含納米ZnO水基軋制液的摩擦學性能研究

王 冰，孫建林

（北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083）

工藝潤滑在軋制領(lǐng)域的應(yīng)用可以有效降低加工能耗，減少金屬磨損，提高軋后帶鋼表面質(zhì)量。隨著汽車板、造船板等對高表面質(zhì)量板材的需要，對軋制油的防銹性、潤滑性等提出了更高的要求。軋制液的合成方式經(jīng)歷了動植物油、合成油、礦物油、乳化液這一過程。由于傳統(tǒng)軋制液含油量高，用量大，易對環(huán)境造成危害［1－2］，不符合當前的環(huán)保理念，且其應(yīng)用過程中的功能效果有限，因此，水基軋制功能液的研發(fā)為軋制液的發(fā)展提供了一定的空間。

納米應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷擴大為研發(fā)合成功能性潤滑劑提供了發(fā)展平臺［3－4］。納米粒子作為潤滑添加劑具有優(yōu)良的抗磨減摩效果［5－6］，能夠提高潤滑劑的潤滑性能［7－10］。然而，目前對于納米粒子潤滑性能的研究主要集中在機械領(lǐng)域，主要研究了納米粒子對潤滑劑PB值以及摩擦系數(shù)的影響，在軋制應(yīng)用領(lǐng)域方面的研究很少有文獻報道。為此，本課題通過添加分散劑、防銹劑、極壓劑等提高水基軋制液的防銹性、極壓性，并采用化學分散方法和物理分散方法解決納米粒子分散性較差的問題，將納米ZnO均勻分散在水中，提高其抗摩擦磨損性能。設(shè)計三因素四水平正交實驗，研究納米粒子含量、分散溫度、分散時間對水基軋制功能液摩擦學性能的影響，并篩選出最優(yōu)條件；通過冷軋潤滑實驗，研究軋制功能液對冷軋潤滑效果的影響；進一步對軋后板帶鋼表面進行研究，并初步分析納米粒子在冷軋過程中的摩擦潤滑機理，為以后納米粒子在冷軋軋制液中的應(yīng)用提供理論參考。

1 實 驗

1.1 納米粒子的表征

采用DMAX－RB型X射線衍射儀對納米粒子的物相進行分析，其XRD圖譜如圖1所示，對照XRD圖譜分析可知其成分為ZnO。進一步使用FEI Tecnai G20透射電子顯微鏡對納米粒子進行表征，圖2為納米ZnO粒子的TEM照片。從圖2可以看出，納米ZnO的粒徑為20～50nm，大多呈現(xiàn)類球形。

圖1 納米ZnO的XRD圖譜

1.2 水基軋制功能液的研制

納米粒子的表面能高、粒徑小、活性大，作為添加劑在軋制液中使用易發(fā)生團聚，為了避免團聚，有效發(fā)揮納米ZnO的潤滑性能，使用聚乙二醇（PEG－2000）、三乙醇胺、苯并三氮唑、水性硼酸酯等分散劑、極壓劑與防銹劑，采用化學方法和物理方法將其均勻分散在水基軋制液中，并設(shè)計三因素四水平正交實驗優(yōu)化配方，合成水基軋制功能液，最后通過超聲波分散60min，進一步增強納米粒子的分散性；同時，選取通用冷軋軋制油用水稀釋，配制成含量為3%的乳化液進行對比實驗。

圖2 納米ZnO粒子的TEM照片

1.3 四球摩擦學實驗

根據(jù)GB/T 12583—1998在 MRS－10A四球摩擦磨損試驗機上進行摩擦學性能實驗，測定軋制功能液的最大無卡咬負荷PB值，對軋制功能液的承載能力進行評價。在承載力392N、轉(zhuǎn)速1 200r/min的條件下進行30min的長磨實驗，記錄數(shù)據(jù)并通過式（1）計算出各軋制功能液的平均摩擦因數(shù)μ。

式中：r為鋼球半徑，6.35mm；L＝120mm；P0為軸向試驗力，N；S為測摩擦力的讀數(shù)值，N。

在NEOPHOT－21型光學顯微鏡下，對長磨后的鋼球表面形貌進行觀察，并測量、計算出鋼球的平均磨斑直徑，對軋制功能液的抗磨減磨性能進行研究。本實驗所選用鋼球為上海鋼球廠生產(chǎn)的一級GCr15標準鋼球，直徑為12.7mm，硬度為61～65HRC。

