王一助,孫建林,王士庭,趙永濤,朱廣平

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

軋制乳化液在降低軋制壓力和軋機(jī)功率、改善軋件表面質(zhì)量方面起著重要的作用,然而傳統(tǒng)軋制乳化液含有硫、氯和磷等添加劑,其廢液中有機(jī)物含量高,對(duì)環(huán)境的污染較嚴(yán)重[1-2]。目前國(guó)內(nèi)一般對(duì)軋制乳化液廢液進(jìn)行破乳及相關(guān)處理之后再將其排放,但這也會(huì)產(chǎn)生大量氫氧化物污泥,從而造成二次污染[3],因此對(duì)新型環(huán)保軋制乳化液制備技術(shù)的研究刻不容緩。納米粒子能夠在摩擦表面以納米顆?；蚣{米膜的形式存在,其具有良好的潤(rùn)滑和減摩抗磨性能[4-5],且能承受高載荷,可以作為新型潤(rùn)滑油抗磨劑[6-7]。本文比較了傳統(tǒng)軋制乳化液與含有納米添加劑的軋制乳化液(以下簡(jiǎn)稱新型軋制乳化液)的摩擦學(xué)性能,分析了納米添加劑對(duì)板帶鋼冷軋過(guò)程和板面質(zhì)量的影響,以期為環(huán)保型納米水性板帶鋼軋制乳化液規(guī)?；a(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 納米粒子的制備與分散

選用的納米添加劑為納米氮化硼粒子,采用氣流粉碎法進(jìn)行制備[8]。用JEM-1230型透射電子顯微鏡檢測(cè)可知:經(jīng)過(guò)粉碎以后,95%以上的納米氮化硼粒子粒徑為39～43 nm,其余的粒子粒徑為78～82 nm。

納米粒子粒徑小、表面能高,具有自發(fā)團(tuán)聚的趨勢(shì),而團(tuán)聚的存在將大為影響納米粒子潤(rùn)滑優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮,因此如何改善納米粒子在液相介質(zhì)中的分散性和穩(wěn)定性十分重要。納米粒子的分散可以采用物理和化學(xué)兩種方法。本試驗(yàn)采用化學(xué)分散方法,即用適當(dāng)配比的Span系列乳化劑和油酸作為改性劑對(duì)納米氮化硼進(jìn)行表面改性,防止在納米氮化硼微粒表面形成低表面能油膜,改變納米粒子與液相介質(zhì)、納米粒子與粒子之間的相互作用,使得各顆粒間有較強(qiáng)的排斥力,從而使納米氮化硼粒子在軋制乳化液中的穩(wěn)定分散能夠更持久。

1.2 新型軋制乳化液的制備

綜合考慮潤(rùn)滑效果和制備成本,確定新型軋制乳化液的基礎(chǔ)油采用棕櫚油和菜籽油的混合油,乳化劑采用Span系列和Tween系列。根據(jù)基礎(chǔ)油被乳化所需的親水親油平衡(HLB)值,將復(fù)合乳化劑的HLB值分別調(diào)節(jié)為10.5、12.5和14.5,將軋制乳化油中復(fù)合乳化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別調(diào)節(jié)為8%、11.5%和15.5%。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑效果進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比,最后選用復(fù)合乳化劑的HLB值為10.5、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.5%。

在試驗(yàn)前期,對(duì)軋制乳化液中納米氮化硼的最佳含量進(jìn)行了單因素正交試驗(yàn)。在此過(guò)程中,配制了一系列的軋制乳化油,其中納米氮化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。將軋制乳化油兌水配成5%(軋制乳化油的質(zhì)量分?jǐn)?shù))的冷軋乳化液。根據(jù)乳化油試樣靜置7 d之后的穩(wěn)定性和乳化液試樣放置12 h以后的析油析皂情況進(jìn)行初步判斷,然后對(duì)符合相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)或使用經(jīng)驗(yàn)的乳化液試樣進(jìn)行四球摩擦學(xué)試驗(yàn)和板帶鋼冷軋潤(rùn)滑試驗(yàn)。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果和總體潤(rùn)滑效果,發(fā)現(xiàn)軋制乳化油中納米氮化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí),其綜合使用性能最好。因此,本試驗(yàn)所配制的新型軋制乳化油中w(BN)=0.6%。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 四球摩擦學(xué)試驗(yàn)

在M RS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上,按GB/T 12583—1998測(cè)定傳統(tǒng)軋制乳化液和新型軋制乳化液的最大無(wú)卡咬負(fù)荷PB,以比較其承載能力。在載荷為(392±2)N,轉(zhuǎn)速為(1200±5)r/m in的條件下,進(jìn)行10 min的長(zhǎng)磨試驗(yàn),采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的隨機(jī)軟件計(jì)算出兩種軋制乳化液的平均摩擦因數(shù)μ,并通過(guò)光學(xué)顯微鏡測(cè)定鋼球磨斑的平均直徑D392N10min,以比較乳化液的抗磨減摩性能。

1.3.2 冷軋潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)

