（应用化学专业论文）铝材超薄快速铸轧润滑剂研究.pdf

中 j 大学倾 卜r : 了 州仑文 ab s t r a c t ab s t r a c t t h e a l u m i n u m c a s t i n g i s a c o m p l e x p r o c e s s i n g , i n w h i c h t h e r e s e a r c h o f i n t e r f a c e l u b r ic a t e s t a t u s a n d l u b r i c a t e t e c h n i q u e i s t h e k e y p r o b l e m f o r t h e c a s t i n g m a t e r i a l s o f t h e f a c i l i t y p r o p e rt i e s a n d p r o d u c t q u a l it y . f o r t h e s u p p e r - t h i n h ig h - s p e e d c a s t i n g f o r a l u m i n u m , t h e m o r e s t r i c t d e s i r e f o r l u b r i c a t e t e c h n iq u e h a v e b e e n o ff e r e d a c c o r d i n g l y , t h e w e a r l u b r i c a t e s t a t u s h a s b e c o m e o n e o f t h e k e y f a c t o r w h i c h d e t e r m i n e s t h e r e s u l t o f t h e s u p p e r - t h i n h ig h - s p e e d c a s t i n g d u r i n g t h e p r o c e s s i n g o f c a s t i n g d e f o r m a t i o n , t h e l u b r i c a n t p l a y s t h e r o l e a s f o l l o w i n g : i n s o l a t i n g t h e s u r f a c ep r o h ib i t i n g t h e a d h e r e n c e o n t h e s u r f a c e b e tw e e n a lu m in u m b o a r d a n d r o lle r c o n v e n t io n s , w e a r lu b r ic a t in g 一 r e d u c in g th e w e a r p r e s s d u r i n g t h e r o l l in g d e f o r m a t i o n t o p r o l o n g t h e l i f e t i m e o f r o ll e r c o n v e n t io n a n d e n h a n c i n g t h e p r o d u c t q u a l i t i e s a s w e l l . b a s e d o n t h e s u m m a r i z i n g o f r e c e n t c a s t i n g t e c h n i q u e , t h e l u b r ic a n t o f s u p p e r - t h i n h i g h - s p e e d c a s t i n g h a s b e e n s t u d i e d i n t h i s p a p e r , i n w h i c h t h e s y s t e m r e s e a r c h m e t h o d s h a s b e e n a p p l i e d a n d t h e l u b r i c a t e t e c h n i q u e m e t t h e n e e d f o r t h e l u b r i c a n t o f h i g h - s p e e