金屬加工液潤滑成膜性能研究

李小剛，丁芳玲，李彤

(中國石油潤滑油公司昆侖潤滑檢測評定中心，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

金屬加工液又稱金屬加工潤滑劑，是指用于金屬及其合金切削、沖壓、軋制和拉拔等各種加工過程中所使用的潤滑劑，是金屬加工過程重要的配套材料[1]。金屬加工液的主要作用是潤滑、冷卻、防銹和清洗，它的使用可提高加工表面光潔度，延長刀具使用壽命，提高生產效率[2]。金屬加工液由基礎組分與添加劑組成。基礎組分是金屬加工液的主要成分。對于乳化液、微乳液是指基礎油，對于合成液是指用量較大的聚醚、合成酯或水等主要成分[3]。我國金屬加工液高檔油品較少，主要依靠進口，國內產品質量與國外油品有一定差距。此外高檔油進口原因有以下幾點：(1)引進設備的國內企業難以接受國產替代油，擔心油品質量達不到技術要求，損毀大型設備，給企業造成嚴重的經濟損失；(2)雖然在理化指標方面與進口油的質量水平相當，但由于缺少與現場實際工況相對應的模擬試驗和臺架試驗，所以抑制了我國金屬加工液的發展。因此開發相關的模擬試驗方法可以促使金屬加工液的發展。

金屬加工的潤滑與一般的設備潤滑有所不同。普通的設備潤滑都是在摩擦副表面上反復運動建立起來的，而金屬加工的潤滑則總是在工件不斷產生的新生表面上進行。因此，金屬加工的潤滑相對普通設備的潤滑更為苛刻，對潤滑功能的要求也要高一些[4]。金屬加工液潤滑性的實驗室評價方法多種多樣，每一種都有其特有的優缺點，常見的有：V型塊測試法、四球法及環塊測試法[5]。這些方法評價金屬加工液的極壓抗磨性能較為有效，但是油品的極壓抗磨機理還是和油品在金屬表面形成的油膜厚度有關。邵騰飛，魏朝良[6]等人采用SRV試驗機試驗過程中的摩擦系數和電阻值來反應含硫劑的油膜厚度和潤滑性能，之前有學者采用電阻法、電容發和光干涉法測量軋制變形區油膜厚度[7-9]。為實現對金屬加工液潤滑成膜性能研究，選用鋼廠冷軋機組為研究對象，通過模擬其實際工況研究并建立評價金屬加工液潤滑成膜性能的方法。本文以英國PCS公司生產的EHD油膜厚度試驗機為平臺，以國內某鋼廠在用軋制油為參比油A、B，自主研制軋制油為參比油C進行模擬試驗方法的研究建立工作，并應用建立的方法研究不同配方體系金屬加工液潤滑成膜性能。

1 EHD油膜厚度試驗機簡介

EHD油膜厚度測量儀是由英國PCS公司生產的專門用于測定潤滑劑在彈性流體潤滑區域的油膜厚度和牽引系數。測量精度能夠準確到1 nm，可以測量在任意滾滑比從0(純滾動)至100%(純滑動)條件下的油膜厚度和牽引系數。測定的潤滑性能是在鋼球和旋轉的鋼盤玻璃盤之間形成的潤滑區域。接觸壓力和剪切速率模擬了實際運行工況下的齒輪、滾動軸承和凸輪的運動形式。試驗機照片見圖1。

圖1 EHD油膜厚度試驗機

1.1 EHD油膜厚度試驗機控制參數(見表1)

表1 試驗機控制參數

1.2 EHD油膜厚度試驗機工作原理

試驗玻璃盤與試驗鋼球以一定的速度進行運轉，試驗鋼球通過加載裝置施加在試驗玻璃盤上一定的負荷，試驗鋼球通過滾動將試驗油品卷吸入與試驗玻璃盤接觸區，而從試驗鋼球與試驗玻璃盤接觸區正上方顯微鏡發出的白色光源通過玻璃盤照射到與鋼球接觸區；部分光通過鍍Cr層反射回去，部分光通過SiO2涂層和油膜后由鋼球表面再反射回去；反射回去的光重新組合成一個干涉圖像進入光譜儀，然后進入CCD相機，通過軟件處理表征出油膜厚度。

2 模擬試驗方法研究

2.1 參比油簡介

本文研究所選用的參比油A、B來自國內某鋼廠在用油，參比油C為自主研制油。三種參比油的理化性能參數如表2所示。

表2 參比油理化性能參數

2.2 確定模擬試驗條件

根據對鋼廠現場軋制工況的調研，經研究確定的模擬試驗條件為：試驗油溫60 ℃、試驗速度0～3 m/s。

2.3 參比油試驗結果

2.3.1 參比油試驗結果

在確定的模擬試驗條件下對參比油A、B、C進行試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 參比油A、B、C試驗結果