在?130 mm×200 mm二輥冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行冷軋潤(rùn)滑試驗(yàn),分別在無(wú)潤(rùn)滑、采用傳統(tǒng)軋制乳化液和采用新型軋制乳化液3種潤(rùn)滑條件下進(jìn)行軋制。試驗(yàn)用帶鋼為150 mm×50 mm×2 mm的IF鋼(退火狀態(tài)),軋制速度為10 r/m in。軋制時(shí),在每道次輥縫調(diào)節(jié)到相同值的情況下,測(cè)定不同潤(rùn)滑條件下帶鋼各道次的軋后厚度、軋制壓力和軋機(jī)功率,以比較乳化液的冷軋潤(rùn)滑效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米添加劑對(duì)軋制乳化液摩擦學(xué)性能的影響

傳統(tǒng)軋制乳化液和新型軋制乳化液的摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出,添加了納米粒子后,軋制乳化液的承載能力和抗磨減摩性能均得到了改善。

表1 軋制乳化液的摩擦學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Frictional behavior indexes of rolling emulsions

2.2 納米添加劑對(duì)冷軋過(guò)程的影響

在不同潤(rùn)滑條件下,各道次軋后帶鋼厚度如圖1所示。從圖1中可以看出,與無(wú)潤(rùn)滑軋制相比,使用乳化液潤(rùn)滑后,各道次軋后帶鋼厚度減小,并且隨著冷軋道次的增加,帶鋼厚度差別逐漸增大。同時(shí),與采用傳統(tǒng)軋制乳化液相比,采用新型軋制乳化液潤(rùn)滑的各道次軋后帶鋼厚度也明顯減小。

圖1 不同潤(rùn)滑條件下各道次軋后帶鋼厚度Fig.1 Steel strip thickness at each pass after cold rolling process under different lubrication conditions

在不同潤(rùn)滑條件下,各道次軋制壓力和軋機(jī)功率分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中可以看出,與無(wú)潤(rùn)滑軋制相比,使用乳化液潤(rùn)滑后,各道次軋機(jī)功率和軋制壓力都有明顯降低。與傳統(tǒng)軋制乳化液相比,新型軋制乳化液在冷軋過(guò)程中表現(xiàn)出了更加優(yōu)越的潤(rùn)滑性能。軋機(jī)功率是能量消耗的直接體現(xiàn),各道次軋機(jī)功率的降低,表明采用乳化液潤(rùn)滑之后能夠有效降低能量消耗。而納米添加劑的使用,使軋制乳化液在降低軋機(jī)功率方面的效果更加明顯。

圖2 不同潤(rùn)滑條件下各道次軋制壓力Fig.2 Rolling pressuresat each pass under different lubrication conditions

圖3 不同潤(rùn)滑條件下各道次軋機(jī)功率Fig.3 Mill powersat each pass under different lubrication conditions

2.3 納米添加劑對(duì)軋后帶鋼表面質(zhì)量的影響

軋后帶鋼表面質(zhì)量的一個(gè)主要表征是表面粗糙度。圖4為軋件在不同潤(rùn)滑條件下軋后表面粗糙度測(cè)量值,其中:Ra為輪廓的算術(shù)平均偏差;Rq為輪廓的均方根偏差;Rv為輪廓最大谷深。從圖4中可以看出,在乳化液潤(rùn)滑條件下軋制的帶鋼表面輪廓更加平整,其表面粗糙度明顯降低,其中,采用新型軋制乳化液潤(rùn)滑的軋后帶鋼表面粗糙度下降最為顯著。

軋制乳化液的添加劑通常在邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)下才能發(fā)揮作用,潤(rùn)滑狀態(tài)可以從膜厚比、摩擦因數(shù)和表面質(zhì)量等3個(gè)方面來(lái)判定。當(dāng)潤(rùn)滑劑黏度小、軋制速度低、流體動(dòng)壓作用不大、不能形成有效的油膜厚度時(shí),只有含添加劑的邊界潤(rùn)滑膜將軋輥和工件表面分開,軋輥光潔表面才能被復(fù)映到工件表面上。圖5為不同潤(rùn)滑條件下帶鋼冷軋5個(gè)道次后的表面形貌。從圖5中可以看出:冷軋過(guò)程大部分處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài),使用軋制乳化液進(jìn)行潤(rùn)滑后,板面出現(xiàn)缺陷的幾率明顯減少,而采用新型軋制乳化液潤(rùn)滑的軋后板面質(zhì)量也明顯比采用傳統(tǒng)軋制乳化液潤(rùn)滑的軋后板面質(zhì)量好得多,這表明納米添加劑發(fā)揮了較好的潤(rùn)滑作用。

圖4 不同潤(rùn)滑條件下軋后帶鋼表面粗糙度Fig.4 Roughness of strip after cold rolling under differen t lubrication conditions

圖5 不同潤(rùn)滑條件下帶鋼冷軋5個(gè)道次后的表面形貌Fig.5 Surface appearances of strip after 5 passes under differen t lubrication conditions

3 結(jié)論

(1)采用經(jīng)過(guò)表面改性的納米氮化硼粒子作為添加劑,可提高軋制乳化液的承載能力、改善其抗磨減摩性能。

(2)帶鋼冷軋過(guò)程中采用含納米添加劑的軋制乳化液進(jìn)行潤(rùn)滑,可有效降低軋制壓力和軋機(jī)功率,減少能耗,并且軋后帶鋼表面質(zhì)量也有明顯改觀。

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