铝轧制润滑

铝轧制润滑铝轧制润滑1，轧制工艺中的摩擦特点2，铝热轧制润滑2.1乳液形成原理2.2乳液润滑机制2.3乳化液体系2.4乳液的维护和管理3，铝冷轧润滑3.1水基产品3.2油基产品铝轧制润滑2/211，轧制的摩擦学特点从摩擦学观点对金属轧制进行分析，一般认为有如下特点：1）轧件和辊面之间有前滑区，后滑区和粘着区，各区内摩擦力方向相反，存在复杂的相对滑动。2）摩擦条件复杂，没有统一的理论模型可以借鉴，有人认为可用Ld’/h平均（Ld’—为考虑轧辊压扁的变形区长度，h平均是指轧件的平均厚度）来衡量摩擦的剧烈状态。其值分别分为0.3;0.3～1.0;1.0～3.0;3.0～8.0;8.0，其摩擦状态不断加剧。3）摩擦按其状态分类有干摩擦，液（流）体摩擦和边界摩擦。可轧制因具体轧制过程不同，状态相差很大，大多数轧制处于混合摩擦状态即是干摩擦，液体摩擦和边界摩擦的混合过程。4）温度影响大。冷轧过程中，强烈的热效应可以使变形区内温度高达100-200℃，这将明显影响润滑剂的吸附、解吸附性能以及化学反应速度等，从而直接影响润滑剂的润滑效果和老化过程。5）存在剩余摩擦。正常咬入条件为α（咬入角）β（摩擦角），而稳定轧制状态下β≥0.5α，有差不多一半以上的摩擦是多余的，即剩余摩擦。剩余摩擦不仅增加前滑，而且增加轧制力能消耗，影响最小可轧厚度，产生残余应力和加剧热效应。图1是斯特贝克（Stribeck）在1900-1902年提出的润滑状态曲线，图中的三个区域对应着三种主要润滑状态。在I区，摩擦表面被连续的润滑油所隔开，幽默的厚度远大于两表面的粗糙度之和，摩擦阻力由润滑油的内摩擦来决定，即为流体动压润滑或者弹性流体动压润滑状态。当两个金属表面的接触压力增大时，或者润滑剂的粘度和滑动速度降低时，润滑剂的油膜变得越来越薄，将出现表面微凸体间图1Stribeck曲线及其润滑状态铝轧制润滑3/21的接触，从而进入混合润滑状态II.状态在这种状态下，载荷的一部分由流体润滑油膜承受，另一部分由接触的表面微凸体所承受，摩擦阻力由油膜的剪切和表面微凸体的相互作用来决定。进入到区域III后，摩擦表面靠得极近，摩擦表面的微凸体之间产生更多的接触，流体动压作用和润滑油的整体流变性能的影响已不足轻重，这是起主要作用的是边界润滑剂的薄层的特性与固体表面之间的相互作用。根据相关资料估计计算，铝的热轧油基本上是处于II区，一方面温度还没有完全达到形成极压润滑膜的程度另一方面也无法形成弹性流体润滑。其摩擦系数在0.03-0.10之间，薄膜厚度在0.1-1.0微米之间。2，铝热轧润滑2.1乳液形成原理铝热轧一般用乳化液进行润滑。乳化液是油分布在水中形成的宏观均匀的两相体系，一般情况下水相是连续相，起冷却作用，油相是分散相体现和承载了润滑性能。正常情况下，油不“溶于”水，但在乳化剂的作用下，使油能否分散在水中（溶于水），有时乳化液也叫可溶性油。乳化剂具有独特的分子结构，其分子一端为亲油基，另一端为亲水基，分别与油水结合起来形成稳定的油水平衡体系。按照乳化液中分散相所带的电荷性质，乳化剂可以分为阴离子，阳离子和非离子类型。（1）阴离子乳化剂。如羧酸盐类R-COONa;硫酸盐类R-OSO3Na,磺酸盐类R-SO3Na;磷酸盐类(RO)2PONa等。如图2所示图2几种典型的阴离子乳化剂铝轧制润滑4/21阴离子乳化剂具有乳化效率高、润滑性好、清洗性和防锈性强以及破乳容易等特点，最广泛地用在轧制乳化液中。（2）阳离子乳化剂。如季胺盐类[R-N(CH3)x和咪唑等。阳离子乳化剂具有独特的性能，可以用作分散液中（Dispersion），分散液在一定的pH范围内，乳粒尺寸可以在很大的范围内变化，提供很高的润滑。.(3)非离子乳化剂。主要是酯类和醚类，如脂肪酸乙二醇酯RCOO(CH2CH2O)nH;司本（Span）系列；脂肪醇聚氧乙烯醚RO(CH2CH2O)nH;吐温（Tween）系列等。