d c a s t i n g t e c h n ic s h a s b e e n d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y . t h e m a i n r e s u l t s i n t h i s p a p e r s i s a s f o l l o w s b y a n a l y s i s o f a l u m i n u m b o a r d d e f o r m a t i o n p r o c e s s i n g , t h e p r o p e rt i e s d e m a n d f o r l u b r i c a n t f o r h i g h - s p e e d c a s t i n g h a s b e e n o ff e r e d , t h a t i s g o o d h e a t - c o n d u c t a n d l u b r i c a t e p r o p e rt i e s , f a v o r a b le s u s p e n d s t a b i l i t y , l o w p r i c e a n d s a f e p r o c e s s i n g t h r o u g h c o n t r a s t i n g t h e v a r io u s p r o p e rt ie s o f s o l i d l u b r i c a n t s , t h e c a r b o n i s u s e d a s l u b r i c a n t ma t e r i a l s t h e s t a b i l it y o f c a r b o n i v o ry l i q u i d i s n e c e s s a ry f o r l u b r i c a n t t o i n s u r e t h e s y m m e t r i c a l f i lm - f o r m i n g o n t h e s u r f a c e o f r o l l e r c o n v e n t i o n a n d t h e c o n t i n u a l p r o c e s s . t h e i v o ry s t a b i l i ty o f c a r b o n d i s p e r s e d i n s y s t e m h a s b e e n i n v e s t i g a t e d a n d t h e v a r i o u s f a c t o r s i n fl u e n c in g a n d d i s p e r s e r e a g e n t o n t h e i v o ry s t a b i l i t y h a s b e e n a n a l y z e d 工 4 ， 南大学硕 上 学付论文 ab s t r a c t t h e h e a t - c o n d u c t o f c a s t i n g i n t e r f a c e i s t h e f i r s t l i n k i n s y s t e m . t h e p h y s i c a l p r i n c i p le h a s b e e n a n a l y z e d i n t h e h e a t - c o n d u c t p r o c e s s i n g a n d t h e h e a t - c o n d u c t m e c h a n i s m a n d t h e m a i n e ff e c t i v e f a c t o r h a s b e e n r e s e a r c h e d b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t t h e o r e t i c a l e x p l o r e a n d t e s t r e s e a r c h o n l u b r i c a n t e f f e c t i n g t h e h e a t - c