纳米添加剂对板带钢冷轧乳化液润滑性能的影响

王一助,孙建林,王士庭,赵永涛,朱广平

(北京科技大学材料科学与工程学院,北京,100083)

轧制乳化液在降低轧制压力和轧机功率、改善轧件表面质量方面起着重要的作用,然而传统轧制乳化液含有硫、氯和磷等添加剂,其废液中有机物含量高,对环境的污染较严重[1-2]。目前国内一般对轧制乳化液废液进行破乳及相关处理之后再将其排放,但这也会产生大量氢氧化物污泥,从而造成二次污染[3],因此对新型环保轧制乳化液制备技术的研究刻不容缓。纳米粒子能够在摩擦表面以纳米颗粒或纳米膜的形式存在,其具有良好的润滑和减摩抗磨性能[4-5],且能承受高载荷,可以作为新型润滑油抗磨剂[6-7]。本文比较了传统轧制乳化液与含有纳米添加剂的轧制乳化液(以下简称新型轧制乳化液)的摩擦学性能,分析了纳米添加剂对板带钢冷轧过程和板面质量的影响,以期为环保型纳米水性板带钢轧制乳化液规模化生产提供参考。

1 试验

1.1 纳米粒子的制备与分散

选用的纳米添加剂为纳米氮化硼粒子,采用气流粉碎法进行制备[8]。用JEM-1230型透射电子显微镜检测可知:经过粉碎以后,95%以上的纳米氮化硼粒子粒径为39～43 nm,其余的粒子粒径为78～82 nm。

纳米粒子粒径小、表面能高,具有自发团聚的趋势,而团聚的存在将大为影响纳米粒子润滑优势的发挥,因此如何改善纳米粒子在液相介质中的分散性和稳定性十分重要。纳米粒子的分散可以采用物理和化学两种方法。本试验采用化学分散方法,即用适当配比的Span系列乳化剂和油酸作为改性剂对纳米氮化硼进行表面改性,防止在纳米氮化硼微粒表面形成低表面能油膜,改变纳米粒子与液相介质、纳米粒子与粒子之间的相互作用,使得各颗粒间有较强的排斥力,从而使纳米氮化硼粒子在轧制乳化液中的稳定分散能够更持久。

1.2 新型轧制乳化液的制备

综合考虑润滑效果和制备成本,确定新型轧制乳化液的基础油采用棕榈油和菜籽油的混合油,乳化剂采用Span系列和Tween系列。根据基础油被乳化所需的亲水亲油平衡(HLB)值,将复合乳化剂的HLB值分别调节为10.5、12.5和14.5,将轧制乳化油中复合乳化剂的质量分数分别调节为8%、11.5%和15.5%。通过对润滑效果进行试验对比,最后选用复合乳化剂的HLB值为10.5、质量分数为15.5%。

在试验前期,对轧制乳化液中纳米氮化硼的最佳含量进行了单因素正交试验。在此过程中,配制了一系列的轧制乳化油,其中纳米氮化硼的质量分数分别为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。将轧制乳化油兑水配成5%(轧制乳化油的质量分数)的冷轧乳化液。根据乳化油试样静置7 d之后的稳定性和乳化液试样放置12 h以后的析油析皂情况进行初步判断,然后对符合相关使用标准或使用经验的乳化液试样进行四球摩擦学试验和板带钢冷轧润滑试验。对比分析试验结果和总体润滑效果,发现轧制乳化油中纳米氮化硼的质量分数为0.6%时,其综合使用性能最好。因此,本试验所配制的新型轧制乳化油中w(BN)=0.6%。

1.3 试验方法

1.3.1 四球摩擦学试验

在M RS-10A四球摩擦磨损试验机上,按GB/T 12583—1998测定传统轧制乳化液和新型轧制乳化液的最大无卡咬负荷PB,以比较其承载能力。在载荷为(392±2)N,转速为(1200±5)r/m in的条件下,进行10 min的长磨试验,采用四球摩擦磨损试验机上的随机软件计算出两种轧制乳化液的平均摩擦因数μ,并通过光学显微镜测定钢球磨斑的平均直径D392N10min,以比较乳化液的抗磨减摩性能。

