冷轧铝水基乳化液润滑研究现状及发展

王文霞

（上海第二工业大学机电工程学院，上海 201209）

冷轧铝水基乳化液润滑研究现状及发展

王文霞

（上海第二工业大学机电工程学院，上海 201209）

概述了水基乳化液发展的背景及冷轧铝水基乳化液润滑的特点。对国内外冷轧润滑的研究进行了阐述，如轧辊及冷轧铝板的表面粗糙度、水基乳化液粘度、轧制速度、浓度等因素对冷轧铝表面质量的影响。提出了冷轧铝水基润滑的缺点和有待深入研究的内容，如水对铝板表面的腐蚀机理、水基乳化液润滑模型的建立、金属塑性变形对润滑膜形成的影响等都是非常复杂的问题，还需要进一步的研究。

水基乳化液；冷轧铝；润滑膜

0 引言

随着冷轧铝产量的需求增大，润滑液的需求也大量增加。铝板材的加工质量主要表现在尺寸公差和表面质量上，铝板表面质量主要取决于轧制变形区内的摩擦学特性，而轧制润滑液是轧制摩擦过程中影响铝板表面质量的重要因素之一。所以，研究冷轧铝润滑液的润滑机理对冷轧铝的加工质量具有十分重要的意义。

1 水基乳化液冷轧铝发展背景

近20年以来，水基润滑由于具有广泛的水资源、冷却性好、成本低、环保的优点，已经被广泛地应用在金属加工中，并朝取代油基润滑的方向发展。

一般的铝板轧制速度大约为几米每分钟，而现代冷轧工艺正向着大压下量、高速及连续化的方向发展，最大轧制速度可达2 500 m/min[1]，高速轧制必然会产生大量的摩擦热和变形热，导致轧件与轧辊的表面温度急剧升高。因此，对润滑剂的润滑和冷却作用提出了更高的要求。铝板轧制出于易清洗、无腐蚀的目的，一直采用低粘度、低燃点的轻质基础油，如轻质煤油、柴油或变压器油。但是，轻质油易挥发、闪点低、冷却效果不佳，已经不适用于高速、大压下量的冷轧润滑。因此，冷轧铝板润滑由全油向油水混合液润滑的方向发展，或采用水基乳化液和全油同时使用的混合润滑方式。同全油润滑相比，水基乳液润滑的冷却性好、轧制速度高、经济、环保、安全、易于清洗、水来源丰富，已经被广泛地使用[2-3]。目前，国内外冷轧铝板主要采用的润滑液有三类，全油润滑、水基乳化液润滑或前两者混合润滑。

2 水基乳化液的特点

水基乳化液是油与水两相均匀混合而成的非连续体系。在一般情况下，油和水难以混合，为使油能以微小液珠悬浮于水中，构成稳定的乳化状液，必须添加乳化剂，从而使油水间产生乳化作用。另外，为提高润滑性，也需添加油性添加剂。乳化剂是由亲油性基团和亲水性基团组成的化合物，如图1。它用于形成O/W（oil in water）水包油型乳液时，由于这两个基端的存在，能使油水相连，不易分离，经搅拌之后，可使油呈小球状弥散分布在水中，构成O/W型乳化液。

水基乳化液在热力学上是不稳定的体系，稳定性是指反抗粒子聚集而导致水、油两相分离的能力，实际上是指体系达到平衡状态所需要的时间。乳化液在轧辊上的热分离性是指乳化液与热的表面接触时发生相分离而析出基础油和添加剂的性质，它是乳化液最重要的性能指标之一。水基乳化液的油滴粒子大小决定了相分离性，较大的粒径有利于油水两相分离，直径小则有利于提高热稳定性。

图1 水基乳化液组成Fig. 1 Composition of water-based emulsion

美国专利4452712报道了美国的Josph工厂发明了先进的水基润滑剂，它是由多氧丙烯、多氧乙烯、块状共聚物、溶水羧酸、溶水烷基烃醇胺、防泡剂和水构成[4]。

近几年来，人们开始用分子设计的观点指导水溶性添加剂的合成。即把赋予水溶性的亲水基团，赋予油性的吸附性基团和赋予极压，抗磨作用的反应性基团集成于一个分子内，从而合成出兼具油性、抗磨性和极压性等多效的水溶性润滑添加剂。水溶性基团有—COOH, —OH, —NH2，起油性作用的基团有—COOH,—COOR, —CONH2[5-6]。

3 冷轧铝水基乳化液润滑机理研究现状

因为铝材的塑性变形抗力小，比较容易轧制，国内外很多学者对冷轧铝润滑机理的研究是建立在冷轧钢的理论基础上的，并且大部分研究针对的是冷轧钢全油润滑，主要理论基于Reynold方程。但是，冷轧铝润滑理论的研究相对较少，冷轧铝水基乳化液润滑的研究就更少了。