o n d u c t i n t e r f a c e h a v e b e e n d o n e a n d i t s h o w s t h a t t h e m in u t e n e s s g r a p h i t e l u b r i c a n t i s g o o d f o r t h i s p r o c e s s . th e e f f e c t o n l m卿 r t a n t t r i b o l o g y g r a p h i t e l u b r i c a n t c h a n g i n g - p r o p e r t y m e a n i n g o f l u b r i c a t i n g i n c a s t i n g a n d t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s s f u n c t i o n o f l u b r i c a n t h a s b e e n r e s e a r c h e d . t h e c o m p o s it io n m e t t h e n e e d f o r t h e l u b r ic a n t o f h i g h - s p e e d c a s t i n g b y t h e i s o b t a i n e d k e y w o r d sa l u mi n u m c a s t i n g h e a t - c o n d u c t g r a p h i t e l u b r i c a n t i i i 中南人 学硕士学付论文 第y - 文献综述 第一章 文献综述 1 . 1带坯连续铸轧技术简介 铝带坯连续铸轧的工艺流程如图1 -i 所示，其主要特点是用转动的轧辊做 结晶器， 将熔融的铝液通过铸咀进入两旋转铸轧辊之间的楔形区内， 经过铸造和 轧制直接生产出不同厚度的铝带坯。 在铸轧过程中， 铝材的凝固和冷却将释放出 大量的潜热和显热， 这些热最主要是通过它与 铸轧辊之间成形界面的接触传热传 递到辊套上， 然后由辊套内部的循环冷却水不断地冷却辊套和带走热量， 以保证 铸轧过程的连续进行; 因此、 与轧制工艺比 较， 铝带坯的铸轧工艺有三个显著的 特点 : i ) 金属熔体的铸造和轧制一次完成，存在着金属的液一固相变和强冷过程，在 材料成形过程中将释放大fr i 的热量; 2 ) 铸轧辍与 普通轧辊的作用机理是不同的， 它要起水冷结晶器和轧制薄带坯的 双重作用: 3 ) 铸轧过程是在高 温降强外场下完成的， 因此， 大温度梯度和强冷却速度是铸轧 成形过程中最显著的特点。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 图 1 - 1双辊水平式连续铸轧工艺流程示惫图 1熔炼炉:z静止 炉:3 - 净化装置: 4 前箱; 5 供料嘴; 6铸轧机:7牵弓 机;s -剪切机; 9 -导辊;1 0 -卷取机 中南大学硕 1 _ f . 位论文 第章文献综述 连续铸轧工艺有三种形式:即卜 注式、下 注式和水平式;其铸轧工艺 流程 大体相同。 首先在熔炼炉熔炼成符合要求的铝或铝合金熔体，其温度范围一般为 7 3 0 - 7 o 0 0c ， 比铝或铝合金的熔点高9 0 - 1 0 0 0c 。 然后导入静置炉， 经静置、 扒渣， 控制熔体温度在7 2 0 - 7 4 0 0c ，经流u和流槽进入净化处理装置。 熔体从净化处理 装置中 流出， 添加晶 粒细化剂， 流入可以 控制液面高度的前 箱内。 前 箱底侧有连 通横浇逆， 流体经浇逆流入供料嘴。 供料嘴位于两个转动的铸轧辊之间， 辍内通 以循环冷却水。当 熔体从供料嘴 卜 : 口涌出时， 即与铸轧辊相遇， 表面凝固成固体 硬壳， 随铸轧辊的转动和铸轧过程的持续进行， 刚体硬壳不断增厚， 直至凝固完 成。 这一过程即为铸造过程。 辊套进一步的旋转使辊缝不断减小， 凝固的铝材经 轧制减薄， 成为带坯，离开轧辊， 经牵引机送进机列，切掉头部， 至卷取机， 卷 成所需直径的大卷，切断卸卷，重新开始卷下一个卷。 在整个生产线上，关键工序是铸轧。由 熔体到固体金属带坯的过程是在长 度仅几 毫米的铸轧区内完成。 铸轧的 : 要t艺参数有: 铸轧区长度， 铸轧速度， 浇注温度， 冷却强度和凝 固瞬间的铝融体供给所需的静压力等。 