等因素也會導致軋后表面質量變差，在使用乳化液進行軋制潤滑時，按照乳化液的使用管理規程，對乳化液的各項指標進行定期檢測，從而減少由于乳化液系統問題而產生的軋件表面缺陷。

3.3 冷軋潤滑效果對汽車板后續涂鍍質量的影響

在汽車板后續表面處理過程中，鋼板的化學成分、平整工藝、熱處理工藝等都會對涂鍍質量產生重要影響。除此之外，乳化液潤滑不當造成的軋后表面質量問題也會影響其涂鍍效果。

（1）表面缺陷和表面粗糙度

由于軋制潤滑不當而在軋后表面產生劃傷、凹坑、粗糙度大小與分布不均等缺陷，在合金化過程中，缺陷處的Fe-Zn合金與正常部位的鋅反應并生長，使缺陷處Fe-Zn合金的生成量增加［19］，在退火時改變了冷軋鋼板合金元素的富集狀態，從而影響鋼板的可鍍性。此外，軋后表面粗糙度越大，涂鍍越容易，但消耗的涂鍍層金屬量也越大。

（2）表面清凈性

隨著冷軋乳化液中基礎油含量的提高，粘度的增大，在預熱爐中殘留在帶鋼表面的乳化液越不易被除盡，熱鍍鋅時干擾正常Fe-Zn合金層的形成，從而惡化鍍層的粘附性能。

（3）帶鋼表面張力

根據Young方程（式1），熱鍍鋅時，帶鋼表面張力會影響液態鍍層金屬在帶鋼表面的潤濕鋪展，從而對涂鍍效果產生影響。

式中，γsg為固體的表面張力，N/m；γsl為固液界面的界面張力，N/m；γlg為液體的表面張力，N/m。

液體在固體表面接觸角示意圖如圖5所示，其中，θ為液體表面切線與固液界面的夾角；h為液滴高度；d為固液接觸面直徑。帶鋼的表面張力越大，液態鍍層金屬在鋼板表面的接觸角越小，越有利于其在鋼板表面的鋪展，從而提高涂鍍效果。

圖5 液體在固體表面接觸角示意圖

3.4 乳化液的應用與發展趨勢

國內對乳化液潤滑的研究工作己經取得了一定的研究成果。例如：油品配方,油膜厚度計算與控制，添加劑的作用，鐵粉對乳化液使用的影響以及潤滑系統的研究等。目前冷軋乳化液的發展呈現如下趨勢：

（1）改變乳化體系

除了對新型的油性劑、極壓劑、抗氧化劑等添加劑的作用機理進行研究外，也有將重心放在更具體、更有效的改變乳化體系工作上，通過對復配型乳化劑進行進一步研究，探索乳化液體系的轉變。

（2）改良冷軋乳化液的性能

主要是研究乳化液的皂化值，酸值等與軋制工藝的匹配關系，還有冷軋油的成分對防銹性、退火清凈性、抗氧化性和潤濕性等的影響。

（3）延長乳化液使用壽命

乳化液可循環使用，但使用一段時間后，如果不妥善管理，就會出現變質發臭的現象，變質的乳化液會造成軋件銹蝕，影響軋后的表面質量，還會腐蝕潤滑系統，污染環境，導致不得不經常更換新的乳化液。因此，延長乳化液的使用壽命具有重要意義。

（4）環保安全

2015年1月1日，新環保法開始實施，加大了對違法排放的處罰力度［20］。響應國家節能減排及環保方面的政策，開發環境友好的乳化液是今后軋制潤滑液發展的一個重要方向。

4 結語

近年來，隨著用戶對冷軋汽車板表面質量要求的不斷提高，乳化液的潤滑作用日益顯著。在冷軋過程中，乳化液潤滑效果控制一直是困擾高表面質量鋼板生產的難題。為了高效、經濟地控制冷軋汽車板的表面質量，必須對冷軋乳化油進行深入研究，通過制備新型環保乳化液，并優化使用與管理，精準控制潤滑效果，以保證冷軋生產平穩高效進行，改善和提高冷軋汽車板表面質量。