不管是什么种类的乳化剂，它们都分布在油水界面上，降低了油分布在水中形成的大量新的界面的表面张力，同时阻滞了油粒之间的聚集长大。如图5所示：图3阳离子乳化剂举例图4非离子乳化剂举例铝轧制润滑5/21乳化剂的种类和数量多少，对乳化液中乳粒尺寸的分布具有突出的影响，下图列出两相组合的尺寸。从图可以看出宏观乳液的尺寸可以从0.1微米到10微米之间变化，乳粒尺寸越小，乳液越稳定，乳粒尺寸越大，乳液越不稳定。通常用ESI(乳液稳定指数)来衡量乳液的稳定性。它的测量方法是取400ml的乳液，静置一段时间，然后分别取底部和上部的100ml检测浓度，用底部100ml所测得的浓度除以上部100ml浓度所得到的数值即E.S.I.。显然如果乳液十分不稳定，在静置过程中，油全部跑到上部，底部所测的浓度为0，ESI为零；同样如果乳液十分稳定，在静置过程中，不发生任何变化，底部和上部的浓度相同，两者相除为1。实际中的乳液既不会十分稳定也不会十分不稳定，其ESI值介于0-1之间，具体应该如何应根据具体需要来确定。图5乳化剂在油水界面的分布图6分散相的尺寸铝轧制润滑6/212.2乳液润滑机制在轧制过程中，乳液在工作辊和轧制板面带入咬入区，在咬入区温度作用下，水分蒸发，浓度升高，形成反乳以及最后油析出，在轧辊表面和氧化铝等一起形成润滑膜层（COATING）,保护工作辊和防止板面直接接触，实现润滑。能否有效润滑取决于两个因素，第一，油相从乳液中析出的难易程度，油相越容易从乳液中析出，润滑能力越好，油从乳液中析出的难易程度通常称为热分离性；第二，析出形成的润滑膜是否能提供足够的保护，与润滑膜的强度有关。乳液中的油相在咬入后的析出过程如如图7所示。乳液的热分离性能与乳液中油粒尺寸大小相关，油粒重乳液中的分离速度可以用Stokes公式来表达。从上式可以看出乳液中油粒的析出速度与乳粒尺寸大小密切相关，乳粒尺寸越大，油粒分离速度越大。换言之，乳液的ESI数值越低，乳液越不稳定，乳液的热分离性能越好，润滑能力越好，反之，乳液的ESI数值越高，乳液越稳定，乳液的热分离性能越差，润滑能力越差。图8是乳液平均粒径与轧制带材的表面吸附油量和相应的摩擦系数。图7乳液在咬入后的油相析出过程铝轧制润滑7/21外部因素对乳液的热分离性能也有突出的影响。轧辊的温度越高，热分离性能越好。所以，在轧制时注意和经常量测工作辊的温度，对了解和稳定轧制有重要的促进作用。例如，良好表面的轧制其工作辊的温度应该在至少在70C以上，对轧制软合金，最好在80-100C，而对硬合金，则需要在90-100C。开始轧制时，工作辊温度较低，有的工厂采用事先通蒸汽预热的办法有一定的帮助，但也有工厂通过开始干轧的办法，这是不推荐的方法，因为这会使轧辊磨损加剧，影响随后的轧制。比较好的做法是先轧制几卷不重要的软合金，是轧辊温度提高，进入稳定轧制，然后再轧制重要的合金。乳液中的润滑成分主要是溶于油相中的，所以，轧制过程在油离析出析出的油相对润滑有重要的影响。轧制润滑对润滑的需求可以如表1所示：表1指出对不同的铝热轧的过程对三个润滑过程的需求或实现方法是不同的，对于热粗轧而言，由于板材温度较高，所以主要以极压润滑为主，同时边界润滑也有相当作用，而对于热精轧而言，由于此时板材温度已低，板材变薄，轧制速度增加，所以主要是一块边界润滑，同时动力润滑也起到一定的作用。对于热粗/精轧而言，则介于两者之间，在开始的道次，极压润滑会起到作用，但在后面的道次，则主要靠边界润滑来提供润滑。表1还从作用原理，润滑膜强度，实现方法等几个方面比较了动力润滑，边界润滑和极压润滑的异同。例如极压润滑主要靠含有Cl，S，P的物料，但对铝轧制而言，主要是使用含P组分。图8乳粒尺寸与润滑性能的关系铝轧制润滑8/21表1铝轧制对润滑的要求极压润滑和边界润滑的实现需要含有极性剂或含有极性集团的分子吸附在铝板表面，通过与表面作用，来隔离轧辊表面和板面直接接触，如图9所示。