材质对轧制油润滑性的影响研究

王康健 李云静 姜正连 马江波

摘要:采用了一种新型往复式摩擦磨损试验机,对轧制油在不同材质表面上的润滑性进行了研究。实验结果表明,材质硬度对轧制油的润滑性能有一定的影响:随着材质硬度的增加摩擦系数有所增加;在一定温度范围内,随着温度的升高,润滑油在不同的材质表面的摩擦系数均有所下降,且随温度的升高,材质对摩擦系数的影响有所增加;对于不同材质,不同品种的轧制油的差异不同。对比不同轧制工艺的镀锡板及汽车板,发现镀锡板的摩擦系数略高于汽车板,说明在轧制规程和轧制油相同的情况下,镀锡板轧制所需的润滑比汽车板高,因此,镀锡板轧制比汽车板轧制需要具有更高润滑能力的轧制油。

关键词:轧钢;摩擦系数;轧制油;润滑性

中图分类号:TE626.39 文献标识码:A

Study on the Effect of Steel Strip Material on the Lubricity of Rolling Oil

WANG Kang-jian1, LI Yun-jing2, JIANG Zheng-lian1, MA Jiang-bo2

(1. Baoshan Iron & Steel Co.,Ltd, Shanghai 200941, China;2. Quaker Chemical (China) Co., Ltd, Shanghai 201700,China)

Abstract:The lubricity of rolling oil on the surfaces of different materials was studied with Reciprocating Lubrication Tester. The results showed that the material hardness has some effect on the lubricity of rolling oil: The friction coefficient increases with the hardness; Within a certain temperature range, all friction coefficients of the rolling oil on different material surfaces decrease as temperature increases, and the higher the temperature, the more effect the material on the friction coefficient; For different materials and different kinds of rolling oils, the effects are different as well. The tin-plate steel and sheet rolling steel obtained with different rolling processes were compared, it was found that the friction coefficient of tin-plate steel is higher than that of sheet rolling steel, indicating that the tin-plate rolling process needs more lubrication than the sheet rolling steel under the conditions of the same rolling process and rolling oil. So, the tin-plate rolling process needs a rolling oil with better lubricity compared to the sheet rolling steel process.

Key words:steel rolling; friction coefficient; rolling oil; lubricity

0 前言

钢板的化学组分会影响其力学性能从而影响钢板的摩擦学性能。钢板表面的各类元素含量的多少,以及所处的价态、细微结构都会影响到钢板表面的力学性能,从而影响摩擦学性能。如,含碳量的增加会提升屈服强度、拉伸强度、硬度和脆性;锰含量的增加会提升硬度和强度,从而影响钢板的摩擦学性能。摩擦表面的硬度和材质对边界润滑的影响较大,基础油的选择对边界润滑的影响起着决定性的作用,润滑添加剂对边界润滑的作用亦不可忽视。D.A. Rigney[1]研究了材料硬度对其摩擦磨损性能的影响,结果表明硬度对材料摩擦磨损性能的影响是十分复杂的,材料的硬度随温度、滑动速度以及化学环境的不同而有所变化,材料硬度的变化可以影响其摩擦磨损行为。摩擦条件对轧制过程具有多方面的影响。目前对摩擦条件的研究,最终都归结为对摩擦系数的研究。摩擦系数的大小,与轧件和轧辊的化学成分与表面状态、变形量、轧制速度和润滑状态等一系列因素有关,因此,研究不同材质对轧制油摩擦系数的影响是非常有意义的。

1 实验仪器及实验条件

仪器介绍:实验所选的摩擦系数测定仪器为往复式摩擦磨损试验机(RCP), 见图1。该仪器是由Quaker公司与美国佐治亚大学联合研发的,用于测量边界润滑条件下的摩擦系数的仪器,该仪器的测试条件灵活,可以测定不同的载荷、压力、温度条件下的摩擦系数,并且该仪器最大的优势在于可以任意变换摩擦副,其下试件可以取现场的钢片,使得所测结果与现场有更好的对应性。硬度测定仪器为:Future-tech micro hardness tester, FM-700;粗糙度测定仪:time tr200。

试验条件:

速度:400 cm/min;

温度:50 ℃,100 ℃,150 ℃;

载荷:19.6 N;

试验样品:两种奎克公司商品轧制油。两种轧制油是由相同的基础油添加不同的添加剂组成轧制油A和轧制油B。

试验钢板:在RCP试验中,可以选用不同的钢板进行试验。本试验选择宝钢1420的几种主要产品为试验件,包括:

镀锡板——T1.5, T2.5, T3, T4, T5;

