武元元，孫建林，周福偉，王 冰

(1.北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083;2.三一重型裝備有限公司工藝研究院，沈陽110027)

Nano-ZnO添加劑對冷軋軋制液潤滑性能的影響

武元元1，孫建林1，周福偉2，王 冰1

(1.北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083;2.三一重型裝備有限公司工藝研究院，沈陽110027)

為研究ZnO納米粒子對軋制液摩擦學性能和軋制潤滑性能的影響，制備了以ZnO納米粒子為添加劑的水基納米軋制液和傳統(tǒng)軋制乳化液.通過四球摩擦學試驗和四輥冷軋試驗，對比研究了其摩擦學特性和軋制潤滑性能，利用金相顯微鏡和熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)等手段對軋后硅鋼表面的形貌和成分進行分析，并給出了ZnO納米粒子的減摩抗磨作用機理.研究表明:隨接觸載荷增大，水基軋制液的μ值和軋后表面粗糙度呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)軋制乳化液的變化趨勢;水基軋制液的ZnO納米粒子含量為0.7%時，摩擦學性能和軋制潤滑性能最好，與傳統(tǒng)軋制液相比，極壓系數(shù)PB提高8.4%，摩擦系數(shù)μ降低43%，軋后表面粗糙度Ra降低37%;顆粒狀ZnO納米粒子分布在摩擦副表面的納米級間隙處，類似微球軸承，起支承載荷的作用，使軋制液的減摩抗磨性能提高.

Nano-ZnO;添加劑;表面質(zhì)量;潤滑性能;摩擦磨損;硅鋼;軋鋼

納米材料具有特殊的物理和化學性質(zhì)，并在微型機械電子領域和新材料領域受到了廣泛關注.在摩擦學領域，針對納米微粒作為潤滑油品添加劑的摩擦學特性已經(jīng)開展了大量研究［1-3］.研究表明，多種納米微粒作為添加劑均能有效地改善油品的極壓抗磨性能，在機械潤滑等領域中初步顯示出巨大的經(jīng)濟效益和社會效益［4］.

目前，納米氧化鋅作為一種制備簡單且應用廣泛的納米氧化物，其在摩擦學領域的應用已有了較深入的研究［5-8］.隨著研究的進展，已有納米粒子作為添加劑在軋鋼領域應用的研究報道［9-11］，但將納米氧化鋅作為軋制液的新型添加劑，研究其對軋制液的摩擦學性能和軋制潤滑的影響，目前尚未見報道.

本文通過化學方法將表面修飾的ZnO納米粒子分散到水基冷軋軋制液中，并通過四球摩擦試驗和冷軋潤滑試驗研究了氧化鋅納米粒子對軋制液的摩擦學性能和軋制潤滑性能的影響，并對ZnO納米粒子的作用機理進行探討分析.

1 試驗

1.1 納米粒子的表征

采用JEM-2010型高分辨透射電鏡分析ZnO的粒度和表面形貌，結果如圖1所示.納米ZnO多呈類球狀顆粒，其平均粒徑約50 nm.

圖1 納米ZnO的TEM照片和EDS能譜

1.2 水基ZnO納米軋制液制備

納米粒子粒徑小、比表面能高、易發(fā)生團聚.為有效地發(fā)揮ZnO納米粒子在軋制液中的極壓抗磨性能，將ZnO納米粒子加入定量三乙醇胺溶液攪拌5 min，超聲分散30 min，加熱60℃后加入定量油酸等表面活性劑攪拌30 min，對其進行表面改性后，加入水基軋制液，超聲波分散30 min.配制成質(zhì)量分數(shù)分別為0.4%、0.7%和1.0%的水基納米ZnO軋制液，靜置24 h無沉聚現(xiàn)象，編號分別為ZnO-1、ZnO-2和ZnO-3.選取某廠生產(chǎn)的冷軋硅鋼軋制油，配制成質(zhì)量分數(shù)為3%的軋制乳化液進行對比實驗，編號為DB.

1.3 四球摩擦學試驗

在MRS-10A四球摩擦磨損試驗機上研究軋制液的摩擦學性能，試驗分為兩部分:長磨試驗和極壓性能試驗.長磨試驗在轉速1 200 r/min條件下進行，測試時間為30 min;極壓性能試驗采用GB/T12583-1998國標標準，測定不同軋制液的承載能力PB值.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HRC61～65.

