王文霞

（上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，上海 201209）

冷軋鋁水基乳化液潤(rùn)滑研究現(xiàn)狀及發(fā)展

王文霞

（上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，上海 201209）

概述了水基乳化液發(fā)展的背景及冷軋鋁水基乳化液潤(rùn)滑的特點(diǎn)。對(duì)國(guó)內(nèi)外冷軋潤(rùn)滑的研究進(jìn)行了闡述，如軋輥及冷軋鋁板的表面粗糙度、水基乳化液粘度、軋制速度、濃度等因素對(duì)冷軋鋁表面質(zhì)量的影響。提出了冷軋鋁水基潤(rùn)滑的缺點(diǎn)和有待深入研究的內(nèi)容，如水對(duì)鋁板表面的腐蝕機(jī)理、水基乳化液潤(rùn)滑模型的建立、金屬塑性變形對(duì)潤(rùn)滑膜形成的影響等都是非常復(fù)雜的問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的研究。

水基乳化液；冷軋鋁；潤(rùn)滑膜

0 引言

隨著冷軋鋁產(chǎn)量的需求增大，潤(rùn)滑液的需求也大量增加。鋁板材的加工質(zhì)量主要表現(xiàn)在尺寸公差和表面質(zhì)量上，鋁板表面質(zhì)量主要取決于軋制變形區(qū)內(nèi)的摩擦學(xué)特性，而軋制潤(rùn)滑液是軋制摩擦過(guò)程中影響鋁板表面質(zhì)量的重要因素之一。所以，研究冷軋鋁潤(rùn)滑液的潤(rùn)滑機(jī)理對(duì)冷軋鋁的加工質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 水基乳化液冷軋鋁發(fā)展背景

近20年以來(lái)，水基潤(rùn)滑由于具有廣泛的水資源、冷卻性好、成本低、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在金屬加工中，并朝取代油基潤(rùn)滑的方向發(fā)展。

一般的鋁板軋制速度大約為幾米每分鐘，而現(xiàn)代冷軋工藝正向著大壓下量、高速及連續(xù)化的方向發(fā)展，最大軋制速度可達(dá)2 500 m/min[1]，高速軋制必然會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱和變形熱，導(dǎo)致軋件與軋輥的表面溫度急劇升高。因此，對(duì)潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑和冷卻作用提出了更高的要求。鋁板軋制出于易清洗、無(wú)腐蝕的目的，一直采用低粘度、低燃點(diǎn)的輕質(zhì)基礎(chǔ)油，如輕質(zhì)煤油、柴油或變壓器油。但是，輕質(zhì)油易揮發(fā)、閃點(diǎn)低、冷卻效果不佳，已經(jīng)不適用于高速、大壓下量的冷軋潤(rùn)滑。因此，冷軋鋁板潤(rùn)滑由全油向油水混合液潤(rùn)滑的方向發(fā)展，或采用水基乳化液和全油同時(shí)使用的混合潤(rùn)滑方式。同全油潤(rùn)滑相比，水基乳液潤(rùn)滑的冷卻性好、軋制速度高、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、易于清洗、水來(lái)源豐富，已經(jīng)被廣泛地使用[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外冷軋鋁板主要采用的潤(rùn)滑液有三類(lèi)，全油潤(rùn)滑、水基乳化液潤(rùn)滑或前兩者混合潤(rùn)滑。

2 水基乳化液的特點(diǎn)

水基乳化液是油與水兩相均勻混合而成的非連續(xù)體系。在一般情況下，油和水難以混合，為使油能以微小液珠懸浮于水中，構(gòu)成穩(wěn)定的乳化狀液，必須添加乳化劑，從而使油水間產(chǎn)生乳化作用。另外，為提高潤(rùn)滑性，也需添加油性添加劑。乳化劑是由親油性基團(tuán)和親水性基團(tuán)組成的化合物，如圖1。它用于形成O/W（oil in water）水包油型乳液時(shí)，由于這兩個(gè)基端的存在，能使油水相連，不易分離，經(jīng)攪拌之后，可使油呈小球狀彌散分布在水中，構(gòu)成O/W型乳化液。

水基乳化液在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的體系，穩(wěn)定性是指反抗粒子聚集而導(dǎo)致水、油兩相分離的能力，實(shí)際上是指體系達(dá)到平衡狀態(tài)所需要的時(shí)間。乳化液在軋輥上的熱分離性是指乳化液與熱的表面接觸時(shí)發(fā)生相分離而析出基礎(chǔ)油和添加劑的性質(zhì)，它是乳化液最重要的性能指標(biāo)之一。水基乳化液的油滴粒子大小決定了相分離性，較大的粒徑有利于油水兩相分離，直徑小則有利于提高熱穩(wěn)定性。

