纳米润滑对波纹轧制铝合金板材表面质量的影响研究

马丽楠，赵敬伟，齐艳阳，王 琛，王 涛，万善宏

(1.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024；2.太原理工大学 a.机械与运载工程学院，b.先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心，太原 030024；3.中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，兰州 730000)

随着中国经济持续发展和工业转型升级，市场对板带产品的质量要求日益提高。润滑因其对轧制板带产品质量有重要影响而越来越受到重视[1-2]。近年来，国内外学者对轧制过程中的润滑开展了广泛研究。王一助等[3]利用二辊轧机进行了纳米润滑下的板带钢冷轧实验，并与传统轧制润滑剂进行了对比。结果表明，由于纳米颗粒的使用，纳米润滑剂能提高轧辊-轧件的抗磨性能、降低摩擦系数，同时改善轧件的表面质量。朱广平等[4]的研究发现，润滑剂添加纳米颗粒后能明显降低带钢冷轧时的最小可轧厚度。朱作鑫等[5]通过开展不同润滑条件下的热轧实验，得出采用纳米润滑能降低轧制力、减小终轧厚度结论。WU et al[6]对水基纳米润滑剂的润滑性能和机理进行了研究，发现添加质量分数为0.8%的TiO2纳米颗粒可显著改善润滑剂的润滑性能，并将润滑机理概括为纳米颗粒的“滚珠”效应以及修复、填充机制。XIA et al[7]研究了TiO2纳米颗粒对高速钢表面氧化后的摩擦学行为的影响，结果显示TiO2浓度越高，纳米颗粒团聚现象越明显。此外，赵敬伟等[8]阐述了水/油基纳米润滑剂的制备方法、润湿性、摩擦学特性以及热轧润滑性能，其研究对促进热轧润滑技术的发展具有重要的现实意义。

传统的轧制工艺上下轧辊均采用平轧辊，因此学者对轧制过程中润滑的研究大多也是基于平轧。黄庆学等[9-10]提出一种新型的波纹轧制工艺，而纳米润滑对于波纹轧制影响的研究目前未见相关报道。基于此，本文开展了纳米润滑对波纹轧制铝合金板材表面质量影响的实验研究。

1 实验方法

实验原材料为1060铝合金板材，其规格为200 mm×60 mm×3 mm，化学成分如表1所示。所用轧机为二辊波纹辊轧机，其中上辊为波纹辊，下辊为平辊[11]，辊径均为150 mm.波纹辊的辊型曲线为正弦曲线[12]，振幅为0.4 mm，周期为60 s.将铝合金板材在室温下进行单道次轧制，压下率为40%，轧制速度为0.1 m/s.选用30 nm的TiO2颗粒、水和油按照一定比例混合后在高速搅拌器中搅拌均匀并进行超声振动，制成纳米润滑剂，轧制过程中向波纹辊均匀喷洒纳米润滑剂，待其分散均匀后进行铝合金板材轧制。为了便于比较，在相同条件下分别进行5组无润滑和纳米润滑轧制实验。波纹轧制示意图、轧后铝合金板材形貌及取样观测位置、波峰波谷示意图如图1-图3所示。

表1 1060铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of 1060 aluminum alloy %

图1 波纹轧制示意图Fig.1 Schematic diagram of corrugated rolling

图2 轧后铝合金板材形貌Fig.2 Morphology of rolled aluminum alloy sheet

图3 波峰波谷示意图Fig.3 Schematic diagram of peak and trough

2 实验结果与讨论

运用基恩士形状轮廓激光测量系统(VK-X)观察波纹轧制后的板材形貌并对波峰、波谷表面质量进行分析。

2.1 波峰表面形貌

图4和图5分别是无润滑和纳米润滑条件下波纹轧制板材的波峰形貌图。由图可以明显看出，未进行纳米润滑的轧制板材的波峰凹凸不平，表面粗糙，板材表面随着轧制方向鱼鳞状缺陷明显，而采用纳米润滑后板材的波峰表面质量得到了明显改善，表明纳米颗粒通过切削和填充作用，使轧后板材表面变得更加平滑。

图4 无润滑条件下波纹轧制板材的波峰形貌图Fig.4 Morphology of peak without lubrication

图5 纳米润滑条件下波纹轧制板材的波峰形貌图Fig.5 Morphology of peak with nano-lubrication

图6为与图4对应的无润滑条件下的波峰表面高度图及曲面矫平图，图7为与图5对应的纳米润滑条件下的波峰表面高度图和曲面矫平图。由图可以看出，未经润滑的板材表面高度色差较大，粗糙度较大，而经过纳米润滑后的板材表面高度色差相对较小，粗糙度明显减小。

