王 冰，孫建林

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

工藝潤(rùn)滑在軋制領(lǐng)域的應(yīng)用可以有效降低加工能耗，減少金屬磨損，提高軋后帶鋼表面質(zhì)量。隨著汽車板、造船板等對(duì)高表面質(zhì)量板材的需要，對(duì)軋制油的防銹性、潤(rùn)滑性等提出了更高的要求。軋制液的合成方式經(jīng)歷了動(dòng)植物油、合成油、礦物油、乳化液這一過程。由于傳統(tǒng)軋制液含油量高，用量大，易對(duì)環(huán)境造成危害［1－2］，不符合當(dāng)前的環(huán)保理念，且其應(yīng)用過程中的功能效果有限，因此，水基軋制功能液的研發(fā)為軋制液的發(fā)展提供了一定的空間。

納米應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大為研發(fā)合成功能性潤(rùn)滑劑提供了發(fā)展平臺(tái)［3－4］。納米粒子作為潤(rùn)滑添加劑具有優(yōu)良的抗磨減摩效果［5－6］，能夠提高潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能［7－10］。然而，目前對(duì)于納米粒子潤(rùn)滑性能的研究主要集中在機(jī)械領(lǐng)域，主要研究了納米粒子對(duì)潤(rùn)滑劑PB值以及摩擦系數(shù)的影響，在軋制應(yīng)用領(lǐng)域方面的研究很少有文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本課題通過添加分散劑、防銹劑、極壓劑等提高水基軋制液的防銹性、極壓性，并采用化學(xué)分散方法和物理分散方法解決納米粒子分散性較差的問題，將納米ZnO均勻分散在水中，提高其抗摩擦磨損性能。設(shè)計(jì)三因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，研究納米粒子含量、分散溫度、分散時(shí)間對(duì)水基軋制功能液摩擦學(xué)性能的影響，并篩選出最優(yōu)條件；通過冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)，研究軋制功能液對(duì)冷軋潤(rùn)滑效果的影響；進(jìn)一步對(duì)軋后板帶鋼表面進(jìn)行研究，并初步分析納米粒子在冷軋過程中的摩擦潤(rùn)滑機(jī)理，為以后納米粒子在冷軋軋制液中的應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 納米粒子的表征

采用DMAX－RB型X射線衍射儀對(duì)納米粒子的物相進(jìn)行分析，其XRD圖譜如圖1所示，對(duì)照XRD圖譜分析可知其成分為ZnO。進(jìn)一步使用FEI Tecnai G20透射電子顯微鏡對(duì)納米粒子進(jìn)行表征，圖2為納米ZnO粒子的TEM照片。從圖2可以看出，納米ZnO的粒徑為20～50nm，大多呈現(xiàn)類球形。

圖1 納米ZnO的XRD圖譜

1.2 水基軋制功能液的研制

納米粒子的表面能高、粒徑小、活性大，作為添加劑在軋制液中使用易發(fā)生團(tuán)聚，為了避免團(tuán)聚，有效發(fā)揮納米ZnO的潤(rùn)滑性能，使用聚乙二醇（PEG－2000）、三乙醇胺、苯并三氮唑、水性硼酸酯等分散劑、極壓劑與防銹劑，采用化學(xué)方法和物理方法將其均勻分散在水基軋制液中，并設(shè)計(jì)三因素四水平正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化配方，合成水基軋制功能液，最后通過超聲波分散60min，進(jìn)一步增強(qiáng)納米粒子的分散性；同時(shí)，選取通用冷軋軋制油用水稀釋，配制成含量為3%的乳化液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖2 納米ZnO粒子的TEM照片

1.3 四球摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/T 12583—1998在 MRS－10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，測(cè)定軋制功能液的最大無卡咬負(fù)荷PB值，對(duì)軋制功能液的承載能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。在承載力392N、轉(zhuǎn)速1 200r/min的條件下進(jìn)行30min的長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)并通過式（1）計(jì)算出各軋制功能液的平均摩擦因數(shù)μ。