圖1 水基乳化液組成Fig. 1 Composition of water-based emulsion

美國(guó)專(zhuān)利4452712報(bào)道了美國(guó)的Josph工廠發(fā)明了先進(jìn)的水基潤(rùn)滑劑，它是由多氧丙烯、多氧乙烯、塊狀共聚物、溶水羧酸、溶水烷基烴醇胺、防泡劑和水構(gòu)成[4]。

近幾年來(lái)，人們開(kāi)始用分子設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)指導(dǎo)水溶性添加劑的合成。即把賦予水溶性的親水基團(tuán)，賦予油性的吸附性基團(tuán)和賦予極壓，抗磨作用的反應(yīng)性基團(tuán)集成于一個(gè)分子內(nèi)，從而合成出兼具油性、抗磨性和極壓性等多效的水溶性潤(rùn)滑添加劑。水溶性基團(tuán)有—COOH, —OH, —NH2，起油性作用的基團(tuán)有—COOH,—COOR, —CONH2[5-6]。

3 冷軋鋁水基乳化液潤(rùn)滑機(jī)理研究現(xiàn)狀

因?yàn)殇X材的塑性變形抗力小，比較容易軋制，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)冷軋鋁潤(rùn)滑機(jī)理的研究是建立在冷軋鋼的理論基礎(chǔ)上的，并且大部分研究針對(duì)的是冷軋鋼全油潤(rùn)滑，主要理論基于Reynold方程。但是，冷軋鋁潤(rùn)滑理論的研究相對(duì)較少，冷軋鋁水基乳化液潤(rùn)滑的研究就更少了。

冷軋鋁合金板帶材時(shí)，軋輥、鋁板和潤(rùn)滑液構(gòu)成了一個(gè)摩擦系統(tǒng)。軋制壓下率、軋制速度、軋輥與軋件的溫度、軋件的變形抗力及鋁板前、后張力等工藝參數(shù)對(duì)其潤(rùn)滑效果都有一定的影響，對(duì)于軋制潤(rùn)滑來(lái)說(shuō)，軋制速度、潤(rùn)滑液粘度是非常重要的因素。鋁材軋制變形區(qū)通常處于混合摩擦狀態(tài)，潤(rùn)滑劑極性分子的成膜能力及形成吸附膜強(qiáng)度對(duì)軋制潤(rùn)滑起著決定性的作用[7-16]。

3.1 速度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

在軋制潤(rùn)滑過(guò)程中，軋制速度是一個(gè)非常重要的因素，已有學(xué)者證明，隨軋制速度逐漸增加，摩擦系數(shù)逐漸降低，當(dāng)速度超過(guò)一定值時(shí)，摩擦系數(shù)趨于平緩。文獻(xiàn)[17]提出，在低速、低粘度的潤(rùn)滑劑冷軋條件下，變形區(qū)出口的油膜厚度取決于軋輥表面粗糙度及軋件表面粗糙度。相反，當(dāng)軋制速度較高時(shí)，流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理則開(kāi)始在變形區(qū)油膜的形成過(guò)程中起著決定性的作用。Zhu, D等人[18-23]研究認(rèn)為，速度達(dá)到某一臨界點(diǎn)之后，隨著速度的升高，水基乳化液的膜逐漸減小。按照彈流潤(rùn)滑的理論，當(dāng)軋制速度提高，潤(rùn)滑膜厚度將提高，那么，在塑性變形區(qū)水基乳化液潤(rùn)滑膜的形成受哪些因素影響呢？此問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

3.2 表面粗糙度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

文獻(xiàn)[22-31]認(rèn)為冷軋鋁潤(rùn)滑存在著邊界潤(rùn)滑和彈流潤(rùn)滑，入口區(qū)的油膜厚度和軋輥的表面粗糙度決定了潤(rùn)滑機(jī)理。文獻(xiàn)[25-26]研究了軋制過(guò)程中的混合摩擦，在Reynold方程的基礎(chǔ)上，考慮了接觸面的微觀形貌和粗糙峰壓平對(duì)潤(rùn)滑的影響。若考慮表面粗糙效應(yīng)的潤(rùn)滑膜厚度的計(jì)算，情況則較為復(fù)雜。S.Shen和Patir等提出了改進(jìn)的雷諾方程，潤(rùn)滑的數(shù)學(xué)模型將軋輥和鋁板的表面幾何形貌進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使得潤(rùn)滑膜的厚度更精確合理，但是所建立的模型還比較理想化，與實(shí)際生產(chǎn)還有差距。

