金屬加工液潤(rùn)滑成膜性能研究

李小剛，丁芳玲，李彤

(中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司昆侖潤(rùn)滑檢測(cè)評(píng)定中心，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

金屬加工液又稱金屬加工潤(rùn)滑劑，是指用于金屬及其合金切削、沖壓、軋制和拉拔等各種加工過(guò)程中所使用的潤(rùn)滑劑，是金屬加工過(guò)程重要的配套材料[1]。金屬加工液的主要作用是潤(rùn)滑、冷卻、防銹和清洗，它的使用可提高加工表面光潔度，延長(zhǎng)刀具使用壽命，提高生產(chǎn)效率[2]。金屬加工液由基礎(chǔ)組分與添加劑組成。基礎(chǔ)組分是金屬加工液的主要成分。對(duì)于乳化液、微乳液是指基礎(chǔ)油，對(duì)于合成液是指用量較大的聚醚、合成酯或水等主要成分[3]。我國(guó)金屬加工液高檔油品較少，主要依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外油品有一定差距。此外高檔油進(jìn)口原因有以下幾點(diǎn)：(1)引進(jìn)設(shè)備的國(guó)內(nèi)企業(yè)難以接受?chē)?guó)產(chǎn)替代油，擔(dān)心油品質(zhì)量達(dá)不到技術(shù)要求，損毀大型設(shè)備，給企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；(2)雖然在理化指標(biāo)方面與進(jìn)口油的質(zhì)量水平相當(dāng)，但由于缺少與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)的模擬試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，所以抑制了我國(guó)金屬加工液的發(fā)展。因此開(kāi)發(fā)相關(guān)的模擬試驗(yàn)方法可以促使金屬加工液的發(fā)展。

金屬加工的潤(rùn)滑與一般的設(shè)備潤(rùn)滑有所不同。普通的設(shè)備潤(rùn)滑都是在摩擦副表面上反復(fù)運(yùn)動(dòng)建立起來(lái)的，而金屬加工的潤(rùn)滑則總是在工件不斷產(chǎn)生的新生表面上進(jìn)行。因此，金屬加工的潤(rùn)滑相對(duì)普通設(shè)備的潤(rùn)滑更為苛刻，對(duì)潤(rùn)滑功能的要求也要高一些[4]。金屬加工液潤(rùn)滑性的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法多種多樣，每一種都有其特有的優(yōu)缺點(diǎn)，常見(jiàn)的有：V型塊測(cè)試法、四球法及環(huán)塊測(cè)試法[5]。這些方法評(píng)價(jià)金屬加工液的極壓抗磨性能較為有效，但是油品的極壓抗磨機(jī)理還是和油品在金屬表面形成的油膜厚度有關(guān)。邵騰飛，魏朝良[6]等人采用SRV試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦系數(shù)和電阻值來(lái)反應(yīng)含硫劑的油膜厚度和潤(rùn)滑性能，之前有學(xué)者采用電阻法、電容發(fā)和光干涉法測(cè)量軋制變形區(qū)油膜厚度[7-9]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬加工液潤(rùn)滑成膜性能研究，選用鋼廠冷軋機(jī)組為研究對(duì)象，通過(guò)模擬其實(shí)際工況研究并建立評(píng)價(jià)金屬加工液潤(rùn)滑成膜性能的方法。本文以英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的EHD油膜厚度試驗(yàn)機(jī)為平臺(tái)，以國(guó)內(nèi)某鋼廠在用軋制油為參比油A、B，自主研制軋制油為參比油C進(jìn)行模擬試驗(yàn)方法的研究建立工作，并應(yīng)用建立的方法研究不同配方體系金屬加工液潤(rùn)滑成膜性能。

1 EHD油膜厚度試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介

EHD油膜厚度測(cè)量?jī)x是由英國(guó)PCS公司生產(chǎn)的專門(mén)用于測(cè)定潤(rùn)滑劑在彈性流體潤(rùn)滑區(qū)域的油膜厚度和牽引系數(shù)。測(cè)量精度能夠準(zhǔn)確到1 nm，可以測(cè)量在任意滾滑比從0(純滾動(dòng))至100%(純滑動(dòng))條件下的油膜厚度和牽引系數(shù)。測(cè)定的潤(rùn)滑性能是在鋼球和旋轉(zhuǎn)的鋼盤(pán)玻璃盤(pán)之間形成的潤(rùn)滑區(qū)域。接觸壓力和剪切速率模擬了實(shí)際運(yùn)行工況下的齒輪、滾動(dòng)軸承和凸輪的運(yùn)動(dòng)形式。試驗(yàn)機(jī)照片見(jiàn)圖1。

