冷轧用水基纳米润滑液的研究

王 冰，孙建林

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京，100083）

促进节能减排是国家“十二五”规划重点发展的趋势，而钢铁行业的能耗已成为关注的焦点。目前，带钢冷轧过程中采用传统乳化液进行工艺润滑，虽然能够减少摩擦磨损的发生［1－2］，但其中添加的油性剂、极压剂、抗氧剂等使乳化液在排放过程中对环境造成污染，同时，冷轧时产生的油烟油雾也对现场工作人员造成一定的危害［3－4］，因此，研究水基环保轧制液具有重要意义。纳米技术的不断发展为解决上述问题提供了新的思路［5－9］。纳米粒子具有优良的润滑性能以及抗摩擦磨损特性，但大多作为添加剂应用在机械润滑领域，而在轧制润滑领域的应用目前还少有文献报导。本文以蒸馏水为基础，用三乙醇胺等将纳米Fe2O3修饰后均匀分散在基体中，替代传统极压添加剂，通过四球摩擦和冷轧试验，分别研究其摩擦学性能及润滑特征，并对冷轧后带钢表面质量进行分析，初步研究了纳米粒子在冷轧过程中的润滑机理，以期为纳米材料在冷轧润滑中的应用提供理论指导。

1 试验

1.1 水基纳米轧制液的制备

水基纳米轧制液由水溶性添加剂与无机纳米粒子制备而成，其中纳米粒子为机械球磨法制备出的纳米Fe2O3粒子。采用JEM－2010高分辨透射电镜对纳米Fe2O3粒子的形貌和粒径进行表征，结果如图1所示。由图1中可以看出，纳米Fe2O3粒子的粒径为20～60 nm，呈类球状，由于颗粒表面能较高，偶尔出现团聚现象，但总体上分布较为均匀。

图1 纳米Fe2 O3的TEM照片Fig.1 TEM image of nano Fe2 O3

为了避免高表面能Fe2O3纳米粒子的团聚，将化学分散（所用分散剂为聚乙二醇（PEG－4000）和脂肪醇聚氧乙烯醚等）与物理分散（超声波分散20 min）两种方法配合使用，并调整纳米粒子与添加剂的配比，通过长时间加热搅拌对Fe2O3进行表面修饰，冷却后将其分散在水中，制备出体积分数为4%的水基纳米轧制液，其中纳米粒子含量为0.7%（质量分数）。

1.2 四球摩擦试验

在MRS－10A四球摩擦磨损试验机上进行水基纳米轧制液摩擦学性能研究，所用钢球为一级GCr15标准钢球，直径为12.7 mm，硬度（HRC）为61～65。试验条件如下：载荷为392±5 N、转速为1 200±5 r／min、时间为30 min。根据GB／T12583—1998测量轧制液的最大无卡咬负荷PB值。根据摩擦系数随时间的变化计算出平均摩擦系数μ。在光学显微镜下对钢球磨斑形貌进行观察，分析纳米Fe2O3的添加对水基润滑液抗磨减磨性能的影响。

将水基纳米轧制液与未添加纳米Fe2O3粒子的水基轧制液和传统商品乳化液（体积分数为4%）进行摩擦学性能比较。

1.3 冷轧润滑实验

采用φ95／200×200 mm四辊冷轧试验机研究水基纳米轧制液在冷轧过程中对轧制功率的影响，轧机功率为35 k W，轧制速度为60 r／min，所选带钢为IF钢，其力学性能参数如表1所示。在试验前及更换轧制液时，分别用浸有汽油、丙酮和酒精的棉纱擦洗辊面与带钢表面，并用干净医用棉擦干，以保证结果的准确性。记录每道次轧制功率。

表1 IF钢力学性能参数Table 1 Mechanical performance of IF steel

1.4 带钢表面分析

将不同润滑条件下经过6道次轧制后的板带钢制作成6 mm×6 mm的试样，放入含丙酮的烧杯中进行超声波清洗，去除残留轧制液，并用酒精擦拭干净，通过光学显微镜观察其表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 轧制液的摩擦学性能

添加了纳米Fe2O3粒子的水基纳米轧制液、未添加纳米Fe2O3粒子的水基轧制液和乳化液的摩擦学性能比较结果如表2所示。由表2中可知，添加纳米Fe2O3粒子后，水基纳米轧制液的PB值大幅提高，与乳化液和水基轧制液相比分别提高约4%和19%；其摩擦系数大幅下降，比使用乳化液和水基轧制液时分别下降约20%和43%；同时磨斑直径也比使用乳化液和水基轧制液时分别减小约14%和23%，表明纳米Fe2O3的添加能够有效提高轧制液的极压润滑性能。