3.3 粘度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

潤(rùn)滑液的粘度是決定軋制變形區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的重要參數(shù)之一：粘度過(guò)小，即過(guò)分稀薄的潤(rùn)滑液，易從變形區(qū)擠出，起不到良好的潤(rùn)滑作用；粘度過(guò)大，往往剪切阻力較大，形成的潤(rùn)滑膜太厚，產(chǎn)品不能獲得光潔的表面也不能達(dá)到良好的軋制潤(rùn)滑的目的，潤(rùn)滑膜厚度大于金屬表面和輥面粗糙度之和，潤(rùn)滑劑完全填充了金屬表面微凸體間的凹穴，使軋件經(jīng)光潔輥面軋制后仍在一定程度上保留著原始的表面粗糙度[32-34]。潤(rùn)滑液粘度低，表面粗糙度效應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑膜的形成以及潤(rùn)滑作用的影響是存在的，而且作用效果比較顯著，隨著軋制速度的提高，速度效應(yīng)越來(lái)越大，表面粗糙度效應(yīng)會(huì)逐漸消失。

文獻(xiàn)[35-36]研究表明，在低速、低粘度的潤(rùn)滑劑冷軋的情況下，隨著潤(rùn)滑液粘度的增加，潤(rùn)滑膜的厚度增大。這是因?yàn)檎扯仍礁撸瑵?rùn)滑膜的抗剪切強(qiáng)度越大，其承壓能力也越大，軋制時(shí)被擠出變形區(qū)的潤(rùn)滑液越少。軋制潤(rùn)滑液粘度主要由基礎(chǔ)油的粘度決定，加入油性極性分子添加劑后，粘度略有改變[37]。一般，基礎(chǔ)油的粘度隨烴鏈的增長(zhǎng)、分子量的增加而增加，隨溫度的升高而減少。

在早期的研究中，主要是研究乳化液的粘度特性，研究逐步發(fā)現(xiàn)，粘度不能解釋乳化液在集中載荷條件下的特性。

3.4 水基乳化液特性對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

冷軋工藝水基乳化液潤(rùn)滑主要有如下兩大理論：（1）水基乳化液在軋制區(qū)的入口潤(rùn)滑符合彈流體力學(xué)現(xiàn)象，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，潤(rùn)滑油粘度越高，軋制變形區(qū)的油膜就越厚，這樣可以有效地降低摩擦系數(shù)和軋制壓力；（2）水基乳液的離水展著性可以認(rèn)為是油相組分在金屬表面的吸附過(guò)程，極性添加劑對(duì)乳化液的離水展著性能均有增強(qiáng)的作用，且隨著添加劑濃度的增加，離水展著性增強(qiáng)[38-40]。

很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑膜的厚度與乳化液的濃度有關(guān)，但是，實(shí)際潤(rùn)滑不完全符合彈流潤(rùn)滑的機(jī)理[41-43]。文獻(xiàn)[44-45]認(rèn)為，在低速情況下，流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理還沒(méi)有達(dá)到最小成膜厚度時(shí)，由于吸附而形成的潤(rùn)滑膜在變形區(qū)占主導(dǎo)地位；當(dāng)速度較高時(shí)，流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理開(kāi)始在變形區(qū)的潤(rùn)滑膜中起著決定性的作用。

乏油和離水展著性模型計(jì)算了乳化液冷軋入口處的潤(rùn)滑膜厚度。在水基乳化液潤(rùn)滑過(guò)程中，潤(rùn)滑膜的形成有三種模型：乏油潤(rùn)滑，離水展著性，動(dòng)態(tài)濃度模型。在乏油潤(rùn)滑模型中，入口區(qū)被分成三個(gè)部分，供油區(qū)、聚合區(qū)和受壓區(qū)。在受壓區(qū)，乳化液的粘度特性與純油類(lèi)似，因此，受壓區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度可以根據(jù)全油潤(rùn)滑形成膜的厚度計(jì)算確定。冷軋鋁乳化液潤(rùn)滑與乳化液的粘度、粘壓系數(shù)、溫度系數(shù)、軋輥和板材的表面粗糙度有關(guān)。

乏油潤(rùn)滑理論假設(shè)接觸區(qū)潤(rùn)滑膜的形成是受油滴的大小影響。吸附于油滴與水的界面上的表面活性劑形成了具有一定強(qiáng)度的界面膜，對(duì)液體微粒起到保護(hù)作用，使微粒在布朗運(yùn)動(dòng)下發(fā)生碰撞時(shí)不易聚結(jié)。表面活性劑的濃度大小對(duì)形成界面膜的強(qiáng)度有直接的影響。濃度小，界面上吸附的表面活性分子數(shù)少，形成的界面膜不致密、強(qiáng)度??；濃度大，界面上吸附的表面活性劑分子數(shù)多，形成的界面膜致密、強(qiáng)度大。不同的表面活性劑的乳化效果不同，達(dá)到最佳乳化效果所需要的量也不同。