它们之间存在着密切的内在联系。 在辊径 一定、 带坯厚度一定的正常铸轧条件下， 这些主要的工艺参数， 任何一个有所变 化，其他的也要随着改变，才能确保铸轧的稳定性。 1 )铸轧区长度 双辊式连续铸轧机铸轧区的建立与铸轧辊的冷却强度、 铸轧辊的线速度、 带坯厚度等有直接关系。 图1 - 2 为倾斜式和水平式双辊连续铸轧区己 稳定建立并 处于正常生产的情况。 由图1 - 2 可见，铸轧区分为z 1 , z 2 , z 3 三个区。z 1 是铝熔体冷却到结晶 温度的冷却区域，7. 2 是铝熔体完成铸造过程的铸造区，z 3 是两辊对铸坯进行轧 制的变形区。根据铸轧工艺条件的不同，各区长度存在一定的比例关系。 铸轧区是连续铸轧工艺至关重要的地方， 也是铸轧工艺先进性的具体表现。 因此， 精心选择铸轧区长度， 它不仅影响其他工艺参数， 而且 对带坯质量起着决 定性的作用。 铸轧区的长度仅数十毫米， 只在2 - 3 秒内完成铸造与少量热轧变形 过程。 中南大学硕上 学位论文 第一章文献综述 卜一 一 一 孟 - 一_ 1 _丫 一 丁 一“ 一 之 苏掩 泛、 ; 一 参 委 _ _一 ， 二 二 二 二 二 二 圣 丝 丝 翼芝 笋的石己珠 、要 丫沛 图1 - 2双辊式连续铸轧机铸轧区示意图 t -供料嘴2 铝熔体3液固区 4固态金属5 -轧辊辊套 f 带坯 铸轧区长 度偏小时，由于辊套一与 铝带坯之间的接触面积小，传热能力弱， 势必减慢铸轧速度， 并使带坯加工率减小， 各工艺参数调整范围也小。 但在铸轧 辊径一定时， 铸轧区长度过大， 将导致铸轧区入口的宽度过大， 使得前箱液位偏 高，降低铸轧工况的稳定性;因此、铸轧区长度只能在一定范围内变动。 决定铸轧区长度的主要因素:铸轧辊直径、 铸轧机形式、冷却条件及加工 变形率。 2 )铸轧速度 铸轧速度是指铸轧辊外径的圆周线速度，在实际生产中，为方便起见，往 往通过测定铸轧带坯的运动速度来了解铸轧速度的大小。 在铸轧过程中， 改变某 一个参数时， 其他的工艺参数必须随之改变， 才能保持铸轧的稳定性， 其中以轧 制速度与其他各工艺参数之间的关系最为密切， 而且在实际操作中， 铸轧速度也 是最便于调整的。因此，铸轧速度尤显重要。 调整铸轧速度，就是使铸轧速度与熔体铝在铸轧区内的凝固速度成一定的 比例关系。 因为铸轧速度远大于凝固速度时， 铸轧带坯会冷却不足， 来不及凝固， 就被带出 辊缝。如果铸轧速度低于凝固速度，铝熔体在铸造区停留 时间较长 ， 造 中南大学硕 t : 学位论文 第 一 章文献综述 成过度冷却， 以 致可在供料嘴内凝固， 使供料嘴与 固体金属一起被轧了出来， 破 坏了 整个铸轧过程。 当铸轧带坯厚度一定时， 浇注温度与 冷却水温度等工艺参数发生波动而影响 熔体凝固时， 为了 保持稳定的连续铸轧， 必须调整铸轧速度， 使其与凝固速度保 持一定的比例关系， 也就是说， 铸轧区内的铸造区与变形区的长度应有一定的比 例关系。这一点极为重要，生产实践证明， 铸造区与变形区的长度应保持着1 : 3 或1 : 4 的关系。 对铸轧速度有影响的因素好多，诸如合金种类、浇注温度、 辊套厚度、冷 却强度、带坯厚度、铸轧区长 度等。 3 )前箱熔体液面高度 在铸造过程中，凝固瞬间的熔体供给速度和保持工况稳定所需的压力，部 是通过前箱熔体水平 ( 液面高度) 的静压强来控制的。 原则上， 在保证熔体表面 氧化膜不被破坏的条件下， 前箱液面越高越好。 因为此时液穴中的熔体对结晶面 的压强大， 不仅能保证熔体凝固的连续性，而月 能获得致密的组织。 但是， 若液 面过高， 则熔体静压强过大， 易使铸轧带坯表面起棱， 或带坯表面上有被冲破的 弯液面氧化膜黑皮， 降低带坯表而质量。 如液面太高而铸轧辊与 供料嘴间隙过大， 则易冲破弯液面氧化膜，使部分熔体流出间隙，无法继续铸轧。 如果前箱液面高度较低， 静压强较小时，则表现为熔体在结晶前沿供给不 足， 在带坯横截面.护 心处易出现孔洞或带坯面上出现裂纹或热带。 若前箱液面很 低，熔体就不会涌入铸轧区，而停留在供料嘴腔内，时间稍长，可能发生凝固， 供料嘴出口 处发生局部堵塞而铸不成带坯， 使铸轧带坯连续性被破坏而出现板而 孔洞，因此，前箱液面高度是指前箱液面与最低氧化膜之间的距离，用h 表示。 