孫建林，黃 瑛，熊孝經(jīng)，么文靜，武 迪

添加劑皂化值對鋁材軋制油工藝潤滑性能的影響

孫建林，黃 瑛，熊孝經(jīng)，么文靜，武 迪

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

將皂化值不同的兩種添加劑加入到基礎(chǔ)油中配制成不同濃度的鋁材軋制油，通過四球摩擦磨損試驗考查添加劑的皂化值對軋制油摩擦學性能的影響，并通過四輥冷軋實驗對軋制油軋制工藝潤滑效果進行測試，結(jié)合退火清潔性實驗對兩種皂化值不同的添加劑進行綜合評價。結(jié)果表明：皂化值較高的添加劑配制的軋制油表現(xiàn)出較好的抗磨減摩效果；隨著添加劑含量的增加，極性分子在鋁材表面的吸附量增大，軋制油的摩擦學性能增強，極壓抗磨性能增強，且出現(xiàn)飽和吸附，添加劑皂化值越高，達到飽和吸附的速度越快；皂化值較高的添加劑對軋后鋁材退火清潔性影響較小。

鋁材軋制油；添加劑；皂化值；摩擦學性能；退火清潔性

采用工藝潤滑可以有效地降低鋁板材軋制過程中的軋制壓力，減小摩擦因數(shù)，改善軋件的表面質(zhì)量[1?2]。軋制油通常由基礎(chǔ)油和添加劑組成[3]，其中基礎(chǔ)油為主要組成部分。添加劑一般為受熱揮發(fā)性好的高級脂肪酸、酯、醇，可以有效地吸附在鋁材表面，形成承載力較強的化學吸附，為此軋制油中添加劑配方對軋制油質(zhì)量水平及軋制工藝潤滑效果起著決定性的作用[4?5]。之前的研究中，較側(cè)重各單體添加劑不同配比復合后的實踐軋制潤滑效果的比較，而忽略了評價潤滑效果的有效理化指標[6?9]。本文作者研究發(fā)現(xiàn)，復合添加劑的皂化值高低是衡量其復合后潤滑性能的重要指標，因此，選用兩種不同理化性能的復合添加劑配制成軋制油，重點比較皂化值對添加劑性能的影響，對軋制油的摩擦學性能進行測試，并通過冷軋實驗對潤滑效果進行研究，這對根據(jù)實際的鋁材軋制生產(chǎn)要求，選擇合適理化性能的鋁材軋制油提供了參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 基礎(chǔ)油

實驗用基礎(chǔ)油如普通輕質(zhì)礦物油，其理化性能主要參數(shù)如表1所列。

表1 實驗用基礎(chǔ)油的主要參數(shù)Table 1 Major parameters of base oil used in experiments

1.2 添加劑

選用某鋁材廠提供的兩種皂化值不同的添加劑(ZX、ZD)，其理化性能主要參數(shù)如表2和3所列。

對比兩種添加劑的理化性能，其酸值和醇含量相等，即添加劑中有機酸和醇含量相等；皂化值是酸值和酯含量的總和，所選用的兩種添加劑的酯含量差別較大。

將基礎(chǔ)油和兩種添加劑進行復配，形成添加劑濃度分別為5%、6%、7%和8%的軋制油，通過實驗測定其在鋁板材軋制潤滑性能方面的區(qū)別。

表2 添加劑ZX的理化性能參數(shù)Table 2 Major physical and chemical parameters of ZX additive

表3 添加劑ZD的理化性能參數(shù)Table 3 Major physical and chemical parameters of ZD additive

1.3 四球機摩擦學性能實驗

在MRS?10A四球摩擦磨損實驗機上，采用GB/T 12583—1998國標實驗測定軋制油的最大無卡咬負荷PB值，評價各軋制油的極壓性能。在載荷為(196±5) N，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min下，進行60 min的摩擦磨損長磨試驗，確定摩擦因數(shù)，以比較各軋制油的抗磨減摩性能。在軋制過程中油膜強度和摩擦因數(shù)不僅反映油品在一定工況下的承載能力和減摩防粘效果, 也反映了吸附膜的特性[10]。

本實驗所用鋼球為上海鋼球廠生產(chǎn)的一級GCr15標準鋼球，直徑為 12.7 mm，硬度為 HRC 61～65。

1.4 鋁板材冷軋實驗

在d 95/200 mm×200 mm四輥冷軋實驗軋機上測試最小可軋厚度，軋機功率 35 kW，軋制速度為60 r/min。實驗用帶材為某鋁材廠提供的厚度為2 mm的鋁板。