式中：r為鋼球半徑，6.35mm；L＝120mm；P0為軸向試驗(yàn)力，N；S為測(cè)摩擦力的讀數(shù)值，N。

在NEOPHOT－21型光學(xué)顯微鏡下，對(duì)長(zhǎng)磨后的鋼球表面形貌進(jìn)行觀察，并測(cè)量、計(jì)算出鋼球的平均磨斑直徑，對(duì)軋制功能液的抗磨減磨性能進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)所選用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的一級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑為12.7mm，硬度為61～65HRC。

1.4 冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)

在Φ130mm×220mm二輥實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上進(jìn)行冷軋實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為20r/min，研究不同潤(rùn)滑條件對(duì)軋制力、軋制功率的影響。實(shí)驗(yàn)用帶鋼為某廠生產(chǎn)的IF鋼，其規(guī)格為150mm×20mm×2.0mm。在軋制過程中，更換軋制液時(shí)分別用丙酮和酒精清洗輥面，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)三因素四水平按L16（43）正交實(shí)驗(yàn)，如表1所示，共需16組實(shí)驗(yàn)。通過四球摩擦實(shí)驗(yàn)，得到水基軋制功能液的最優(yōu)配方，并分析出影響其摩擦學(xué)性能的主要因素與次要因素。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平

最大無卡咬負(fù)荷PB值，是在試驗(yàn)條件下不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷，代表油膜強(qiáng)度的承載能力，數(shù)值越高潤(rùn)滑效果越好；摩擦因數(shù)μ越小，同樣表明軋制功能液潤(rùn)滑性能越好，因此，引入潤(rùn)滑系數(shù)（ω），對(duì)PB值和μ進(jìn)行綜合分析［11］，如式（2）所示。

經(jīng)過16組摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表2，其中，ω值越大說明軋制功能液的綜合潤(rùn)滑性能越好；Kij為ω值的極差，R為ω值的方差。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可知，影響潤(rùn)滑性能的因素按效果由大到小排列的順序?yàn)锽＞C＞A，即影響軋制功能液極壓抗磨性能的主要因素為納米粒子的含量，其次為納米ZnO在軋制液中的分散溫度和分散時(shí)間；納米ZnO粒子作為潤(rùn)滑添加劑配制板帶鋼冷軋軋制功能液的最優(yōu)條件為：A1B2C2，即納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、分散溫度為60℃、分散時(shí)間為10min，在該條件下得到的水基軋制功能液具有優(yōu)良的摩擦潤(rùn)滑性能。水基軋制功能液的理化性能為：運(yùn)動(dòng)黏度（40℃）2.84mm2/s、pH 值8.0、48h無銹；摩擦學(xué)性能為：PB值和μ分別為784N和0.061，與同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的3%傳統(tǒng)冷軋乳化液（PB值726N，摩擦因數(shù)0.069）相比，有了明顯的改善，PB值提高了8.0%，μ降低了11.6%。

2.2 磨斑形貌

在光學(xué)顯微鏡下，對(duì)水基軋制功能液和3%乳化液潤(rùn)滑下長(zhǎng)磨后的鋼球磨斑形貌進(jìn)行觀察，如圖3所示。

圖3 磨斑形貌照片

由圖3可以看出：在使用乳化液潤(rùn)滑時(shí)，鋼球的磨斑直徑較大，為0.58mm，磨斑中部的磨痕較深且不均勻，邊緣處缺陷明顯，磨損嚴(yán)重；而采用水基軋制功能液潤(rùn)滑時(shí)，鋼球的磨斑直徑僅為0.44mm，且磨斑較為完整，邊緣粗糙化程度較輕，不存在明顯磨損脫落現(xiàn)象，與圖3（a）相比，中部磨痕有所減輕，說明納米粒子在長(zhǎng)時(shí)間摩擦過程中具有優(yōu)良的抗摩擦磨損功能。

2.3 冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)

在Φ130mm×220mm二輥實(shí)驗(yàn)軋機(jī)上，采用3種不同的潤(rùn)滑狀態(tài)，進(jìn)行冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)，軋輥轉(zhuǎn)速為20r/min，其軋制規(guī)程如表3所示。

