Nano-ZnO添加剂对冷轧轧制液润滑性能的影响

武元元，孙建林，周福伟，王 冰

(1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;2.三一重型装备有限公司工艺研究院，沈阳110027)

Nano-ZnO添加剂对冷轧轧制液润滑性能的影响

武元元1，孙建林1，周福伟2，王 冰1

(1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083;2.三一重型装备有限公司工艺研究院，沈阳110027)

为研究ZnO纳米粒子对轧制液摩擦学性能和轧制润滑性能的影响，制备了以ZnO纳米粒子为添加剂的水基纳米轧制液和传统轧制乳化液.通过四球摩擦学试验和四辊冷轧试验，对比研究了其摩擦学特性和轧制润滑性能，利用金相显微镜和热场发射扫描电子显微镜(FESEM)等手段对轧后硅钢表面的形貌和成分进行分析，并给出了ZnO纳米粒子的减摩抗磨作用机理.研究表明:随接触载荷增大，水基轧制液的μ值和轧后表面粗糙度呈现出不同于传统轧制乳化液的变化趋势;水基轧制液的ZnO纳米粒子含量为0.7%时，摩擦学性能和轧制润滑性能最好，与传统轧制液相比，极压系数PB提高8.4%，摩擦系数μ降低43%，轧后表面粗糙度Ra降低37%;颗粒状ZnO纳米粒子分布在摩擦副表面的纳米级间隙处，类似微球轴承，起支承载荷的作用，使轧制液的减摩抗磨性能提高.

Nano-ZnO;添加剂;表面质量;润滑性能;摩擦磨损;硅钢;轧钢

纳米材料具有特殊的物理和化学性质，并在微型机械电子领域和新材料领域受到了广泛关注.在摩擦学领域，针对纳米微粒作为润滑油品添加剂的摩擦学特性已经开展了大量研究［1-3］.研究表明，多种纳米微粒作为添加剂均能有效地改善油品的极压抗磨性能，在机械润滑等领域中初步显示出巨大的经济效益和社会效益［4］.

目前，纳米氧化锌作为一种制备简单且应用广泛的纳米氧化物，其在摩擦学领域的应用已有了较深入的研究［5-8］.随着研究的进展，已有纳米粒子作为添加剂在轧钢领域应用的研究报道［9-11］，但将纳米氧化锌作为轧制液的新型添加剂，研究其对轧制液的摩擦学性能和轧制润滑的影响，目前尚未见报道.

本文通过化学方法将表面修饰的ZnO纳米粒子分散到水基冷轧轧制液中，并通过四球摩擦试验和冷轧润滑试验研究了氧化锌纳米粒子对轧制液的摩擦学性能和轧制润滑性能的影响，并对ZnO纳米粒子的作用机理进行探讨分析.

1 试验

1.1 纳米粒子的表征

采用JEM-2010型高分辨透射电镜分析ZnO的粒度和表面形貌，结果如图1所示.纳米ZnO多呈类球状颗粒，其平均粒径约50 nm.

图1 纳米ZnO的TEM照片和EDS能谱

1.2 水基ZnO纳米轧制液制备

纳米粒子粒径小、比表面能高、易发生团聚.为有效地发挥ZnO纳米粒子在轧制液中的极压抗磨性能，将ZnO纳米粒子加入定量三乙醇胺溶液搅拌5 min，超声分散30 min，加热60℃后加入定量油酸等表面活性剂搅拌30 min，对其进行表面改性后，加入水基轧制液，超声波分散30 min.配制成质量分数分别为0.4%、0.7%和1.0%的水基纳米ZnO轧制液，静置24 h无沉聚现象，编号分别为ZnO-1、ZnO-2和ZnO-3.选取某厂生产的冷轧硅钢轧制油，配制成质量分数为3%的轧制乳化液进行对比实验，编号为DB.

1.3 四球摩擦学试验

在MRS-10A四球摩擦磨损试验机上研究轧制液的摩擦学性能，试验分为两部分:长磨试验和极压性能试验.长磨试验在转速1 200 r/min条件下进行，测试时间为30 min;极压性能试验采用GB/T12583-1998国标标准，测定不同轧制液的承载能力PB值.所用钢球为上海钢球厂生产的一级GCr15标准钢球，直径为12.7 mm，硬度为HRC61～65.

1.4 冷轧润滑实验

在四辊冷轧试验机上进行轧制润滑实验.轧机参数为 Φ95/Φ200 mm×200 mm，轧制功率35 kW，轧制速度60 r/min.试样为某厂生产提供的冷轧无取向硅钢板，规格为200 mm×50 mm× 1 mm.在不同润滑条件下，每块硅钢板轧制4道次.为保证精确度，换轧制液轧制前，用卫生棉和石油醚清洗轧辊表面.