图6 无润滑条件下板材的波峰表面高度云图(a)及曲面矫平图(b)Fig.6 Surface height cloud map of peak without lubrication(a) and surface leveling map(b)

图7 纳米润滑条件下板材的波峰表面高度云图(a)及曲面矫平图(b)Fig.7 Surface height cloud map of peak with nano-lubrication(a) and surface leveling map(b)

为了进一步分析纳米润滑对波纹轧制铝合金板材表面质量的影响，对轧后板材进行了表面粗糙度数值测量。图8是截取5组轧后板材波峰全域的示意图及表面粗糙度数据，图9是截取5组轧后板材波峰局域示意图及表面粗糙度数据。由图可以看到：无润滑条件下的板材波峰全域表面粗糙度均值为2.24 μm，采用纳米润滑时波峰全域表面粗糙度均值仅为1.68 μm.无润滑波峰局域表面粗糙度均值为2.12 μm，而润滑后的波峰局域表面粗糙度均值仅为1.60 μm.润滑后全域和局域表面粗糙度数值均明显下降，波峰全域及局域的表面粗糙度数值较无润滑时分别降低25%和24%，全域和局域对比分析均验证了纳米润滑对改善板材波峰表面质量的有益作用。

图8 轧后板材的波峰全域示意图(a)及表面粗糙度数值(b)Fig.8 Schematic diagram of the whole area of peak(a) and surface roughness value(b)

图9 轧后板材的波峰局域示意图(a)及表面粗糙度数值(b)Fig.9 Schematic diagram of the local area of peak(a) and surface roughness value(b)

2.2 波谷表面形貌

图10和图11分别是无润滑和纳米润滑条件下波纹轧制板材的波谷形貌图。可以看出，波谷呈现出与波峰不同的形貌，未进行纳米润滑的轧制板材的波谷凸起和凹坑明显，缺陷数量多，表面粗糙严重。而纳米润滑后的板材波谷表面形貌得到了明显的改善，纳米颗粒对凸起起到了明显的切削作用，对部分凹坑进行了填充，使轧后板材表面变得更加平滑，凸起几乎消失，凹坑数量显著降低。

图10 无润滑条件下波纹轧制的材料波谷形貌图Fig.10 Morphology of trough without lubrication

图11 纳米润滑条件下波纹轧制的材料波谷形貌图Fig.11 Morphology of trough with nano-lubrication

图12和图13分别为无润滑和纳米润滑条件下波纹轧制板材的波谷表面高度图。从图中可以看出，未经润滑的轧制板材波谷表面缺陷尺寸较大，数量较多。经过纳米润滑后的轧制板材波谷表面高度差值明显减小，粗糙度降低。

图12 无润滑条件下波纹轧制板材波谷表面高度云图(a)及曲面矫平图(b)Fig.12 Surface height cloud map of trough without lubrication(a) and surface leveling map(b)

图13 纳米润滑条件下波纹轧制板材波谷的表面高度云图(a)及曲面矫平图(b)Fig.13 Surface height cloud map of trough with nano-lubrication(a) and surface leveling map(b)

图14是截取5组轧后板材波谷全域示意图及表面粗糙度数据，图15是截取5组轧后板材波谷局域示意图及表面粗糙度数据。从图中可以看出，无润滑的波谷全域表面粗糙度均值为2.11 μm，润滑后的波谷全域表面粗糙度均值降为1.64 μm.

图14 轧后板材的波谷全域示意图(a)及表面粗糙度数值(b)Fig.14 Schematic diagram of the whole area of trough(a) and surface roughness value(b)

无润滑的波谷局域表面粗糙度均值为2.16 μm，而纳米润滑后的波谷局域表面粗糙度均值降为1.64 μm.纳米润滑后波纹板的波谷全域及局域的表面粗糙度数值较无润滑时分别降低22%和24%，从数值上验证了纳米润滑对波纹轧制的优良作用。

图15 轧后板材的波谷局域示意图(a)及表面粗糙度数值(b)Fig.15 Schematic diagram of the local area of trough(a) and surface roughness value(b)

3 结论

1) 纳米润滑后的波纹板波峰、波谷处表面光滑，缺陷较少。

2) 全域或局域的数据分析都表明：纳米润滑后轧制波纹板波峰、波谷处的表面粗糙度数值明显降低。波峰全域及局域的表面粗糙度数值较无润滑时分别降低25%和24%，波谷全域及局域的表面粗糙度数值较无润滑时分别降低22%和24%.

3) 纳米颗粒在波纹轧制过程中对板材表面进行了修饰，达到了降低表面粗糙度、改善表面质量目的。