可用前 箱液面高度的 压强 p 压 与 氧化膜附加压强 p ，之间的平衡关系求得， 可分 别用下式表示: p m = p g h p a = a a / r a 式中h - - - - - - - - - - - - - - 一 前箱液面高度， m m ; r , - - 一 - - - - - - - - - - 一 曲率半径，m m ; p - - - - - - - - - - - - - - 一 熔体密度， k g / m ; 中南大 学顾 1 : 学位沦丈 第 一 章文献综述 9 - - - - - - - - - - - - 一 重力加速度, m / s ; o g - - - - - - - - - - 一 熔体的表面张力， 、 / : 铸轧时，氧化膜表而张力附加爪弧p ， 和金属静压强p 。 之问可有三 种情况: ， a .= p ， ，i f = 。 二 / p g r ， ， 此时， 氧化膜不会破裂， 铸轧连续进行， 带坯表而正 常。 p f p * ， 此时熔体液面高， 静压头压强增加， 氧化膜极易破坏。 轻则带坯表而出 现氧化物黑皮，严重时无法继续铸轧。 p 原子的碰撞与散射。原子的碰撞与散射限制了电子沿温度梯度方向l 运 动的行程。 如果一 个具有一定能量的电子 在运动过程中不发生碰撞， 则这种材料 的导 热系数值表现为很大。 电子的碰撞过程包括着与单个原子与原子群的相互作 用，也包括与其它电子的碰撞及与材料壁面的碰撞川 ， 几 在高纯度的金属晶体中， 电子的平均自由程通常都比 较长， 因此导热系数也 较大。 在晶体中渗入杂质， 就会增加电子的散射， 妨碍导热。 在超低温时， 这一 现象尤为明 显， 极微量的杂质都会使导热系数有显著下降。 金属材料导热系数随 温度的变化取决于以下两个因素哪个占 优势。 一个因素是: 由 于原子振动的加剧， 自 由程随温度升高而下降; 另一个因素是: 每个自由电子具有的能量随温度的升 高而增加。 在有些金属中， 这两种因素几乎相抵消， 因而导热系数就显得与温度 无关。 4 . 2接触界面的传热机理与界面传热的主要影响因素 在两种材料接触的交界面上， 温度高的材料通过界面向温度低的材料传输热 量， 交界面上的热交换从机理上看是综合的。有通过实际接触点处的导热， 通过 中南大学硕七学位沦文 第d 4 章 润滑剂对界而导 热性能影响的研究 截留在缝隙内的流体的导 热以及通过缝隙的辐射传热这_ 是 种机理， 因而， 接触处 的总热导是由 接触材料的性质( 它们的导 热系数、 表面光洁度、 硬度) 、 接触材料 副之间的外部条件 ( 接触压力) 、接触界面_ 卜 材料的性质 ( 界面膜、流体)等， 一系列因素决定的。 虽然影响界面接触传热的因素诸多， 但主要因素可归结为以下二 个方面， : i )接触界面上真实接触面积的影响: 2 )材料表面层的影响q 4 . 2 . 1真实接触面积对接触传热的影响 在发生接触的两物体之间， 接触界面总是存在着一定程度的载荷， 承受载荷 的固体材料不是发生弹性变形， 就是发生塑性变形， 在大多数情况下是此二者的 混合状态， 在接触过程中、由于表面宏观和微观不平度的影响， 接触界面上只是 在局部微凸 体上产生实际接触， 这部分在微观程度上 产生实际接触的面积称之为 真实接触面积， 一般情况下真实接触面积远小于名义接触面积， 在真实接触而积 上， 材料的传热机理， 是接触材料界面上相互间电子的运动和原子与 分子的振动 的传递， 与接触材料的性质有关; 在这部分真实接触界面上 ， 表现出高的热传导 能力; 在各接触点之间被孔隙隔开， 在大多数情况下 ， 这些孔隙中是充满空气的， 因而传热是依靠真实接触面上的热传导以及孔隙中的传热( 对流和辐射) 进行的， 界面导热能力是这两部分之和。 由于金属的高传热特性; 孔隙中的传热能力远比 真实接触面积上的小; 因此传热主要通过真实接触面积进行。 真实接触面积与传 热能力之间基本表现为线性关系。 影响真实接触面积有二个主要因素，即表面粗糙度和表面接触压力; 要描述两个粗糙表面的相互接触行为是困难的， 因此、 在我们通过粗糙度模 型研究粗糙表面的相互接触时， 首先需要在简化的基础上得到基本认识， 以便开 展对复杂问题的研究。 现设想有一单位名义面积的表面由一系列相同的球面微凸体所组成， 这些微 凸体相对于基准平面a b 的高度均为h( 图4 - i ) 。在载荷作用下，光滑表面将向 基准面接近，设其距离为h ，因此，二者之间的法向接近量为 ( h - h ) ，显然，各 个 微凸 体 发 生 相同 的 变形 并 承受 相同 的 载荷n ; ， 因 此、 当 单 位 面 积上 有n 个 微 凸 体时，总 载荷、 将等于， n ; 。