2 结果与讨论

2.1 轧制液的四球摩擦学性能

2.1.1 纳米粒子含量对轧制液摩擦学性能的影响图2示出了在不同轧制液润滑条件下长磨试验得到的摩擦系数(μ)随时间(t)的变化曲线，可以看出，各轧制液得到的摩擦系数变化趋势有明显不同.DB乳化液的μ值随时间延长略有增大的趋势.水基纳米轧制液系列ZnO-1、ZnO-2和

ZnO-3的μ值随时间延长变化较小.含ZnO纳米粒子轧制液的摩擦系数明显低于DB乳化液.

其中，ZnO-2轧制液的摩擦系数值最低.ZnO纳米粒子具有较好的减摩作用.

图2 不同轧制液的四球摩擦系数随时间的变化曲线

图3给出了接触载荷392 N、长磨30 min后的钢球磨斑形貌金相显微照片.DB得到的磨斑直径相比，ZnO-1、ZnO-2和ZnO-3得到的磨斑直径较小，磨损量较低，表明ZnO纳米粒子有较高的抗磨性能.传统DB乳化液在摩擦副间形成均匀的润滑油膜，四球摩擦后形成的磨斑边缘较规整的圆形.由图3(b)、(c)和(d)可知，水基ZnO纳米轧制液得到的磨斑边缘较不规整，且随纳米ZnO含量的增多，不规整性越大，表面划痕越明显.这可能是因为纳米粒子是以颗粒的形式存在于摩擦副间，当纳米粒子含量较多时，随摩擦时间增加，少量ZnO纳米粒子团聚诱发形成磨粒磨损有关.

图3 不同轧制液的长磨磨斑金相显微形貌

表1为各轧制液润滑得到的极压系数(PB)和长磨试验得到的平均摩擦系数(μ).PB参数是表征摩擦副间润滑油膜所能承受的最大压力值.由表1可知:含有ZnO纳米粒子的轧制液的减摩和极压性能均优于DB轧制液;ZnO-2得到的摩擦系数值最低，PB值最高，极压抗磨性能最好.

表1 不同轧制液的平均摩擦系数(μ)和极压系数(PB)

综上可知，当 ZnO纳米粒子质量分数为0.7%时，对应水基ZnO-2轧制液的减摩抗磨性能最好.与DB相比，平均摩擦系数降低43%，极压系数PB值提高8.4%.

2.1.2 接触载荷对ZnO纳米轧制液的摩擦学性能的影响

轧制液在冷轧轧制润滑时，压下率不同，轧辊与带钢摩擦副间的接触压力也不同，轧制液的摩擦学性能也会有所不同.借助四球摩擦磨损试验机对不同接触载荷条件下的摩擦学性能进行研究分析，结果如图4所示.

图4 接触载荷与轧制液的平均摩擦系数关系

图4示出了4种轧制液在不同接触载荷条件下，长磨30 min得到的平均摩擦系数值的变化曲线，可以看出，在不同的接触载荷下，编号为ZnO -2轧制液的平均摩擦系数值均较低.即在不同接触载荷条件下，ZnO纳米粒子质量分数为0.7%的对轧制液的减摩效果最好.随着接触载荷的增大，4种轧制液的平均摩擦系数都有降低趋势.DB的平均摩擦系数随接触载荷的增大呈线性降低趋势，且降低量较小.与DB的变化趋势不同，ZnO纳米轧制液的平均摩擦系数变化趋势为:接触载荷小于400 N时，摩擦系数随接触载荷增大降低趋势明显，超过400 N后的变化趋势较小，趋于稳定.分析认为，轧制液中的ZnO纳米粒子以颗粒的形式存在于摩擦副间，当ZnO纳米粒子处在与其尺寸相当的间隙时，其滚动摩擦润滑机制才能建立，该间隙称为有效减摩抗磨间隙.在较低的接触载荷下(＜400 N)，随接触载荷增大，摩擦副间的有效减摩抗磨间隙数量增大，ZnO能够起到有效减摩抗磨作用的区域增多，宏观表现为平均摩擦系数随接触载荷增大降低趋势明显;较高的接触载荷条件下(≥400 N)，摩擦副间的有较减摩抗磨间隙数量趋于饱和，表现为摩擦系数变化趋势变缓，趋于稳定.

2.2 ZnO纳米粒子轧后带钢表面质量的影响

为研究不同轧制液对冷轧轧后硅钢表面质量的影响，在不同轧制液润滑条件下，采用四辊冷轧试验机测定各轧制液的轧制润滑性能.轧制试验分为4个道次，采用TR200粗糙度仪测定每道次轧后硅钢板的表面粗糙度，测定长度为5 mm，试验结果如图5所示.

图5为不同润滑条件下，冷轧轧制得到的硅钢板表面粗糙度与轧制道次的关系曲线图.如图5所示，采用含有ZnO纳米粒子轧制液进行轧制润滑时，轧后硅钢表面的粗糙度值随轧制道次的变化趋势明显不同于干轧和DB轧制液.无润滑时，随道次增多，轧后粗糙度变大至一定值后趋于稳定.DB轧制润滑时的粗糙度随轧制道次的变化趋势与干轧相同，粗糙度值的增加量较小.水基ZnO纳米轧制液系列轧制润滑时，随轧制道次增多，表面粗糙度Ra值略呈降低趋势.ZnO-2的轧后硅钢表面的粗糙度值最小.ZnO-3轧制液轧后得到的硅钢表面粗糙度值高于DB轧制液，表明ZnO纳米粒子含量较高时，轧制液的轧制润滑性能变差.