冷轧铝合金板带材时，轧辊、铝板和润滑液构成了一个摩擦系统。轧制压下率、轧制速度、轧辊与轧件的温度、轧件的变形抗力及铝板前、后张力等工艺参数对其润滑效果都有一定的影响，对于轧制润滑来说，轧制速度、润滑液粘度是非常重要的因素。铝材轧制变形区通常处于混合摩擦状态，润滑剂极性分子的成膜能力及形成吸附膜强度对轧制润滑起着决定性的作用[7-16]。

3.1 速度对润滑性能的影响

在轧制润滑过程中，轧制速度是一个非常重要的因素，已有学者证明，随轧制速度逐渐增加，摩擦系数逐渐降低，当速度超过一定值时，摩擦系数趋于平缓。文献[17]提出，在低速、低粘度的润滑剂冷轧条件下，变形区出口的油膜厚度取决于轧辊表面粗糙度及轧件表面粗糙度。相反，当轧制速度较高时，流体动力学机理则开始在变形区油膜的形成过程中起着决定性的作用。Zhu, D等人[18-23]研究认为，速度达到某一临界点之后，随着速度的升高，水基乳化液的膜逐渐减小。按照弹流润滑的理论，当轧制速度提高，润滑膜厚度将提高，那么，在塑性变形区水基乳化液润滑膜的形成受哪些因素影响呢？此问题有待进一步研究。

3.2 表面粗糙度对润滑性能的影响

文献[22-31]认为冷轧铝润滑存在着边界润滑和弹流润滑，入口区的油膜厚度和轧辊的表面粗糙度决定了润滑机理。文献[25-26]研究了轧制过程中的混合摩擦，在Reynold方程的基础上，考虑了接触面的微观形貌和粗糙峰压平对润滑的影响。若考虑表面粗糙效应的润滑膜厚度的计算，情况则较为复杂。S.Shen和Patir等提出了改进的雷诺方程，润滑的数学模型将轧辊和铝板的表面几何形貌进行了简化，使得润滑膜的厚度更精确合理，但是所建立的模型还比较理想化，与实际生产还有差距。

3.3 粘度对润滑性能的影响

润滑液的粘度是决定轧制变形区润滑膜厚度的重要参数之一：粘度过小，即过分稀薄的润滑液，易从变形区挤出，起不到良好的润滑作用；粘度过大，往往剪切阻力较大，形成的润滑膜太厚，产品不能获得光洁的表面也不能达到良好的轧制润滑的目的，润滑膜厚度大于金属表面和辊面粗糙度之和，润滑剂完全填充了金属表面微凸体间的凹穴，使轧件经光洁辊面轧制后仍在一定程度上保留着原始的表面粗糙度[32-34]。润滑液粘度低，表面粗糙度效应对润滑膜的形成以及润滑作用的影响是存在的，而且作用效果比较显著，随着轧制速度的提高，速度效应越来越大，表面粗糙度效应会逐渐消失。

文献[35-36]研究表明，在低速、低粘度的润滑剂冷轧的情况下，随着润滑液粘度的增加，润滑膜的厚度增大。这是因为粘度越高，润滑膜的抗剪切强度越大，其承压能力也越大，轧制时被挤出变形区的润滑液越少。轧制润滑液粘度主要由基础油的粘度决定，加入油性极性分子添加剂后，粘度略有改变[37]。一般，基础油的粘度随烃链的增长、分子量的增加而增加，随温度的升高而减少。

在早期的研究中，主要是研究乳化液的粘度特性，研究逐步发现，粘度不能解释乳化液在集中载荷条件下的特性。

3.4 水基乳化液特性对润滑性能的影响

冷轧工艺水基乳化液润滑主要有如下两大理论：（1）水基乳化液在轧制区的入口润滑符合弹流体力学现象，根据流体动力学理论，润滑油粘度越高，轧制变形区的油膜就越厚，这样可以有效地降低摩擦系数和轧制压力；（2）水基乳液的离水展着性可以认为是油相组分在金属表面的吸附过程，极性添加剂对乳化液的离水展着性能均有增强的作用，且随着添加剂浓度的增加，离水展着性增强[38-40]。

很多学者发现润滑膜的厚度与乳化液的浓度有关，但是，实际润滑不完全符合弹流润滑的机理[41-43]。文献[44-45]认为，在低速情况下，流体动力学机理还没有达到最小成膜厚度时，由于吸附而形成的润滑膜在变形区占主导地位；当速度较高时，流体动力学机理开始在变形区的润滑膜中起着决定性的作用。