1.4 冷軋潤滑實驗

在四輥冷軋試驗機上進行軋制潤滑實驗.軋機參數(shù)為 Φ95/Φ200 mm×200 mm，軋制功率35 kW，軋制速度60 r/min.試樣為某廠生產(chǎn)提供的冷軋無取向硅鋼板，規(guī)格為200 mm×50 mm× 1 mm.在不同潤滑條件下，每塊硅鋼板軋制4道次.為保證精確度，換軋制液軋制前，用衛(wèi)生棉和石油醚清洗軋輥表面.

2 結果與討論

2.1 軋制液的四球摩擦學性能

2.1.1 納米粒子含量對軋制液摩擦學性能的影響圖2示出了在不同軋制液潤滑條件下長磨試驗得到的摩擦系數(shù)(μ)隨時間(t)的變化曲線，可以看出，各軋制液得到的摩擦系數(shù)變化趨勢有明顯不同.DB乳化液的μ值隨時間延長略有增大的趨勢.水基納米軋制液系列ZnO-1、ZnO-2和

ZnO-3的μ值隨時間延長變化較小.含ZnO納米粒子軋制液的摩擦系數(shù)明顯低于DB乳化液.

其中，ZnO-2軋制液的摩擦系數(shù)值最低.ZnO納米粒子具有較好的減摩作用.

圖2 不同軋制液的四球摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線

圖3給出了接觸載荷392 N、長磨30 min后的鋼球磨斑形貌金相顯微照片.DB得到的磨斑直徑相比，ZnO-1、ZnO-2和ZnO-3得到的磨斑直徑較小，磨損量較低，表明ZnO納米粒子有較高的抗磨性能.傳統(tǒng)DB乳化液在摩擦副間形成均勻的潤滑油膜，四球摩擦后形成的磨斑邊緣較規(guī)整的圓形.由圖3(b)、(c)和(d)可知，水基ZnO納米軋制液得到的磨斑邊緣較不規(guī)整，且隨納米ZnO含量的增多，不規(guī)整性越大，表面劃痕越明顯.這可能是因為納米粒子是以顆粒的形式存在于摩擦副間，當納米粒子含量較多時，隨摩擦時間增加，少量ZnO納米粒子團聚誘發(fā)形成磨粒磨損有關.

圖3 不同軋制液的長磨磨斑金相顯微形貌

表1為各軋制液潤滑得到的極壓系數(shù)(PB)和長磨試驗得到的平均摩擦系數(shù)(μ).PB參數(shù)是表征摩擦副間潤滑油膜所能承受的最大壓力值.由表1可知:含有ZnO納米粒子的軋制液的減摩和極壓性能均優(yōu)于DB軋制液;ZnO-2得到的摩擦系數(shù)值最低，PB值最高，極壓抗磨性能最好.

表1 不同軋制液的平均摩擦系數(shù)(μ)和極壓系數(shù)(PB)

綜上可知，當 ZnO納米粒子質(zhì)量分數(shù)為0.7%時，對應水基ZnO-2軋制液的減摩抗磨性能最好.與DB相比，平均摩擦系數(shù)降低43%，極壓系數(shù)PB值提高8.4%.

2.1.2 接觸載荷對ZnO納米軋制液的摩擦學性能的影響

軋制液在冷軋軋制潤滑時，壓下率不同，軋輥與帶鋼摩擦副間的接觸壓力也不同，軋制液的摩擦學性能也會有所不同.借助四球摩擦磨損試驗機對不同接觸載荷條件下的摩擦學性能進行研究分析，結果如圖4所示.

