納米TiO2對銅板帶軋制乳化液摩擦學性能的影響

蔡文通，孫建林

（1.中國石油化工股份有限公司潤滑油研發 （北京）中心，北京100085；2.北京科技大學材料科學與工程學院）

在冷軋銅板帶的生產過程中，一般都使用乳化液來進行軋制潤滑。在傳統乳化液中含有大量的基礎油及油性添加劑等［1］，這些物質的存在使得軋制過程中的油霧污染嚴重，且含有芳烴類的乳化液容易誘發癌癥，對工人的身心健康造成很大危害。另外，為了增加乳化液的極壓潤滑性能，傳統的乳化液常添加大量硫系極壓抗磨劑，含這些物質的乳化液在廢液排放時會對水環境造成很大的污染［2］。納米TiO2粒子具有小尺寸效應、界面效應以及低熔點等特性［3－5］，將其添加到軋制乳化液中，不僅能使乳化液具有良好的摩擦學性能，而且還可以修復破損的摩擦表面，同時，納米TiO2粒子的水性軋制液具有環境友好等特點，對環境不造成污染。本研究選用納米TiO2作為軋制液添加劑，利用四球摩擦磨損試驗機和四輥冷軋試驗機考察其摩擦學性能及對銅板帶的冷軋潤滑效果，并初步探討其抗磨機理。

1 實 驗

1.1 納米TiO2的表征

文獻［6］報道，未經修飾的TiO2納米粒子不能分散于非極性有機溶劑中，在水中卻有較好的分散性，因此本課題在對水基軋制液的研究中采用未經修飾的納米TiO2粒子。利用JEM－2010型高分辨透射電鏡對納米TiO2的粒度和表面形貌進行表征，結果見圖1。由圖1可見，納米TiO2大多呈類球形狀，經計算其單分散的顆粒粒徑約為10nm。

圖1 納米TiO2粒子透射電鏡照片

1.2 軋制液的配制

以可生物降解的環保型棕櫚油和中性油作為基礎油組分，添加除極壓抗磨劑外的其它功能添加劑，配制成基礎軋制乳化油，代號為ZL。將極壓抗磨劑加到基礎軋制乳化油樣品中，添加量為18%～25%，代號為ZL＋Co。利用KQ－50E型超聲波分散儀，將未經修飾的納米TiO2粒子分散到基礎軋制乳化油樣品中，添加量為16%～24%，代號為ZL＋Nano。以水為稀釋劑，將兩種軋制乳化油配制成體積分數為5%的乳化液，其中ZL＋Nano軋制乳化油配制的軋制乳化液中納米TiO2質量分數為0.025%。

1.3 軋制液的四球機摩擦學性能測試

在MRS－10A四球摩擦磨損試驗機上，采用GB/T 12583—1998方法測定軋制乳化液的最大無卡咬負荷（PB值）和摩擦系數，評價各軋制乳化液的承載能力。在載荷為（392±5）N、轉速為（1 200 ±5）r/min的條件下，進行60min的摩擦磨損試驗，用四球試驗機附帶的軟件計算軋制液的平均摩擦系數。采用德國產NEOPHOT－2型光學顯微鏡測量鋼球磨斑直徑，以比較兩種軋制乳化液的抗磨減摩性能。所用鋼球為上海鋼球廠生產的一級GCr15標準鋼球，直徑為12.7mm，硬度為61～65HRC。

1.4 銅板帶冷軋試驗

采用Φ95mm/Φ200mm×200mm四輥冷軋試驗軋機測試銅板帶最小可軋厚度，軋制速率為60r/min，所用銅板為常州某銅廠生產的H68黃銅板帶，規格為150mm×50mm×1mm。軋制前分別用浸有汽油、丙酮和酒精的棉紗擦洗輥面，再用干凈醫用棉擦干，銅板帶試樣用同樣的方法擦洗干凈。軋制前，將軋制液噴射到軋輥上，空轉幾周，待軋制液均勻分布在輥面后再開始進行軋制試驗。軋制時，將軋制液均勻噴射到軋輥和軋件表面，用千分尺測量銅板帶的初始厚度和每次軋后厚度。

2 結果與討論

2.1 軋制液的摩擦學性能

PB值用來表征軋制液的承載能力［7］，而PB值結合摩擦系數可以很好地反映軋制乳化液的極壓性能和抗磨減摩性能。分別使用ZL＋Co和ZL＋Nano進行四球摩擦磨損試驗，取3次試驗的平均值，結果見表1。從表1可以看出：添加納米TiO2粒子的軋制乳化液的PB值達到755N，摩擦系數為0.069，比不添加納米TiO2粒子的傳統軋制乳化液分別提高5.44%和減小5.48%。表明添加納米TiO2粒子的軋制乳化液具有優良的極壓抗磨性能和負荷承載能力，能夠有效地提高軋制乳化液的綜合摩擦學性能。