乏油和离水展着性模型计算了乳化液冷轧入口处的润滑膜厚度。在水基乳化液润滑过程中，润滑膜的形成有三种模型：乏油润滑，离水展着性，动态浓度模型。在乏油润滑模型中，入口区被分成三个部分，供油区、聚合区和受压区。在受压区，乳化液的粘度特性与纯油类似，因此，受压区的润滑膜厚度可以根据全油润滑形成膜的厚度计算确定。冷轧铝乳化液润滑与乳化液的粘度、粘压系数、温度系数、轧辊和板材的表面粗糙度有关。

乏油润滑理论假设接触区润滑膜的形成是受油滴的大小影响。吸附于油滴与水的界面上的表面活性剂形成了具有一定强度的界面膜，对液体微粒起到保护作用，使微粒在布朗运动下发生碰撞时不易聚结。表面活性剂的浓度大小对形成界面膜的强度有直接的影响。浓度小，界面上吸附的表面活性分子数少，形成的界面膜不致密、强度小；浓度大，界面上吸附的表面活性剂分子数多，形成的界面膜致密、强度大。不同的表面活性剂的乳化效果不同，达到最佳乳化效果所需要的量也不同。

3.5 影响润滑膜强度的因素

文献[16], [37], [46-48]发现，润滑膜强度主要由分子的有效碳链长度决定，与碳链分布有关。随着平均碳原子数的增加，润滑膜强度都增大。利用X射线衍射分析了冷轧铝板润滑剂在金属铝表面形成的吸附膜结构，结果表明，润滑剂分子在铝材表面形成了有序多分子层吸附膜，吸附膜为分子短程有序，具有类似液晶的结构，且有序分子层不应少于7层，润滑剂吸附膜的结构有序与润滑剂强度之间存在着对应关系，吸附膜分子之间的分子排列越规整有序，润滑剂的油膜强度就越高。

极性添加剂对乳化液的离水展着性能有着增强的作用，且随着添加剂浓度的增加，离水展着性增强。基础油加入添加剂后，润滑膜强度均有提高。文献[49-51]的研究表明，随着添加剂量的增加，润滑膜强度随之增大，但是增加的幅度会越来越小；同时，添加量达到一定值之后还会带来乳化液某些性能的下降，如退火性、乳化液稳定性等，所以使用添加剂时并非含量（质量分数）越高越好。

4 展望

以上的研究成果对冷轧铝润滑有着比较全面的描述。虽然润滑膜形成的理论能够解释一些现象，但是生产中发现，全油润滑与水基乳化液润滑的表面质量明显不同。文献[17]研究认为，润滑膜太厚，“隔蔽”作用较强，使轧件表面质量下降。文献[52-56]则认为是由于在轧制过程产生中的应力而生成了裂纹。那么，是水基乳化液润滑膜太厚导致了表面不平整，还是由于乳化液润滑膜失效导致了表面质量逊色于全油润滑的板面，亦或是两者共同作用的结果？这个问题有待进一步的研究。

水对铝板表面的腐蚀机理也有待深入的研究。冷轧铝过程中，水基乳化液对铝板表面的腐蚀现象一直存在，但其产生的化合物及产生的原因尚不明确。乳化液抗腐蚀机理研究、缓蚀剂对金属保护作用的机理是腐蚀和防腐蚀研究中一个非常重要的问题，但是目前还没有公认一致的见解。

现阶段水基乳化液润滑模型的研究已经考虑到粗糙度对表面质量的影响，但是，所建立的模型还比较理想化，与实际还有差距。

金属塑性变形的研究是非常复杂的问题。乳化剂在轧制塑性变形区所发生的化学反应，如添加剂与活泼元素铝的吸附，对润滑性能的影响需要进一步的研究。

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Researches and Development of Lubricating in Cold-rolled Aluminum with Water-Based Emulsion

WANG Wen-xia
( School of Electrical and Mechanical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

An overview for the development background of the water-based emulsion in cold-rolled aluminum process is presented, and extensively studies on cold rolling lubrication at home and abroad, effects on the surface quality of cold rolled aluminum ,such as roller and the surface roughness of roller and cold-rolled aluminum sheet, viscosity of water-based emulsion, rolling speed, concentration and other factors are illustrated. Also, water-based lubrication shortcomings and areas for further study in aluminum cold-rolling process are proposed, such corrosion mechanism of the water on the aluminum surface, water-based emulsion lubricating model, effects of plastic deformation of metals.They are all very complex issue in lubricating research.

water-based emulsion; cold-rolled aluminum; lubricant film

TG356；TG335

A

1001-4543(2012)03-0203-05

2012-05-30;

2012-08-12

王文霞（1972－），女，天津人，讲师，硕士，主要研究方向为摩擦学，电子邮箱wxwang@meef.sspu.cn。

上海教委重点学科建设基金（No. B50XK000003）