1.3.2 冷轧润滑实验

在ø130 mm×200 mm二辊冷轧试验机上进行冷轧润滑试验,分别在无润滑、采用传统轧制乳化液和采用新型轧制乳化液3种润滑条件下进行轧制。试验用带钢为150 mm×50 mm×2 mm的IF钢(退火状态),轧制速度为10 r/m in。轧制时,在每道次辊缝调节到相同值的情况下,测定不同润滑条件下带钢各道次的轧后厚度、轧制压力和轧机功率,以比较乳化液的冷轧润滑效果。

2 结果与分析

2.1 纳米添加剂对轧制乳化液摩擦学性能的影响

传统轧制乳化液和新型轧制乳化液的摩擦学性能测试结果如表1所示。从表1中可以看出,添加了纳米粒子后,轧制乳化液的承载能力和抗磨减摩性能均得到了改善。

表1 轧制乳化液的摩擦学性能指标Table 1 Frictional behavior indexes of rolling emulsions

2.2 纳米添加剂对冷轧过程的影响

在不同润滑条件下,各道次轧后带钢厚度如图1所示。从图1中可以看出,与无润滑轧制相比,使用乳化液润滑后,各道次轧后带钢厚度减小,并且随着冷轧道次的增加,带钢厚度差别逐渐增大。同时,与采用传统轧制乳化液相比,采用新型轧制乳化液润滑的各道次轧后带钢厚度也明显减小。

图1 不同润滑条件下各道次轧后带钢厚度Fig.1 Steel strip thickness at each pass after cold rolling process under different lubrication conditions

在不同润滑条件下,各道次轧制压力和轧机功率分别如图2和图3所示。从图2和图3中可以看出,与无润滑轧制相比,使用乳化液润滑后,各道次轧机功率和轧制压力都有明显降低。与传统轧制乳化液相比,新型轧制乳化液在冷轧过程中表现出了更加优越的润滑性能。轧机功率是能量消耗的直接体现,各道次轧机功率的降低,表明采用乳化液润滑之后能够有效降低能量消耗。而纳米添加剂的使用,使轧制乳化液在降低轧机功率方面的效果更加明显。

图2 不同润滑条件下各道次轧制压力Fig.2 Rolling pressuresat each pass under different lubrication conditions

图3 不同润滑条件下各道次轧机功率Fig.3 Mill powersat each pass under different lubrication conditions

2.3 纳米添加剂对轧后带钢表面质量的影响

轧后带钢表面质量的一个主要表征是表面粗糙度。图4为轧件在不同润滑条件下轧后表面粗糙度测量值,其中:Ra为轮廓的算术平均偏差;Rq为轮廓的均方根偏差;Rv为轮廓最大谷深。从图4中可以看出,在乳化液润滑条件下轧制的带钢表面轮廓更加平整,其表面粗糙度明显降低,其中,采用新型轧制乳化液润滑的轧后带钢表面粗糙度下降最为显著。

轧制乳化液的添加剂通常在边界润滑或混合润滑状态下才能发挥作用,润滑状态可以从膜厚比、摩擦因数和表面质量等3个方面来判定。当润滑剂黏度小、轧制速度低、流体动压作用不大、不能形成有效的油膜厚度时,只有含添加剂的边界润滑膜将轧辊和工件表面分开,轧辊光洁表面才能被复映到工件表面上。图5为不同润滑条件下带钢冷轧5个道次后的表面形貌。从图5中可以看出:冷轧过程大部分处于边界润滑状态,使用轧制乳化液进行润滑后,板面出现缺陷的几率明显减少,而采用新型轧制乳化液润滑的轧后板面质量也明显比采用传统轧制乳化液润滑的轧后板面质量好得多,这表明纳米添加剂发挥了较好的润滑作用。

图4 不同润滑条件下轧后带钢表面粗糙度Fig.4 Roughness of strip after cold rolling under differen t lubrication conditions

图5 不同润滑条件下带钢冷轧5个道次后的表面形貌Fig.5 Surface appearances of strip after 5 passes under differen t lubrication conditions

3 结论

(1)采用经过表面改性的纳米氮化硼粒子作为添加剂,可提高轧制乳化液的承载能力、改善其抗磨减摩性能。

(2)带钢冷轧过程中采用含纳米添加剂的轧制乳化液进行润滑,可有效降低轧制压力和轧机功率,减少能耗,并且轧后带钢表面质量也有明显改观。

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