表1 兩種軋制乳化液的極壓抗磨性能

ZL＋Co和ZL＋Nano軋制液潤滑下摩擦系數隨時間的變化見圖2。從圖2可以看出，兩種軋制液潤滑下的摩擦系數變化趨勢有所不同。ZL＋Nano軋制液潤滑下的摩擦系數較低，隨時間的延長呈現降低趨勢并趨于穩定。原因可能在于納米微粒的粒徑小、表面能高、熔點低，在摩擦過程中可在摩擦副的接觸表面形成摩擦化學反應膜和吸附膜。

圖2 摩擦系數隨時間的變化曲線

兩種軋制乳化液潤滑下長磨60min后的鋼球磨斑形貌顯微照片見圖3。從圖3可以看出：傳統軋制乳化液潤滑后，形成的邊界潤滑油膜不完整，導致磨斑形貌的邊界比較凌亂，劃痕也比較深，而采用添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤滑后的磨斑邊界整齊、劃痕淺和磨斑半徑較小，這與納米TiO2粒子良好的減摩、抗磨及極壓性能相對應。在摩擦過程中，軋制乳化液中的納米TiO2顆粒可沉積在摩擦副的接觸表面凹陷處，起到填平修復作用，同時隨著摩擦的進行，納米TiO2顆粒在摩擦表面局部或瞬時高溫作用下處于熔化或半熔化狀態，在摩擦副表面的潤濕性增強［8］，最終形成含納米TiO2的保護膜，從而阻止摩擦副表面間的直接接觸，減輕摩擦磨損。對使用添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤滑下鋼球表面進行EDS圖譜分析，結果見圖4。從圖4可以看出，在鋼球表面有Ti元素存在，這也證明了駐留在磨痕表面的納米TiO2粒子起到了修復缺陷和微裂紋的作用。

圖3 鋼球表面磨斑形貌顯微照片

圖4 試驗后鋼球表面的EDS圖譜

2.2 軋制乳化液在銅板帶冷軋中的潤滑性能及軋件軋后表面形貌分析

軋制力和極限壓下率是銅板帶冷軋過程中的兩個重要參數，其值的大小直接反映了軋制過程中能耗的高低和軋制液潤滑性能的好壞。圖5為分別采用干軋、傳統軋制乳化液和添加納米TiO2粒子的軋制乳化液3種潤滑狀態下，軋件在軋制過程中的實測軋制力和壓下率之間的關系曲線。從圖5可以看出，相同的壓下率時，添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤滑條件下的軋制力比干軋和傳統軋制乳化液潤滑條件下的軋制力低，最大降幅分別可達29.3%和10.3%，軋機能耗明顯降低。表明添加納米TiO2粒子的軋制乳化液具有較好的軋制潤滑性能，完全能夠替代傳統乳化液。

圖5 不同潤滑條件下軋制力和壓下率的關系曲線■—干軋；●—ZL＋Co；▲—ZL＋Nano

不同軋制液潤滑條件下的銅帶軋后表面形貌照片見圖6。從圖6可以看出：在干軋條件下，由于在軋制過程中不能形成有效的邊界潤滑膜，導致軋輥和軋件表面直接接觸，引起黏輥或磨粒磨損，軋后帶鋼板面紋理粗糙、光潔度差；使用傳統乳化液潤滑時，在軋制過程中可以形成極壓潤滑膜，從而減小摩擦、降低磨損、提高軋制產品板面平整度和光潔度；使用添加納米TiO2粒子的軋制乳化液潤滑時，納米TiO2粒子和油酸在軋制過程中形成穩定的邊界潤滑膜，其效果如同傳統乳化液的極壓潤滑膜，并且在冷軋過程中的高負荷下，納米TiO2粒子能在軋件表面鋪展壓合，對軋件表面的缺陷和微裂紋起到修補作用，從而使得板面質量有進一步的提高。

圖6 不同軋制液潤滑條件下的銅帶軋后表面形貌照片

3 結 論

（1）與傳統軋制乳化液相比，添加納米TiO2粒子的軋制乳化液的PB值提高5.44%、摩擦系數減小5.48%，具有優良的極壓抗磨能力和負荷承載能力，綜合摩擦學性能提高。

（2）在水性軋制液中添加納米TiO2粒子能有效降低軋制過程中的實測軋制力，提高極限壓下率，其軋制潤滑效果優于傳統乳化液。

（3）水性軋制液中的納米TiO2粒子能形成牢固的邊界潤滑膜和對表面缺陷進行修復，可提高銅板帶軋后表面質量。

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