图2为使用不同润滑液时摩擦系数与摩擦时间的关系曲线。由图2中可见，使用乳化液时，摩擦系数随时间的延长波动较大，这是由于在长时间的摩擦磨损过程中乳化液的油膜会出现破损，导致摩擦系数不稳定，平均摩擦系数为0.079；而使用水基纳米轧制液时，摩擦系数由开始的0.075呈现先下降后缓慢升高的趋势，最终得到平均摩擦系数为0.063，在此期间数值波动较小，较为平稳，总体上低于使用乳化液时的摩擦系数，这与纳米粒子具有优良的抗磨减磨特性相对应。

表2 轧制液摩擦性能参数Table 2 Tribological property parameters of rolling liquids

图2 摩擦系数与时间关系曲线Fig.2 Relationship between friction coefficient and time

图3 磨斑形貌金相显微照片Fig.3 Metallographic photo of wear scar morphology

图3为四球摩擦试验后钢球磨斑的金相显微照片。由图3中可知，使用体积分数为4%的商品乳化液时钢球的的磨斑直径达到了0.58 mm，且边缘处参差不齐，表明磨损较为严重；而使用水基纳米轧制液时，钢球磨斑边缘部位较为圆整，中心区域的磨痕较浅，这是由于在长时间摩擦过程中，类球状的纳米粒子能够有效铺展在钢球表面，形成类似“微轴承”的过渡区［10］，将局部的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而有效减少了摩擦磨损的发生。

2.2 轧制液对轧制功率的影响

轧制过程中使用不同的润滑液，所得各道次轧制功率变化曲线如图4所示。由图4中可以看出，采用工艺润滑与无润滑条件下，在第一道次轧制功率变化不大，而从第二道次开始工艺润滑条件下轧制功率均有不同程度降低，尤其是采用水基纳米轧制液时降低更为明显，与无润滑相比，其轧制功率降低了16.6%，与使用水基轧制液和乳化液相比，其轧制功率分别降低了13.4%和5.8%，表现出优良的轧制润滑性能。另一方面，水基纳米润滑液在冷轧过程中不会产生油烟，可有效起到节能减排的作用。

图4 不同润滑条件下各轧制道次的轧制功率Fig.4 Rolling power for several rolling passes under different lubrication conditions

2.3 轧制液对带钢表面质量的影响

不同润滑条件下轧制出的带钢表面形貌照片如图5所示，表面粗糙度如表3所示。由图5中可以看出，在无润滑条件下，轧后表面存在大量划痕，且深浅不一，分布杂乱，板面质量较差，这是由于带钢新生表面与轧辊直接接触，导致带钢表面摩擦磨损；使用水基轧制液或乳化液润滑时，带钢表面质量有了一定的改善，但仍然不可避免地与“硬质点”相接触，在犁削的作用下产生细小的划痕；结合表3可知，使用水基纳米轧制液时，带钢表面质量明显提高，这是由于高表面能的纳米Fe2O3粒子能够附着在带钢表面，改变原有摩擦状态为滚动摩擦，有效降低了轧辊与带钢表面的直接接触，减少了带钢划伤的几率，从而降低了表面粗糙度Ra值，轮廓最大谷深Rv值减小尤为明显，表明纳米粒子能够填充在表面损伤处，“修复”表面缺陷，进一步减少磨损的发生［11］，提高带钢表面质量。

图5 不同润滑条件下带钢表面形貌照片Fig.5 Strip surface micro－photographs under different lubricating conditions

表3 带钢表面粗糙度Table 3 Surface roughness of the strip

在轧制过程中，对使用水基纳米轧制液润滑时轧制的带钢表面进行整体观察，不存在明显的宏观缺陷，表面光洁度高，无油污残留，由此也表明使用水基纳米轧制液润滑时轧制出的板带钢表面质量较高。

3 结论

（1）在水基轧制液中添加纳米Fe2O3粒子能够有效提高其摩擦学性能，水基纳米轧制液的PB值达到了755 N，平均摩擦系数为0.063，分别比乳化液提高约4%和降低约20%；四球摩擦试验中，使用水基纳米轧制液时磨斑直径降至0.50 mm，表现出其具有良好的抗磨减磨特性。

（2）在冷轧过程中，水基纳米轧制液的使用降低了轧制功率，且无油烟排放，有效达到节能减排的效果。

（3）与乳化液相比，采用添加纳米Fe2O3的水基纳米轧制液润滑时冷轧出的带钢表面划伤少，且纳米粒子能够“修复”缺陷，减少轧制过程中磨损的发生，提高了带钢表面质量。

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