圖1 EHD油膜厚度試驗(yàn)機(jī)

1.1 EHD油膜厚度試驗(yàn)機(jī)控制參數(shù)(見(jiàn)表1)

表1 試驗(yàn)機(jī)控制參數(shù)

1.2 EHD油膜厚度試驗(yàn)機(jī)工作原理

試驗(yàn)玻璃盤(pán)與試驗(yàn)鋼球以一定的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)鋼球通過(guò)加載裝置施加在試驗(yàn)玻璃盤(pán)上一定的負(fù)荷，試驗(yàn)鋼球通過(guò)滾動(dòng)將試驗(yàn)油品卷吸入與試驗(yàn)玻璃盤(pán)接觸區(qū)，而從試驗(yàn)鋼球與試驗(yàn)玻璃盤(pán)接觸區(qū)正上方顯微鏡發(fā)出的白色光源通過(guò)玻璃盤(pán)照射到與鋼球接觸區(qū)；部分光通過(guò)鍍Cr層反射回去，部分光通過(guò)SiO2涂層和油膜后由鋼球表面再反射回去；反射回去的光重新組合成一個(gè)干涉圖像進(jìn)入光譜儀，然后進(jìn)入CCD相機(jī)，通過(guò)軟件處理表征出油膜厚度。

2 模擬試驗(yàn)方法研究

2.1 參比油簡(jiǎn)介

本文研究所選用的參比油A、B來(lái)自國(guó)內(nèi)某鋼廠在用油，參比油C為自主研制油。三種參比油的理化性能參數(shù)如表2所示。

表2 參比油理化性能參數(shù)

2.2 確定模擬試驗(yàn)條件

根據(jù)對(duì)鋼廠現(xiàn)場(chǎng)軋制工況的調(diào)研，經(jīng)研究確定的模擬試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)油溫60 ℃、試驗(yàn)速度0～3 m/s。

2.3 參比油試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 參比油試驗(yàn)結(jié)果

在確定的模擬試驗(yàn)條件下對(duì)參比油A、B、C進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 參比油A、B、C試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看到：隨著速度的增大，油膜厚度是增厚的，因?yàn)樵囼?yàn)鋼球和盤(pán)之間的卷吸速度也增大，而卷吸速度是形成潤(rùn)滑油膜的必要條件，因此油膜厚度隨著速度的增大而增厚[14]。同時(shí)在高速下，三種參比油的油膜厚度從大到小依次是參比油C、參比油B、參比油A，結(jié)合三種參比油的黏度可以理解為高速下潤(rùn)滑油成膜影響因素主要為黏度。參比油C在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中油膜厚度均較參比油A、B的厚，也說(shuō)明了自主研發(fā)的參比油C的潤(rùn)滑成膜性能較好。在低速下的油膜厚度參比油C較厚，而參比油A、B基本一致，結(jié)合邊界混合潤(rùn)滑原理以及三種參比油中的添加劑元素P的含量，說(shuō)明參比油C在低速下潤(rùn)滑油膜較厚主要是其配方體系中含量較高的P在低速下有增膜的作用。

2.3.2 參比油配制的軋制液試驗(yàn)結(jié)果

水基金屬加工液于40年代問(wèn)世，由于其具有油基液難以比擬的冷卻特性及低廉的成本而得到了迅速發(fā)展[10]。軋制液屬于水基金屬加工液中的一種，是在金屬軋制過(guò)程中起潤(rùn)滑、冷卻、清洗作用的金屬加工液[11]。它可以增加軋制金屬過(guò)程中的滲透性，提高了冷卻和潤(rùn)滑效果，同時(shí)避免了處理廢液的難題，且可根據(jù)金屬加工工況調(diào)節(jié)金屬加工液的用量，達(dá)到最佳潤(rùn)滑效果[12]。隨著鋼廠軋制速度的不斷提高，軋輥溫升增加，迫切要求解決軋輥的冷卻問(wèn)題，因此出現(xiàn)了兼有潤(rùn)滑和冷卻作用的乳化液潤(rùn)滑來(lái)代替純油潤(rùn)滑。

2.3.3 參比油配制的軋制液變速試驗(yàn)結(jié)果

本文將參比油A、B、C配制的一定濃度的軋制液作為參比油D、E、F，在研究建立的試驗(yàn)方法中進(jìn)行試驗(yàn)。將試驗(yàn)速度恒定、油溫升高到100 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同配方體系軋制液的增膜性能。具有增膜效果的軋制液能改善軋制過(guò)程中軋件的前滑作用，前滑會(huì)影響軋輥對(duì)軋件表面的拋光作用，進(jìn)而影響板材軋制后的質(zhì)量[5]。參比油D、E、F的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 參比油D、E、F試驗(yàn)結(jié)果