图5 不同润滑条件对轧后硅钢板表面粗糙度的影响

图6示出了不同轧制润滑条件下对应的第四道次轧后的硅钢表面形貌的金相显微照片.干轧得到硅钢表面分布有较大尺寸的点坑、较深的犁沟和部分区域有脆性断裂剥落等缺陷，如图6(a)所示.图6(b)为DB润滑轧制后的硅钢表面形貌.与干轧相比，犁沟和点坑等尺寸明显较小，脆性剥落等缺陷较少.图6(c)、(d)和(e)为水基ZnO纳米轧制液润滑后的硅钢表面相貌.对比分析可知，ZnO-2润滑得到的表面犁沟缺陷明显较浅，点坑等缺陷明显较少，表面光洁度较高.当纳米粒子含量较高时，ZnO-3润滑得到钢板表面犁沟缺陷增多，并出现较多的微坑，表面质量变差，如图6(e)所示.

图7为第四道次对应干轧、DB润滑、ZnO-2润滑轧制后得到硅钢表面粗糙度(Ra)轮廓曲线图.由图7可以看出，ZnO-2润滑得到表面粗糙化程度最小，凸峰和凹谷尺寸较小，DB轧制液次之，干轧最差.三者对应 Ra值分别为:干轧0.834 μm，DB为0.533 μm，ZnO-2为0.333 μm.ZnO-2的轧制润滑效果最好，比DB轧制液轧后粗糙度Ra值降低约37%，比干轧降低约60%.

图6 第四道次轧后硅钢钢表面形貌

图7 第四道次轧后硅钢表面粗糙度轮廓曲线

2.3 轧制液中ZnO纳米粒子作用机理

为研究ZnO纳米粒子在轧制液中的减摩抗磨机理，将轧后硅钢试样在石油醚中超声清洗20 min.采用SUPRA55场发射扫描电子显微镜(FESEM)及能谱分析仪对轧后硅钢薄带表面形貌和成分进行表征，试验结果如图8所示.

图8 ZnO－2润滑轧后硅钢表面的FESEM表面形貌

图8(a)为10 μm标尺尺度下的硅钢表面形貌，表面较为光滑，产生塑性变形.由图8(b)可以明显看到，一些类球状颗粒分布于硅钢基体表面上，能谱分析可知为ZnO纳米粒子，见图8(c)，其元素成分含量见表2.水基ZnO纳米轧制液轧制润滑机理为ZnO纳米粒子含量适当时，较多的颗粒状ZnO纳米粒子分布在摩擦副表面的有效减摩抗磨间隙处，类似微球轴承，起支承载荷的作用，使轧制液的减摩抗磨性能提高，类似于滚珠轴承模型［12］.纳米粒子含量过高，润滑轧制时则会发生团聚，形成磨粒磨损，使轧制液的摩擦学性能和轧制润滑性能变差.与ZnO-3润滑得到的四球长磨磨斑直径变大、划痕变深、轧后硅钢表面粗糙度值变高、表面出现较多的微坑缺陷等的试验现象相符.

表2 成分含量

3 结论

1)水基ZnO纳米轧制液的四球摩擦学特性和对硅钢的轧制润滑特性明显不同于传统轧制乳化液.与传统轧制液相比，四球摩擦系数较低，极压抗磨性能高;接触载荷对其摩擦系数变化的影响作用更明显，轧后粗糙度随道次变化略有降低趋势.

2)ZnO纳米粒子能够明显提高水基纳米轧制液的摩擦学性能和轧制润滑性能.在本文的试验条件下，当ZnO纳米粒子质量分数为0.7%时，水基ZnO纳米轧制液摩擦学性能和轧制润滑性能最好.摩擦学系数比DB降低43%，极压系数PB值提高8.4%.轧后硅钢表面光洁度较高，犁沟和点坑等缺陷细小，轧后表面粗糙度Ra值比DB轧制液降低37%，比干轧降低60%.

3)在接触载荷适当时，颗粒状的ZnO纳米粒子分布在摩擦副间的有效减摩抗磨间隙处，类似微球轴承，起支承载荷的作用而使轧制液的减摩抗磨性能提高.纳米粒子含量过高，易发生团聚诱发形成磨粒磨损，使轧后表面质量变差.

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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 文献标志码:A 文章编号:1005-0299(2012)06-0136-06

2011-12-09.

国家自然科学基金资助项目(51274037).

武元元(1986-)，男，硕士研究生;

孙建林(1963-)，男，教授，博士生导师.

孙建林，E-mail:sjl@ustb.edu.cn.

(编辑 吕雪梅)