极压润滑EP边界润滑BL动力润滑HLC.O.F大中小润滑膜强度大中小作用原理化学反应化学/物理吸附物理吸附润滑材料（实现方法）ClSP合成润滑酯/脂肪酸金属皂矿物油热粗轧◎○热连轧◎○热粗/精轧◎◎图9，铝板表面的极性分子的吸附铝轧制润滑9/21在铝轧制油中，含有多种极性分子，能够提供边界润滑。需要指出的，以金属铝为主的金属与润滑剂的分子反应，形成的金属皂也具有边界润滑能力如图10所示。对于动力润滑，它反映的是液体中的分子间的内摩擦力，主要取决于油相的粘度。粘度越高，动力润滑作用越明显，粘度越低，润滑能力越低。2.3乳化液体系乳化液是油相分布在油相的宏观均匀的体系，其本质在热力学上是不稳定的，因为油粒聚集长大，减少了表面积，从而降低了体系的自由能，根据△G=△H-T△S计算，乳液中的油相析出是自发过程，乳液越稳定，油相析出的越慢，反之，油相析出的越快。但如上所述，乳液越稳定，则热分离性能越差，所以，在乳液稳定性和润滑能力之间，必须建立一个相对平衡。在轧制乳液中一般都是使用的相对不稳定的乳液。在乳液设计和应用过程中，在某种意义上就是在维持这种相对平衡。这种相对平衡，除与乳化剂相关外，还有其它方面来维持这个平衡，如pH,防止氧化和细菌滋生。另外，水相的引入也会带来另外的冲击，例如防锈问题，也需要引起关注。乳液的乳化体系和润滑问题，在上节中已经做了介绍，这里主要叙述其它方面。2.3.1乳液的缓冲体系水是一种极弱的电解质，它能电离出少量的H+和OH-H2O≒2H++OH-水中的[H+]和[OH-]相等且都是10-7mol/L.两者的乘积是一个常数，用KW来表示图10金属皂的形成和润滑作用铝轧制润滑10/21图11不同的pH范围选择在H+离子浓度较低时，通常用其对数值pH来表示。pH=-lg[H+]=-lg10-7=7凡是在水中发生的反应，都会体现在H+]和[OH-]，两者的相对浓度会发生变化，但其乘积不变，所以，凡是水基系统要高度重视pH值的变化情况，它会体现很多意义，例如如果一个系统的pH值较高，通常乳液会表现出：1）乳液相对较为稳定；2）防锈性能较好；3）清洗性能较好；4）抑制细菌的能力较强；5）热分离性能较差，润滑性能较差。体系的pH很容易受外界因素发生变化，例如在在1L的纯水中加入2滴（约0.1mL)摩尔浓度为1的HCl溶液，此时[H+]是0.1x10-3=10-4,所以pH就由7降到4，降低了3个PH,这是不能接受的。为减少受外界的影响，乳液中必须设有缓冲体系，将外来冲击的影响降到最低。例如用弱酸及其弱酸的强碱盐可以构成缓冲体系。如醋酸和醋酸钠。NaAc完全电离成[Na+]和[Ac-]离子。由于大量[Ac-]离子的存在，使HAc的电离程度减少。所以，体系中存在着大量的[Ac-]和HAc.如有外来的酸冲击，也就是加入了较多的[H+]离子，[H+]离子会和[Ac-]会结合生成难电离的HAc分子，最后形成新的平衡，所以，对原来体系的[H+]几乎没有影响。如果加入碱，溶液中的[OH-]会立即与[H+]反应，形成H20，由于[H+]的减少，HAc继续电离，使原来的[H+]得以恢复，其浓度基本维持不变。对于不同的pH的铝轧制润滑11/21控制范围，可以在表中选择缓冲体系。2．3．2乳液的抗氧化体系油品的氧化过程可以如图12所示：出现自由基是氧化反应的瓶颈，老化的产物是聚合物和羧酸，所以体系发生老化的典型体征是酸值增加，PH值下降，和粘度增加。图13是老化是发生聚合的过程。老化反应的机理是链反应机理，即自由基的产生，扩展和终止，如下所示。链的开始：••+→HRRH•••→+ROROOOR2或　链的增长：••+→+RROOHRHROO淬火油（碳氢化合物及部分非烃化合物）自由基热的工件（能量）过氧化物氧气碳氢化合物聚合聚合物醇类氧化羧酸等图12氧化老化过程示意图图13老化聚合过程铝轧制润滑12/21••→+ROOOR2••+→OHROROOHOHROOROROOH22++→••链的终止：••••⇒+R2RROOROO2稳定产物所以防止老化的关键是抑制和捕获自由基。例如通常的BHT的作用