1.5 退火實驗

在退火時，鋁箔試樣表面滴上實驗油樣，稱量后放在EXXON退火盒內(nèi)，將退火盒放入退火爐內(nèi)，設定退火溫度為350 ℃，保溫2 h后空冷。冷卻后取出鋁箔試樣，稱量后按EXXON方法進行評級和拍照。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同皂化值添加劑軋制油的摩擦學性能分析

在MRS?10A四球摩擦磨損試驗機上，不同添加劑的軋制油摩擦學性能測試結(jié)果如表4所列。

表4 不同軋制油摩擦學參數(shù)Table 4 Tribological parameters of rolling oils with different additive contents

綜合表4中的數(shù)據(jù)可以看出：1) 含有不同添加劑的軋制油在油膜強度(pB)，摩擦因數(shù)(μ)及磨斑直徑上均表現(xiàn)出較大差異。皂化值較高的添加劑配制的軋制油在油膜強度和摩擦因數(shù)方面的表現(xiàn)均優(yōu)于皂化值較低的添加劑配制的軋制油。說明皂化值高有利于極性分子在軋件表面形成吸附膜，可以承受較大的軋件塑性變形抗力，保證較好的軋制潤滑狀態(tài)，以及良好的極壓抗磨性能或抗磨減摩性能。2) 對于同一基礎(chǔ)油和添加劑，隨著添加劑含量的增加，極性分子在鋁材表面吸附量增加，軋制油的摩擦學性能增強，極壓抗磨性能增強，并出現(xiàn)飽和吸附，且添加劑皂化值越大，達到飽和吸附的速度越快。

為了較直觀地比較皂化值不同的兩種添加劑的抗磨損性能，將其分別按5%(質(zhì)量分數(shù))的含量添加到基礎(chǔ)油中，配制成為兩種軋制油，在長磨實驗后，拍攝金像照片如圖1和2所示。

從圖1和2中長磨實驗后小鋼球的磨斑直徑、磨痕深淺、錯亂程度可以清楚地顯示：皂化值大的添加劑配制的軋制油抗磨減摩效果較優(yōu)。

圖1 5%ZD軋制油潤滑下的鋼球磨斑形貌Fig.1 Wearing shape of steel ball with lubrication by 5%ZD

圖2 5%ZX軋制油潤滑下的鋼球磨斑形貌Fig.2 Wearing shape of steel ball with lubrication by 5%ZX

2.2 不同皂化值添加劑軋制油鋁板帶軋制實驗

結(jié)合摩擦學實驗，挑選抗磨減摩效果最好的添加劑含量為 8%的兩種軋制油，結(jié)合無潤滑狀態(tài)做對比，在四輥冷軋實驗軋機上對3種軋制狀態(tài)進行最小可軋厚度測試，試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，8%ZD軋制油的最小可軋厚度較小，根據(jù) Stone平均單位壓力公式可以導出軋輥彈性壓扁時的最小可軋厚度計算公式，即

圖3 不同軋制狀態(tài)對鋁板軋制厚度的影響Fig.3 Effect of different rolling states on thickness of rolling aluminum

式中：q為平均單位張力；Ε為軋輥彈性模量；μ為摩擦因數(shù)；D為軋輥直徑；K為變形抗力。

從式(1)可以看出，摩擦因數(shù)、軋輥直徑、軋輥彈性模量、張力和變形抗力都會影響最小可軋厚度，但在實驗條件一定的條件下，最有效的措施是采用工藝潤滑降低摩擦因數(shù)。結(jié)合圖3可以看出，皂化值較大的添加劑ZD在減小摩擦因數(shù)方面上優(yōu)于ZX。

同時比較3種軋制狀態(tài)下軋后鋁材表面粗糙度，表征參數(shù)分別如下：中線平均值Ra，輪廓最大峰值Rp，輪廓最大谷深Rv。圖4對比了采用3種軋制狀態(tài)軋后鋁材 Ra、Rp及 Rv的變化。將無潤滑狀態(tài)、8%ZD及8%ZX 3種軋制油分別編號為0、1、2。由圖4可以看出：軋制油的Ra、Rp及Rv依次呈現(xiàn)下降趨勢，其中采用8%ZD添加劑軋制后使得下降趨勢和下降量最明顯。

圖4 軋后鋁材粗糙度的主要數(shù)據(jù)指標Fig.4 Main roughness parameters of aluminum after rolling