圖4 接觸載荷與軋制液的平均摩擦系數(shù)關系

圖4示出了4種軋制液在不同接觸載荷條件下，長磨30 min得到的平均摩擦系數(shù)值的變化曲線，可以看出，在不同的接觸載荷下，編號為ZnO -2軋制液的平均摩擦系數(shù)值均較低.即在不同接觸載荷條件下，ZnO納米粒子質(zhì)量分數(shù)為0.7%的對軋制液的減摩效果最好.隨著接觸載荷的增大，4種軋制液的平均摩擦系數(shù)都有降低趨勢.DB的平均摩擦系數(shù)隨接觸載荷的增大呈線性降低趨勢，且降低量較小.與DB的變化趨勢不同，ZnO納米軋制液的平均摩擦系數(shù)變化趨勢為:接觸載荷小于400 N時，摩擦系數(shù)隨接觸載荷增大降低趨勢明顯，超過400 N后的變化趨勢較小，趨于穩(wěn)定.分析認為，軋制液中的ZnO納米粒子以顆粒的形式存在于摩擦副間，當ZnO納米粒子處在與其尺寸相當?shù)拈g隙時，其滾動摩擦潤滑機制才能建立，該間隙稱為有效減摩抗磨間隙.在較低的接觸載荷下(＜400 N)，隨接觸載荷增大，摩擦副間的有效減摩抗磨間隙數(shù)量增大，ZnO能夠起到有效減摩抗磨作用的區(qū)域增多，宏觀表現(xiàn)為平均摩擦系數(shù)隨接觸載荷增大降低趨勢明顯;較高的接觸載荷條件下(≥400 N)，摩擦副間的有較減摩抗磨間隙數(shù)量趨于飽和，表現(xiàn)為摩擦系數(shù)變化趨勢變緩，趨于穩(wěn)定.

2.2 ZnO納米粒子軋后帶鋼表面質(zhì)量的影響

為研究不同軋制液對冷軋軋后硅鋼表面質(zhì)量的影響，在不同軋制液潤滑條件下，采用四輥冷軋試驗機測定各軋制液的軋制潤滑性能.軋制試驗分為4個道次，采用TR200粗糙度儀測定每道次軋后硅鋼板的表面粗糙度，測定長度為5 mm，試驗結果如圖5所示.

圖5為不同潤滑條件下，冷軋軋制得到的硅鋼板表面粗糙度與軋制道次的關系曲線圖.如圖5所示，采用含有ZnO納米粒子軋制液進行軋制潤滑時，軋后硅鋼表面的粗糙度值隨軋制道次的變化趨勢明顯不同于干軋和DB軋制液.無潤滑時，隨道次增多，軋后粗糙度變大至一定值后趨于穩(wěn)定.DB軋制潤滑時的粗糙度隨軋制道次的變化趨勢與干軋相同，粗糙度值的增加量較小.水基ZnO納米軋制液系列軋制潤滑時，隨軋制道次增多，表面粗糙度Ra值略呈降低趨勢.ZnO-2的軋后硅鋼表面的粗糙度值最小.ZnO-3軋制液軋后得到的硅鋼表面粗糙度值高于DB軋制液，表明ZnO納米粒子含量較高時，軋制液的軋制潤滑性能變差.

圖5 不同潤滑條件對軋后硅鋼板表面粗糙度的影響

圖6示出了不同軋制潤滑條件下對應的第四道次軋后的硅鋼表面形貌的金相顯微照片.干軋得到硅鋼表面分布有較大尺寸的點坑、較深的犁溝和部分區(qū)域有脆性斷裂剝落等缺陷，如圖6(a)所示.圖6(b)為DB潤滑軋制后的硅鋼表面形貌.與干軋相比，犁溝和點坑等尺寸明顯較小，脆性剝落等缺陷較少.圖6(c)、(d)和(e)為水基ZnO納米軋制液潤滑后的硅鋼表面相貌.對比分析可知，ZnO-2潤滑得到的表面犁溝缺陷明顯較淺，點坑等缺陷明顯較少，表面光潔度較高.當納米粒子含量較高時，ZnO-3潤滑得到鋼板表面犁溝缺陷增多，并出現(xiàn)較多的微坑，表面質(zhì)量變差，如圖6(e)所示.

圖7為第四道次對應干軋、DB潤滑、ZnO-2潤滑軋制后得到硅鋼表面粗糙度(Ra)輪廓曲線圖.由圖7可以看出，ZnO-2潤滑得到表面粗糙化程度最小，凸峰和凹谷尺寸較小，DB軋制液次之，干軋最差.三者對應 Ra值分別為:干軋0.834 μm，DB為0.533 μm，ZnO-2為0.333 μm.ZnO-2的軋制潤滑效果最好，比DB軋制液軋后粗糙度Ra值降低約37%，比干軋降低約60%.

圖6 第四道次軋后硅鋼鋼表面形貌

圖7 第四道次軋后硅鋼表面粗糙度輪廓曲線

2.3 軋制液中ZnO納米粒子作用機理

為研究ZnO納米粒子在軋制液中的減摩抗磨機理，將軋后硅鋼試樣在石油醚中超聲清洗20 min.采用SUPRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)及能譜分析儀對軋后硅鋼薄帶表面形貌和成分進行表征，試驗結果如圖8所示.