表3 軋制道次與壓下率的設(shè)定

不同潤(rùn)滑狀態(tài)下各道次軋制力以及軋制功率變化曲線如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：與無潤(rùn)滑軋制狀態(tài)相比，在采用工藝潤(rùn)滑狀態(tài)下，每道次軋制力與軋制功率均顯著降低；而與傳統(tǒng)乳化液相比，采用水基軋制功能液時(shí)道次軋制力與軋制功率平均下降了6.2%和8.6%，這是由于納米粒子的添加有效地提高了軋制液的潤(rùn)滑性能，減少了軋制過程中摩擦磨損的發(fā)生，從而使摩擦系數(shù)下降，導(dǎo)致軋制力與軋制功率降低。

圖4 軋制力變化曲線

圖5 軋制功率變化曲線

2.4 軋后帶鋼表面質(zhì)量分析

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理可知，采用納米潤(rùn)滑能夠有效減少軋制過程中的能量損耗，為了進(jìn)一步研究節(jié)能的原因，對(duì)軋后帶鋼的表面質(zhì)量進(jìn)行了分析。通過NEOPHOT－21型光學(xué)顯微鏡，對(duì)原始帶鋼及不同工藝潤(rùn)滑條件下冷軋最后一個(gè)道次板帶鋼表面形貌進(jìn)行觀察，其光學(xué)顯微照片如圖6所示。

圖6 冷軋板帶鋼表面形貌照片

通過對(duì)比分析圖6可以得出：帶鋼原始表面經(jīng)軋制后出現(xiàn)明顯的軋制紋理，與軋制方向一致；在無潤(rùn)滑冷軋時(shí)，由于軋輥與軋件表面直接接觸，在變形熱與摩擦熱的作用下引起黏輥或產(chǎn)生黏附摩擦，且在表面“硬質(zhì)點(diǎn)”的磨削作用下，導(dǎo)致帶鋼表面劃痕深淺不一，呈隨機(jī)分布狀態(tài)，板面質(zhì)量較差；乳化液具有離水展著性，在使用3%乳化液潤(rùn)滑時(shí)，油水分離，能夠在軋輥與軋件之間形成一層潤(rùn)滑油膜，避免兩摩擦副直接接觸，減少了磨損量，因此，其表面劃痕較淺，且分布均勻，得到的板面質(zhì)量較好；與乳化液潤(rùn)滑相比，采用水基軋制功能液進(jìn)行冷軋后，帶鋼表面質(zhì)量明顯改善，軋制紋理清晰，劃痕和“犁溝”少而淺，“坑狀”缺陷基本消失。這是由于在軋制過程中，一方面水基軋制功能液中納米粒子表面與添加劑相互結(jié)合，形成極壓潤(rùn)滑膜，在冷軋高速運(yùn)動(dòng)與壓力作用下能夠有效浸潤(rùn)摩擦副表面，形成納米潤(rùn)滑層，為納米粒子附著在帶鋼表面提供了有利條件；另一方面，高表面能的類球形納米粒子在運(yùn)動(dòng)中不斷遷徙到帶鋼新生表面處，表現(xiàn)出類似“微軸承”的作用，將局部滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，減少了軋輥與軋件的實(shí)際接觸面積，從而降低了摩擦磨損的發(fā)生，正是由于摩擦狀態(tài)的改變，使摩擦因數(shù)下降，導(dǎo)致軋制力與軋制功率顯著降低，達(dá)到節(jié)能效果。

2.5 納米潤(rùn)滑機(jī)理分析

為了對(duì)納米粒子在軋制過程中的作用機(jī)理進(jìn)行研究，使用TR200粗糙度儀對(duì)試樣表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，得到輪廓最大峰值Rp、輪廓最大谷深Rv和中線平均值Ra，如表4所示。由表4可以看出，與無潤(rùn)滑狀態(tài)相比，在不同潤(rùn)滑條件下，Ra值變化較小，Rp值與Rv值變化較為明顯，其中采用水基軋制功能液時(shí)效果最佳。這是由于在冷軋過程中，水基軋制功能液中經(jīng)過分散劑、極壓劑表面修飾后的類球狀納米粒子能夠承受局部較大壓力，在帶鋼表面滾動(dòng)，碾壓“凸起”部位，有效降低了表面輪廓最大峰值，同時(shí)，部分納米粒子能夠填充在“凹坑”與“溝犁”等能量較高的缺陷處，減少了表面磨損的發(fā)生，從而使輪廓最大谷深Rv值下降，因此與乳化液冷軋表面相比，水基軋制液冷軋表面質(zhì)量得到很大改善。