從圖3的試驗(yàn)結(jié)果可以看到參比油F有明顯的增膜效果，這一現(xiàn)象也和圖2中參比油C在低速下的增膜效果一致，因?yàn)閰⒈扔虵是參比油C按一定濃度調(diào)制的軋制液。而這一增膜現(xiàn)象主要是由于其配方體系中P系添加劑所致，也說(shuō)明P系添加劑軋制油在低速下具有增膜的效果，有利于降低軋制油在邊界混合潤(rùn)滑狀態(tài)的磨損。

2.4 參比油極壓性能試驗(yàn)結(jié)果

為了能更好地說(shuō)明本文研究建立的模擬試驗(yàn)方法的效果，我們將參比油A、B、C在Falex V型塊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行極壓性能的測(cè)試。Falex V型塊試驗(yàn)機(jī)因其摩擦副與板材軋制過(guò)程接觸形式相近而被廣泛應(yīng)用于軋制油品的研發(fā)中。本文采用SH/T 0187-92標(biāo)準(zhǔn)方法(B法)。將鋼制的試驗(yàn)軸浸沒(méi)在試驗(yàn)油中，被兩個(gè)靜止的V形塊夾住，以(290±10) r/min旋轉(zhuǎn)。通過(guò)棘輪機(jī)構(gòu)給V形塊施加負(fù)荷(初始負(fù)荷2224 N，以1112 N增量逐步加載)，在每個(gè)負(fù)荷增量后要恒定1 min，所得到的試驗(yàn)失效負(fù)荷值是判斷極壓性能水平的標(biāo)準(zhǔn)。三種參比油實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和表3所示。

表3 參比油極壓性能測(cè)試結(jié)果

圖4 參比油極壓性能測(cè)試摩擦系數(shù)對(duì)比

摩擦系數(shù)突變?cè)龃蟠順O壓性能失效，如圖4中參比油A、B，而參比油C摩擦系數(shù)一直平穩(wěn)且無(wú)突變?cè)龃?，并且其極壓性能結(jié)果大于設(shè)備極限值13344 N，也說(shuō)明了其良好的極壓性能。

2.5 參比油摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

將參比油A、B、C在Falex V型塊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)試，采用SH/T 0201-92標(biāo)準(zhǔn)方法。將鋼制的試驗(yàn)軸浸沒(méi)在試驗(yàn)油中，被兩個(gè)靜止的V形塊夾住，以(290±10) r/min旋轉(zhuǎn)。給V形塊施加負(fù)荷(1334 N)，運(yùn)行15 min，過(guò)程中監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸旋轉(zhuǎn)的摩擦系數(shù)變化情況。三種參比油試驗(yàn)結(jié)果如圖5、表4所示。

表4 參比油摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖5 參比油摩擦系數(shù)對(duì)比

從表4和圖5的結(jié)果可以看到，三種參比油摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)，其中參比油C的摩擦系數(shù)居于參比油A與參比油B之間。孫建林在軋制工藝與潤(rùn)滑技術(shù)中提到：軋制液可以改善軋輥與板材之間的摩擦情況，摩擦系數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致軋件咬入不正常，從而影響軋制后軋件的質(zhì)量問(wèn)題；摩擦系數(shù)過(guò)低會(huì)導(dǎo)致軋件咬入困難，軋輥打滑；適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)不僅可以保證軋件的正常咬入還能降低軋件的磨損及軋制力，可以達(dá)到節(jié)約能耗的功效[13-15]。因此，研制的參比油C從綜合角度體現(xiàn)出優(yōu)良的軋制潤(rùn)滑效果。

3 結(jié)論

(1)以英國(guó)PCS公司的EHD油膜厚度試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，模擬鋼廠板材軋制過(guò)程工況，自主研究建立的模擬評(píng)定方法能較好地區(qū)分出潤(rùn)滑成膜性能較好金屬加工液，為油品研發(fā)提供一定的數(shù)據(jù)支撐；

(2)相同黏度級(jí)別的油品，P系添加劑含量較高的油品在低速下的油膜厚度較厚；

(3)將參比油調(diào)制成同濃度的軋制液，P系添加劑含量較高的軋制液的增膜效果較明顯；

(4)以EHD油膜厚度試驗(yàn)篩選出的軋制油C在Falex V型塊試驗(yàn)中也驗(yàn)證了其良好的極壓性能。