1.4 冷軋潤滑實驗

在Φ130mm×220mm二輥實驗軋機上進行冷軋實驗，轉(zhuǎn)速為20r/min，研究不同潤滑條件對軋制力、軋制功率的影響。實驗用帶鋼為某廠生產(chǎn)的IF鋼，其規(guī)格為150mm×20mm×2.0mm。在軋制過程中，更換軋制液時分別用丙酮和酒精清洗輥面，以確保實驗結(jié)果的準確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗

設(shè)計三因素四水平按L16（43）正交實驗，如表1所示，共需16組實驗。通過四球摩擦實驗，得到水基軋制功能液的最優(yōu)配方，并分析出影響其摩擦學性能的主要因素與次要因素。

表1 實驗因素與水平

最大無卡咬負荷PB值，是在試驗條件下不發(fā)生卡咬的最高負荷，代表油膜強度的承載能力，數(shù)值越高潤滑效果越好；摩擦因數(shù)μ越小，同樣表明軋制功能液潤滑性能越好，因此，引入潤滑系數(shù)（ω），對PB值和μ進行綜合分析［11］，如式（2）所示。

經(jīng)過16組摩擦學實驗，得到正交實驗結(jié)果，見表2，其中，ω值越大說明軋制功能液的綜合潤滑性能越好；Kij為ω值的極差，R為ω值的方差。

表2 正交實驗結(jié)果分析

由表2可知，影響潤滑性能的因素按效果由大到小排列的順序為B＞C＞A，即影響軋制功能液極壓抗磨性能的主要因素為納米粒子的含量，其次為納米ZnO在軋制液中的分散溫度和分散時間；納米ZnO粒子作為潤滑添加劑配制板帶鋼冷軋軋制功能液的最優(yōu)條件為：A1B2C2，即納米粒子質(zhì)量分數(shù)為0.4%、分散溫度為60℃、分散時間為10min，在該條件下得到的水基軋制功能液具有優(yōu)良的摩擦潤滑性能。水基軋制功能液的理化性能為：運動黏度（40℃）2.84mm2/s、pH 值8.0、48h無銹；摩擦學性能為：PB值和μ分別為784N和0.061，與同實驗條件下測得的3%傳統(tǒng)冷軋乳化液（PB值726N，摩擦因數(shù)0.069）相比，有了明顯的改善，PB值提高了8.0%，μ降低了11.6%。

2.2 磨斑形貌

在光學顯微鏡下，對水基軋制功能液和3%乳化液潤滑下長磨后的鋼球磨斑形貌進行觀察，如圖3所示。

圖3 磨斑形貌照片

由圖3可以看出：在使用乳化液潤滑時，鋼球的磨斑直徑較大，為0.58mm，磨斑中部的磨痕較深且不均勻，邊緣處缺陷明顯，磨損嚴重；而采用水基軋制功能液潤滑時，鋼球的磨斑直徑僅為0.44mm，且磨斑較為完整，邊緣粗糙化程度較輕，不存在明顯磨損脫落現(xiàn)象，與圖3（a）相比，中部磨痕有所減輕，說明納米粒子在長時間摩擦過程中具有優(yōu)良的抗摩擦磨損功能。

2.3 冷軋潤滑實驗

在Φ130mm×220mm二輥實驗軋機上，采用3種不同的潤滑狀態(tài)，進行冷軋潤滑實驗，軋輥轉(zhuǎn)速為20r/min，其軋制規(guī)程如表3所示。

表3 軋制道次與壓下率的設(shè)定

不同潤滑狀態(tài)下各道次軋制力以及軋制功率變化曲線如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知：與無潤滑軋制狀態(tài)相比，在采用工藝潤滑狀態(tài)下，每道次軋制力與軋制功率均顯著降低；而與傳統(tǒng)乳化液相比，采用水基軋制功能液時道次軋制力與軋制功率平均下降了6.2%和8.6%，這是由于納米粒子的添加有效地提高了軋制液的潤滑性能，減少了軋制過程中摩擦磨損的發(fā)生，從而使摩擦系數(shù)下降，導致軋制力與軋制功率降低。

圖4 軋制力變化曲線

圖5 軋制功率變化曲線

2.4 軋后帶鋼表面質(zhì)量分析

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化原理可知，采用納米潤滑能夠有效減少軋制過程中的能量損耗，為了進一步研究節(jié)能的原因，對軋后帶鋼的表面質(zhì)量進行了分析。通過NEOPHOT－21型光學顯微鏡，對原始帶鋼及不同工藝潤滑條件下冷軋最后一個道次板帶鋼表面形貌進行觀察，其光學顯微照片如圖6所示。