表4 帶鋼表面粗糙度

進(jìn)一步對(duì)帶鋼表面進(jìn)行EDS分析并統(tǒng)計(jì)元素含量，結(jié)果如圖7和表5所示。由圖7和表5可以看出，經(jīng)多道次軋制后，在帶鋼表面檢測(cè)到Zn元素存在，且Zn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)分別為3.67%與2.87%。結(jié)合粗糙度數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明納米粒子在軋制后能夠附著在帶鋼表面，降低了摩擦磨損的發(fā)生，提高了帶鋼表面質(zhì)量。

圖7 帶鋼軋制后EDS能譜

表5 元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）通過聚乙二醇（PEG－2000）、三乙醇胺、苯并三氮唑、水性硼酸酯等分散劑、極壓劑與防銹劑的復(fù)配，研制了水基軋制功能液，并設(shè)計(jì)三因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，篩選出最優(yōu)條件：納米ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、分散溫度為60℃、分散時(shí)間為10min，在該條件下得到的軋制液的摩擦學(xué)性能最優(yōu)。

（2）水基軋制功能液的 PB值為784N、μ為0.061，與3%乳化液相比，PB值提高了8.0%，μ降低了11.6%，其理化性能為：運(yùn)動(dòng)黏度（40℃）2.84mm2/s、pH 值8.0、48h無銹。

（3）二輥冷軋實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)乳化液相比，水基軋制功能液潤(rùn)滑下，軋制力與軋制功率平均下降了6.2%和8.6%。

（4）對(duì)軋后帶鋼表面進(jìn)行分析可知，水基軋制功能液中的納米粒子與添加劑相互結(jié)合，形成極壓潤(rùn)滑膜，且可以填充在缺陷部位，降低帶鋼表面粗糙度，提高表面質(zhì)量；通過EDS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Zn元素存在，進(jìn)一步說明納米粒子在冷軋過程中具有抗摩減磨作用，有利于表面質(zhì)量的改善。

［1］孫建林.軋制工藝潤(rùn)滑原理技術(shù)與應(yīng)用［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：11－12

［2］Wang Bing，Sun Jianlin，Wu Yuanyuan.Lubricating performances of nano organic－molybdenum an additives in waterbased liquid during cold rolling［J］.Advanced Materials Research，2011，337：550－555

［3］羅仁芝，毛大恒，石琛.綠色潤(rùn)滑油中納米 WS2顆粒的摩擦學(xué)性能分析［J］.石油煉制與化工，2011，42（2）：78－82

［4］趙芳霞，王鵬，楊江海.納米SiO2潤(rùn)滑添加劑的摩擦學(xué)性能及其抗磨減摩機(jī)理研究［J］.石油煉制與化工，2010，41（9）：74－78

［5］王文清.納米材料作為潤(rùn)滑油添加劑的應(yīng)用前景［J］.化學(xué)工業(yè)，2011，29（6）：27－29

［6］張博，徐濱士，許一，等.潤(rùn)滑劑中微納米潤(rùn)滑材料的研究現(xiàn)狀［J］.摩擦學(xué)報(bào)，2011，31（2）：194－200

［7］王一助，孫建林，王冰，等.納米微粒在板帶鋼冷軋用軋制液中的應(yīng)用［J］.石油煉制與化工，2010，41（11）：80－84

［8］Hsiao Yeh Chu，Wen Chen Hsu，Jen Fin Lin.The anti－scuffing performance of diamond nano－particles as an oil additive［J］.Wear，2010，268（7/8）：96－967

［9］王一助，孫建林，王士庭，等.納米添加劑對(duì)板帶鋼冷軋乳化液潤(rùn)滑性能的影響［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（2）：122－123

［10］Hu K H，Wang Ji，Schraube S，et al.Tribological properties of MoS2nano－balls as filler in polyoxymethylene－based composite layer of three－layer self－lubrication bearing materials［J］.Wear，2009，266（11/12）：1198－1207

［11］Zhu Guangping，Sun Jianlin，Wang Bing，et al.Study on tribological properties of the rolling fluid containing nano－MoS2for cold rolling of steel strip［J］.China Petroleum Processing and Petrochemical Technology，2011，13（1）：61－65