軋制潤滑主要為邊界潤滑，兩接觸表面上的微凸體發(fā)生部分接觸，變形區(qū)內(nèi)壓力一部分由流體承擔，另一部分則由相接觸的微凸體承擔[11]。同時在邊界潤滑中，鋁材軋制油中的添加劑能吸附或與金屬表面反應，形成吸附膜或化學反應膜，以防止金屬表面的劇烈磨損、擦傷甚至熔焊，起到極壓潤滑的作用[12?13]。ZD和 ZX是復配型的添加劑，即含有酸、醇、酯 3種極性分子，由于極性基團大小不一，分子極性強弱不一，吸附能大小不同，它們在鋁材表面吸附時，可以形成致密的吸附膜。而 ZD的皂化值較高，和 ZX相比，3種極性分子不僅可以在金屬表面聚合生成高分子聚合物膜，抑制金屬表面的磨損，即添加劑在金屬表面的微凸體上發(fā)生聚合反應，形成了較堅韌的聚合物膜，能減緩兩表面微凸體的直接接觸，抑制微凸體間的焊接現(xiàn)象。同時，由于較高的酯含量，可能有剩余的聚合物從微凸體上流下來，流到相鄰的凹穴中，填補凹穴，使摩擦表面變得較平滑一些，進一步降低摩擦及磨損[14]。

2.3 退火清潔性分析

軋后鋁材進行退火，一方面是為了改善鋁材的性能，另一方面是為了清除軋后鋁材表面殘留的軋制油。軋制工藝潤滑是鋁箔生產(chǎn)三大關(guān)鍵技術(shù)之一，但是軋制油，特別是軋制油中的添加劑在鋁箔軋后退火時，容易在鋁箔表面形成油斑影響產(chǎn)品表面質(zhì)量[15?17]。鋁材軋制過程中，要求軋制油不僅具有較低的摩擦因數(shù)與軋制壓力，同時在軋后退火時對鋁板的表面油漬污染要小。一般是通過調(diào)整添加劑的類型與用量來兼顧上述兩者要求[18?19]，但同時也與軋制油的基礎(chǔ)油有關(guān)[20]。

結(jié)合抗磨減摩實驗，選擇8%ZD和8%ZX兩種軋制油進行退火實驗。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 軋制油退火試驗鋁板表面照片F(xiàn)ig.5 Photos of annealed aluminum surface: (a) 8%ZD;(b) 8%ZX

從圖5可以看出，兩種添加劑軋制油退火后的退火等級都是Ⅰ級。這是因為添加劑含量比較低時，軋制油中基礎(chǔ)油含量為 90%以上(占大多數(shù))，添加劑被稀釋了，其退火清潔性差異未能充分顯現(xiàn)出來。說明此時軋制油的退火性能仍表現(xiàn)為基礎(chǔ)油的退火性能。從冷軋潤滑效果方面看，皂化值較高的添加劑配制的軋制油，其摩擦因數(shù)低，抗磨減摩效果好。因此，綜合考慮軋制潤滑效果和退火清潔性的影響，在較低添加劑濃度的條件下，選擇皂化值較高的添加劑。

3 結(jié)論

1) 對比兩種皂化值不同的添加劑，皂化值較高的添加劑配制的軋制油與同質(zhì)量分數(shù)、皂化值低的添加劑配制的軋制油相比，具有較好的抗磨減摩效果及較高的油膜承載能力。

2) 對同一基礎(chǔ)油和添加劑，隨著添加劑含量的增加，極性分子在鋁材表面的吸附量增大，軋制油的摩擦學性能增強，極壓抗磨性能增強，且出現(xiàn)飽和吸附，并且添加劑皂化值越大，達到飽和吸附的速度越快。

3) 含添加劑濃度較低的軋制油的退火性能仍表現(xiàn)為基礎(chǔ)油的退火性能，此時，添加劑皂化值的大小對鋁材軋后退火表面清潔性的影響較小。

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Influence of additives with different saponification values on lubricative properties of aluminum rolling oils

SUN Jian-lin, HUANG Ying, XIONG Xiao-jing, YAO Wen-jing, WU Di
(School of Materials and Engineering, Unversity of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Two kinds of additives with different saponification values were added to aluminum rolling oils. The effect of additives saponification value on the tribological properties of different rolling oils were examined by four-ball friction and wear testing machine. And the lubrication effect of rolling oils was actually verified by cold rolling. Finally, the kinds of additives with different saponification values were synthetically evaluated combining with the experiments of annealing clean. The results indicate that the rolling oils confected with the additive with larger saponification value show a better anti-wear performance. With increasing the additive content, the polar molecule adsorption on the aluminum surface increases, so the anti-wear performance is enhanced, and there is a saturated adsorption. The greater the saponification value of the additive is, the faster speed the absorption saturation achieves. The effect of the large saponification value of additives on the aluminum annealing cleaning after rolling is small.

aluminum alloy oils; additive; saponification value; tribological properties; anneal cleaning

TG339

A

1004-0609(2011)06-1491-05

青海省科技攻關(guān)項目(2006-J-C29)

2010-04-26；

2010-08-26

孫建林，教授，博士；電話：010-62333768；E-mail: sjl@ustb.edu.cn

(編輯 龍懷中)