圖8 ZnO－2潤滑軋后硅鋼表面的FESEM表面形貌

圖8(a)為10 μm標尺尺度下的硅鋼表面形貌，表面較為光滑，產(chǎn)生塑性變形.由圖8(b)可以明顯看到，一些類球狀顆粒分布于硅鋼基體表面上，能譜分析可知為ZnO納米粒子，見圖8(c)，其元素成分含量見表2.水基ZnO納米軋制液軋制潤滑機理為ZnO納米粒子含量適當時，較多的顆粒狀ZnO納米粒子分布在摩擦副表面的有效減摩抗磨間隙處，類似微球軸承，起支承載荷的作用，使軋制液的減摩抗磨性能提高，類似于滾珠軸承模型［12］.納米粒子含量過高，潤滑軋制時則會發(fā)生團聚，形成磨粒磨損，使軋制液的摩擦學性能和軋制潤滑性能變差.與ZnO-3潤滑得到的四球長磨磨斑直徑變大、劃痕變深、軋后硅鋼表面粗糙度值變高、表面出現(xiàn)較多的微坑缺陷等的試驗現(xiàn)象相符.

表2 成分含量

3 結論

1)水基ZnO納米軋制液的四球摩擦學特性和對硅鋼的軋制潤滑特性明顯不同于傳統(tǒng)軋制乳化液.與傳統(tǒng)軋制液相比，四球摩擦系數(shù)較低，極壓抗磨性能高;接觸載荷對其摩擦系數(shù)變化的影響作用更明顯，軋后粗糙度隨道次變化略有降低趨勢.

2)ZnO納米粒子能夠明顯提高水基納米軋制液的摩擦學性能和軋制潤滑性能.在本文的試驗條件下，當ZnO納米粒子質(zhì)量分數(shù)為0.7%時，水基ZnO納米軋制液摩擦學性能和軋制潤滑性能最好.摩擦學系數(shù)比DB降低43%，極壓系數(shù)PB值提高8.4%.軋后硅鋼表面光潔度較高，犁溝和點坑等缺陷細小，軋后表面粗糙度Ra值比DB軋制液降低37%，比干軋降低60%.

3)在接觸載荷適當時，顆粒狀的ZnO納米粒子分布在摩擦副間的有效減摩抗磨間隙處，類似微球軸承，起支承載荷的作用而使軋制液的減摩抗磨性能提高.納米粒子含量過高，易發(fā)生團聚誘發(fā)形成磨粒磨損，使軋后表面質(zhì)量變差.

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Effects of Nano-ZnO on lubricity of cold rolling liquid

WU Yuan-yuan1，SUN Jian-lin1，ZHOU Fu-wei2，WANG Bing1
(1.School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.Sany Heavy Equipment Co.Company Technology Research Institute Shenyang，Shenyang 110027，China)

To research the effects of Nano-ZnO as additives on the tribological performance and lubricity of water-based rolling liquid，four-ball tribological experiments and four-high cold rolling experiments were conducted.The morphology of Silicon steel stripes surface after rolling was analyzed by optical microscope and FESEM and surface roughness was analyzed by TR200 tester.Mechanism of anti-wear and friction-reducing of nano-ZnO was given.The results show that both of tribological coefficient and surface Roughness Raof the waterbased rolling liquid present a trend of decrease as contact load increases，which is contrary to the data obtained with traditional rolling emulsion.The optimal content of the water-based rolling liquid is 0.7%.Comparing to traditional emulsion，load capacity PBvalues increase by 8.4%，and μ value and surface roughness Ravalue decrease by 43%and 37%，respectively.The ZnO nanoparticles in the deformation area work like“tiny ball bearing”，which can support loads and reduce friction.

nano-ZnO;additives;surface quality;lubricity;friction and wear;tribological properties;silicon steel;steel rolling

TG335.12 文獻標志碼:A 文章編號:1005-0299(2012)06-0136-06

2011-12-09.

國家自然科學基金資助項目(51274037).

武元元(1986-)，男，碩士研究生;

孫建林(1963-)，男，教授，博士生導師.

孫建林，E-mail:sjl@ustb.edu.cn.

(編輯 呂雪梅)