從圖2可以看到：隨著速度的增大，油膜厚度是增厚的，因為試驗鋼球和盤之間的卷吸速度也增大，而卷吸速度是形成潤滑油膜的必要條件，因此油膜厚度隨著速度的增大而增厚[14]。同時在高速下，三種參比油的油膜厚度從大到小依次是參比油C、參比油B、參比油A，結合三種參比油的黏度可以理解為高速下潤滑油成膜影響因素主要為黏度。參比油C在整個試驗過程中油膜厚度均較參比油A、B的厚，也說明了自主研發的參比油C的潤滑成膜性能較好。在低速下的油膜厚度參比油C較厚，而參比油A、B基本一致，結合邊界混合潤滑原理以及三種參比油中的添加劑元素P的含量，說明參比油C在低速下潤滑油膜較厚主要是其配方體系中含量較高的P在低速下有增膜的作用。

2.3.2 參比油配制的軋制液試驗結果

水基金屬加工液于40年代問世，由于其具有油基液難以比擬的冷卻特性及低廉的成本而得到了迅速發展[10]。軋制液屬于水基金屬加工液中的一種，是在金屬軋制過程中起潤滑、冷卻、清洗作用的金屬加工液[11]。它可以增加軋制金屬過程中的滲透性，提高了冷卻和潤滑效果，同時避免了處理廢液的難題，且可根據金屬加工工況調節金屬加工液的用量，達到最佳潤滑效果[12]。隨著鋼廠軋制速度的不斷提高，軋輥溫升增加，迫切要求解決軋輥的冷卻問題，因此出現了兼有潤滑和冷卻作用的乳化液潤滑來代替純油潤滑。

2.3.3 參比油配制的軋制液變速試驗結果

本文將參比油A、B、C配制的一定濃度的軋制液作為參比油D、E、F，在研究建立的試驗方法中進行試驗。將試驗速度恒定、油溫升高到100 ℃進行試驗，研究不同配方體系軋制液的增膜性能。具有增膜效果的軋制液能改善軋制過程中軋件的前滑作用，前滑會影響軋輥對軋件表面的拋光作用，進而影響板材軋制后的質量[5]。參比油D、E、F的試驗結果如圖3所示。

圖3 參比油D、E、F試驗結果

從圖3的試驗結果可以看到參比油F有明顯的增膜效果，這一現象也和圖2中參比油C在低速下的增膜效果一致，因為參比油F是參比油C按一定濃度調制的軋制液。而這一增膜現象主要是由于其配方體系中P系添加劑所致，也說明P系添加劑軋制油在低速下具有增膜的效果，有利于降低軋制油在邊界混合潤滑狀態的磨損。

2.4 參比油極壓性能試驗結果

為了能更好地說明本文研究建立的模擬試驗方法的效果，我們將參比油A、B、C在Falex V型塊試驗機上進行極壓性能的測試。Falex V型塊試驗機因其摩擦副與板材軋制過程接觸形式相近而被廣泛應用于軋制油品的研發中。本文采用SH/T 0187-92標準方法(B法)。將鋼制的試驗軸浸沒在試驗油中，被兩個靜止的V形塊夾住，以(290±10) r/min旋轉。通過棘輪機構給V形塊施加負荷(初始負荷2224 N，以1112 N增量逐步加載)，在每個負荷增量后要恒定1 min，所得到的試驗失效負荷值是判斷極壓性能水平的標準。三種參比油實驗結果如圖4和表3所示。

表3 參比油極壓性能測試結果

圖4 參比油極壓性能測試摩擦系數對比

摩擦系數突變增大代表極壓性能失效，如圖4中參比油A、B，而參比油C摩擦系數一直平穩且無突變增大，并且其極壓性能結果大于設備極限值13344 N，也說明了其良好的極壓性能。

2.5 參比油摩擦系數試驗結果

將參比油A、B、C在Falex V型塊試驗機上進行摩擦系數的測試，采用SH/T 0201-92標準方法。將鋼制的試驗軸浸沒在試驗油中，被兩個靜止的V形塊夾住，以(290±10) r/min旋轉。給V形塊施加負荷(1334 N)，運行15 min，過程中監測試驗軸旋轉的摩擦系數變化情況。三種參比油試驗結果如圖5、表4所示。

表4 參比油摩擦系數測試結果

圖5 參比油摩擦系數對比

從表4和圖5的結果可以看到，三種參比油摩擦系數比較平穩，其中參比油C的摩擦系數居于參比油A與參比油B之間。孫建林在軋制工藝與潤滑技術中提到：軋制液可以改善軋輥與板材之間的摩擦情況，摩擦系數過高會導致軋件咬入不正常，從而影響軋制后軋件的質量問題；摩擦系數過低會導致軋件咬入困難，軋輥打滑；適當的摩擦系數不僅可以保證軋件的正常咬入還能降低軋件的磨損及軋制力，可以達到節約能耗的功效[13-15]。因此，研制的參比油C從綜合角度體現出優良的軋制潤滑效果。

3 結論

(1)以英國PCS公司的EHD油膜厚度試驗機為試驗平臺，模擬鋼廠板材軋制過程工況，自主研究建立的模擬評定方法能較好地區分出潤滑成膜性能較好金屬加工液，為油品研發提供一定的數據支撐；

(2)相同黏度級別的油品，P系添加劑含量較高的油品在低速下的油膜厚度較厚；

(3)將參比油調制成同濃度的軋制液，P系添加劑含量較高的軋制液的增膜效果較明顯；

(4)以EHD油膜厚度試驗篩選出的軋制油C在Falex V型塊試驗中也驗證了其良好的極壓性能。