汽车板——B方式308方向(B308),C方式308方向(C308) ,312方向IF钢(IF312)。试验用钢板的化学组成及硬度见表1。

从表1可以看出:T1.5到T5钢板硬度增加,而钢板表面粗糙度差别不大;为了对比不同材质对油品润滑性的影响,选择了几种不同轧制方式的冷板对比,其中,B308是用光棍轧制的冷板,而C308是用毛辊轧制的冷板。

从T1到T5钢板碳含量在不断增加,而钢板中的碳含量是决定钢板硬度的主要指标,随碳含量的增加钢板的硬度在不断增加,也就是说从T1到T5钢板的硬度增加,且与上试件的硬度差在不断减小,而根据我们所掌握的文献可知:在给定的试验条件下,材料的表面硬度是影响耐磨性的主要因素,硬度越高,材料的耐磨性能越好,而摩擦系数也就越大,轧制所需要的润滑越大。

2 摩擦系数测量结果及讨论

如图2所示,在50 ℃下,油品A的摩擦系数均小于油品B;在如此温度下,本实验钢板的化学组分对油品的润滑性能影响不大;镀锡板的摩擦系数略高于汽车板,说明在轧制规程和轧制乳化液相同的情况下,镀锡板轧制所需的润滑比汽车板高,因此,镀锡板轧制比汽车板轧制需要具有更高润滑能力的轧制乳化液。

对比不同方式轧制的308方向的冷板, 尽管B308是用光棍轧制的,表面粗糙度较C308低,但其摩擦系数反而较C308高。造成这种结果的原因可能是由于B308的硬度相对较高,而硬度相比于表面粗糙度对摩擦系数有着更大的影响。

如图3所示,在100 ℃的试验条件下下,摩擦系数的变化趋势基本与50 ℃相同。同时,对比50 ℃的试验结果可以发现,随着温度的升高,A油品的摩擦系数减小较大,但B油品的区别不大。造成这种现象的原因是两种油品中的活性成分不同,A油品的活性成分随着温度的升高在钢板和钢球表面的吸附能力增强,吸附油膜厚度增加,同时,随着温度的升高,摩擦化学反应速度升高,摩擦化学反应膜强度增加,两者作用提高了油品的边界润滑能力。同样的现象可见在150 ℃的试验结果,见图4。

随着温度的进一步升高,摩擦系数进一步减小,可以从以下两个方面予以解释:

(1)随着温度的升高,对物理吸附而言其吸附速率降低,脱附速率增高;对化学吸附而言,其吸附速率增加。随温度继续升高,当达到某临界值时,化学脱附速率高于吸附速率,此时化学反应膜开始形成,随着温度的升高,化学反应速率大幅提高(温度每升高10 ℃,化学反应速率增加2~3倍),在边界润滑中逐步起主导作用,由于化学反应膜与固体表面的作用力远高于吸附膜且膜强度更高,其润滑作用优于吸附膜。因此,随温度升高,摩擦系数降低。

(2)温度升高,粘度降低,表面张力也下降,润滑油在辊缝中的润湿性和铺展性更好,更有利于在接触表面形成均匀的油膜。

虽然升高摩擦副的接触温度有利于降低边界润滑的摩擦系数,但是轧钢过程中辊缝区中的钢板是处于高温、高压及高速运动的状态下,传统理论认为[3],其所处的润滑状态为混合润滑区(混合润滑又称部分流体润滑,是一种处于边界润滑与流体动力润滑之间的一种润滑状态), 轧钢过程中的摩擦系数不单取决于边界润滑的摩擦系数同时也受到弹性流体润滑摩擦系数的影响,应综合考虑边界润滑和弹性流体动力润滑两方面的因素。

3 结论

(1)材料的材质影响着边界润滑摩擦系数。

(2)合理地选择轧制油添加剂可以增加油品的适应性。

(3)在对冷轧油品进行设计和选择时,油品对所轧钢板表面化学特性的适应性是一个非常重要的指标。选择合适的轧制油可以提高油品的适应性,从而在相同的条件下增加轧机的可轧性。

参考文献:

[1] 王汝霖.润滑剂摩擦化学[M].北京:中国石化出版社,1994.

[2] 赵振铎.金属塑性成形中的摩擦与润滑[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3] 孙建林. 轧制工艺润滑原理技术与应用[M].北京:冶金工业出版社,2004.

收稿日期:2008-12-17。

作者简介:王康健(1956-),男,高级技师,1979年毕业于上海冶金专科学校轧钢专业,现从事冷连轧技术工作,宝钢股份公司技能专家,负责和参加的项目曾获得过国家科技进步一等奖、冶金行业科技进步特等奖、上海市科技进步二等奖、宝钢重大科技成果奖三等奖三次等,曾获得过第十七届国家发明展览会金奖和第六届国际发明展览会金奖等等。