3.5 影響潤(rùn)滑膜強(qiáng)度的因素

文獻(xiàn)[16], [37], [46-48]發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑膜強(qiáng)度主要由分子的有效碳鏈長(zhǎng)度決定，與碳鏈分布有關(guān)。隨著平均碳原子數(shù)的增加，潤(rùn)滑膜強(qiáng)度都增大。利用X射線衍射分析了冷軋鋁板潤(rùn)滑劑在金屬鋁表面形成的吸附膜結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，潤(rùn)滑劑分子在鋁材表面形成了有序多分子層吸附膜，吸附膜為分子短程有序，具有類(lèi)似液晶的結(jié)構(gòu)，且有序分子層不應(yīng)少于7層，潤(rùn)滑劑吸附膜的結(jié)構(gòu)有序與潤(rùn)滑劑強(qiáng)度之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，吸附膜分子之間的分子排列越規(guī)整有序，潤(rùn)滑劑的油膜強(qiáng)度就越高。

極性添加劑對(duì)乳化液的離水展著性能有著增強(qiáng)的作用，且隨著添加劑濃度的增加，離水展著性增強(qiáng)。基礎(chǔ)油加入添加劑后，潤(rùn)滑膜強(qiáng)度均有提高。文獻(xiàn)[49-51]的研究表明，隨著添加劑量的增加，潤(rùn)滑膜強(qiáng)度隨之增大，但是增加的幅度會(huì)越來(lái)越小；同時(shí)，添加量達(dá)到一定值之后還會(huì)帶來(lái)乳化液某些性能的下降，如退火性、乳化液穩(wěn)定性等，所以使用添加劑時(shí)并非含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）越高越好。

4 展望

以上的研究成果對(duì)冷軋鋁潤(rùn)滑有著比較全面的描述。雖然潤(rùn)滑膜形成的理論能夠解釋一些現(xiàn)象，但是生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，全油潤(rùn)滑與水基乳化液潤(rùn)滑的表面質(zhì)量明顯不同。文獻(xiàn)[17]研究認(rèn)為，潤(rùn)滑膜太厚，“隔蔽”作用較強(qiáng)，使軋件表面質(zhì)量下降。文獻(xiàn)[52-56]則認(rèn)為是由于在軋制過(guò)程產(chǎn)生中的應(yīng)力而生成了裂紋。那么，是水基乳化液潤(rùn)滑膜太厚導(dǎo)致了表面不平整，還是由于乳化液潤(rùn)滑膜失效導(dǎo)致了表面質(zhì)量遜色于全油潤(rùn)滑的板面，亦或是兩者共同作用的結(jié)果？這個(gè)問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究。

水對(duì)鋁板表面的腐蝕機(jī)理也有待深入的研究。冷軋鋁過(guò)程中，水基乳化液對(duì)鋁板表面的腐蝕現(xiàn)象一直存在，但其產(chǎn)生的化合物及產(chǎn)生的原因尚不明確。乳化液抗腐蝕機(jī)理研究、緩蝕劑對(duì)金屬保護(hù)作用的機(jī)理是腐蝕和防腐蝕研究中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，但是目前還沒(méi)有公認(rèn)一致的見(jiàn)解。

現(xiàn)階段水基乳化液潤(rùn)滑模型的研究已經(jīng)考慮到粗糙度對(duì)表面質(zhì)量的影響，但是，所建立的模型還比較理想化，與實(shí)際還有差距。

金屬塑性變形的研究是非常復(fù)雜的問(wèn)題。乳化劑在軋制塑性變形區(qū)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，如添加劑與活潑元素鋁的吸附，對(duì)潤(rùn)滑性能的影響需要進(jìn)一步的研究。

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Researches and Development of Lubricating in Cold-rolled Aluminum with Water-Based Emulsion

WANG Wen-xia
( School of Electrical and Mechanical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

An overview for the development background of the water-based emulsion in cold-rolled aluminum process is presented, and extensively studies on cold rolling lubrication at home and abroad, effects on the surface quality of cold rolled aluminum ,such as roller and the surface roughness of roller and cold-rolled aluminum sheet, viscosity of water-based emulsion, rolling speed, concentration and other factors are illustrated. Also, water-based lubrication shortcomings and areas for further study in aluminum cold-rolling process are proposed, such corrosion mechanism of the water on the aluminum surface, water-based emulsion lubricating model, effects of plastic deformation of metals.They are all very complex issue in lubricating research.

water-based emulsion; cold-rolled aluminum; lubricant film

TG356；TG335

A

1001-4543(2012)03-0203-05

2012-05-30;

2012-08-12

王文霞（1972－），女，天津人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)，電子郵箱wxwang@meef.sspu.cn。

上海教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金（No. B50XK000003）