圖6 冷軋板帶鋼表面形貌照片

通過對比分析圖6可以得出：帶鋼原始表面經(jīng)軋制后出現(xiàn)明顯的軋制紋理，與軋制方向一致；在無潤滑冷軋時，由于軋輥與軋件表面直接接觸，在變形熱與摩擦熱的作用下引起黏輥或產(chǎn)生黏附摩擦，且在表面“硬質(zhì)點”的磨削作用下，導致帶鋼表面劃痕深淺不一，呈隨機分布狀態(tài)，板面質(zhì)量較差；乳化液具有離水展著性，在使用3%乳化液潤滑時，油水分離，能夠在軋輥與軋件之間形成一層潤滑油膜，避免兩摩擦副直接接觸，減少了磨損量，因此，其表面劃痕較淺，且分布均勻，得到的板面質(zhì)量較好；與乳化液潤滑相比，采用水基軋制功能液進行冷軋后，帶鋼表面質(zhì)量明顯改善，軋制紋理清晰，劃痕和“犁溝”少而淺，“坑狀”缺陷基本消失。這是由于在軋制過程中，一方面水基軋制功能液中納米粒子表面與添加劑相互結(jié)合，形成極壓潤滑膜，在冷軋高速運動與壓力作用下能夠有效浸潤摩擦副表面，形成納米潤滑層，為納米粒子附著在帶鋼表面提供了有利條件；另一方面，高表面能的類球形納米粒子在運動中不斷遷徙到帶鋼新生表面處，表現(xiàn)出類似“微軸承”的作用，將局部滑動摩擦變成滾動摩擦，減少了軋輥與軋件的實際接觸面積，從而降低了摩擦磨損的發(fā)生，正是由于摩擦狀態(tài)的改變，使摩擦因數(shù)下降，導致軋制力與軋制功率顯著降低，達到節(jié)能效果。

2.5 納米潤滑機理分析

為了對納米粒子在軋制過程中的作用機理進行研究，使用TR200粗糙度儀對試樣表面進行粗糙度測量，得到輪廓最大峰值Rp、輪廓最大谷深Rv和中線平均值Ra，如表4所示。由表4可以看出，與無潤滑狀態(tài)相比，在不同潤滑條件下，Ra值變化較小，Rp值與Rv值變化較為明顯，其中采用水基軋制功能液時效果最佳。這是由于在冷軋過程中，水基軋制功能液中經(jīng)過分散劑、極壓劑表面修飾后的類球狀納米粒子能夠承受局部較大壓力，在帶鋼表面滾動，碾壓“凸起”部位，有效降低了表面輪廓最大峰值，同時，部分納米粒子能夠填充在“凹坑”與“溝犁”等能量較高的缺陷處，減少了表面磨損的發(fā)生，從而使輪廓最大谷深Rv值下降，因此與乳化液冷軋表面相比，水基軋制液冷軋表面質(zhì)量得到很大改善。

表4 帶鋼表面粗糙度

進一步對帶鋼表面進行EDS分析并統(tǒng)計元素含量，結(jié)果如圖7和表5所示。由圖7和表5可以看出，經(jīng)多道次軋制后，在帶鋼表面檢測到Zn元素存在，且Zn元素的質(zhì)量分數(shù)和摩爾分數(shù)分別為3.67%與2.87%。結(jié)合粗糙度數(shù)據(jù)，進一步說明納米粒子在軋制后能夠附著在帶鋼表面，降低了摩擦磨損的發(fā)生，提高了帶鋼表面質(zhì)量。

圖7 帶鋼軋制后EDS能譜

表5 元素含量統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）通過聚乙二醇（PEG－2000）、三乙醇胺、苯并三氮唑、水性硼酸酯等分散劑、極壓劑與防銹劑的復配，研制了水基軋制功能液，并設(shè)計三因素四水平正交實驗，篩選出最優(yōu)條件：納米ZnO質(zhì)量分數(shù)為0.4%、分散溫度為60℃、分散時間為10min，在該條件下得到的軋制液的摩擦學性能最優(yōu)。

（2）水基軋制功能液的 PB值為784N、μ為0.061，與3%乳化液相比，PB值提高了8.0%，μ降低了11.6%，其理化性能為：運動黏度（40℃）2.84mm2/s、pH 值8.0、48h無銹。

（3）二輥冷軋實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)乳化液相比，水基軋制功能液潤滑下，軋制力與軋制功率平均下降了6.2%和8.6%。

（4）對軋后帶鋼表面進行分析可知，水基軋制功能液中的納米粒子與添加劑相互結(jié)合，形成極壓潤滑膜，且可以填充在缺陷部位，降低帶鋼表面粗糙度，提高表面質(zhì)量；通過EDS檢測，發(fā)現(xiàn)Zn元素存在，進一步說明納米粒子在冷軋過程中具有抗摩減磨作用，有利于表面質(zhì)量的改善。

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