对于每个微凸体而言， 载荷与 接触面积 知有 大学硕士学位论文 第四a 润滑剂对界面导热性能彭响的研究 面内一/一 口 登势 光滑表 介成 士几- 二 至 买 抢 几 - b _ _一一 泛_ 上h a 粗糙表面上的基准平面 图4 - 1光滑表面与理想粗糙表面之间的接触 a ， 的 关 系可 根 据赫兹理论求 得， 设r 为 微凸 体半 径，则 有 、 = 3 e r 1;2(“ 一 h )3n ( 4 - 1 ) a ; = 二 ( h一 h ) ( 4 - 2 ) 所以总载荷可求得为: n e ; ， (二 ) 3;2 ( 4 - 3 ) 月呀-内 一一 n 即 载荷与 总的实际接触面积a = n a ， 的关系为: 4 e 3 . n =二 一 ， 苏 二 一 刃 二 一a 3 n ”，“r ( 4 - 4 ) 此结果表明:当变形为弹性时，实际接触面积与载荷的2 邝次幂有关。 如果载荷使微凸体在一恒定的流动压力f 下发生塑性变形， 而f 与硬度有着 密切的关系， 则可假设材料作垂直向下的 位移而不作水平扩展， 所以 接触面积a 将 等 于 几 何 面 积2 n r g 。 因 此， 单 独 载 荷n ， 可 表 示 为 57 -5 7 n 二f a ; = 2 f n r ( h一 h ) ( 4 - 5 ) 于是: n = n n 一 = n f a ; 二 f a = 2 f a ( 4 - 6 ) 即实际接触面积与载荷成线性关系。 显然、实际接触表面上的各个微凸体具有不同的形状和不同的高度，因此、 为了 对前面的表面模型作相应的修正， 引入峰高的概率分布来表示， 而对其接触 中 南 大 学 硕r l - i ly ic 文a 尸 4 : if lh fi l e t ; 些进r l flr k 塑t g 7f i 二 情况进行分析时必须引入含有关于微凸体相接触的数量的概率观点。 如果光滑表 而与 基准平面的im距为d ， 则原来高度大于d 的任何微凸体都将发生接触 ( 图 4 - 2 ) 。 如果0 ( = ) 为 微凸 体峰高分布的 概率密度， 则一个微凸体的高度介于基准乎 面 之卜 : 和: + d . 之ih i 的 概 率为0 ( 习 d : 。 因 此、 高 度为: 的 任 何 微凸 体的 接 触 概 率为: 概 率 ( : “ ) 一 f 0 (- )d = ( 4 - 7 ) / 一 光 ， “ _ 一 洲 / 尸扮 一书_一_ 7 蜂 高 分布 - 一 达 一 ! i 吐 _左一_ _ 一_ _ 一_ 午 之 图4 - 2光滑平面与 粗糙 表面之间的接触 设含有77 个微凸体的表面具有单位名义而积，则接触点数量可表示为: 。 一 可 0 (: ) d l ( 4 - s ) 由 于 任 何 微凸 体的 法向 接近量为( : 一 d ) ， 而n ， 和a ; 可 按式( 4 - 1 ) 和( 4 - 2 ) 求得，因此总的接触面积和预期的载荷可求得为: “ 一 二r ( : 一 d )o (= )d : 不 目 ( 4 - 9 ) n 二 粤 v 112 e i, ( : 一 d ) 3 zo ( )d z j. “ ( 4 - 1 0 ) 当微凸体服从塑性变形定律时，要将式 ( 4 - 9 )和 ( 4 - 1 0 )改写成 “ = 2 m yr f ( : 一 d )o ( : )d : ( 4 - 1 1 ) n = 2 m /r h f ( : 一 d )o (: )d z ( 4 - 1 2 ) 由此可见: 分布无关。 综 卜 所述， n = h a， 载荷与实际接触面积成线性关系， 而这个结果与 高度 真实接触面积一与 载荷之间的关系不但取决于变形的m式， 而几 还 中南大学硕七.f 位沦文 第四童 润滑齐 对界面导 热性能毋响的 研究 取决于表面轮廓的分布。 当 微凸体仅作塑性变形时， 载荷l j 实际接触面积之间才 存在线性关系。 而在大多数实际情况f ， 较高的微凸体可能发生塑性变形， 而较低的接触着 的微凸体仍然发生弹性变形，因此我们得到的是一混合的弹塑性系统。即有: n 二 y k , a , + y, k p a p ( 4 - 1 3 ) 式中 :k 。 和a 。 分 别为 发 生 弹 性 变 形 的 微凸 体l二 的 平均 接 触应 力 和 接 触 面 积; k , 和 a ， 分 别 为 发 生 塑 性 变 形 的 微 凸 体 上 的 平 均 接 触 应 力 和 接 触 而 积 。 因此， 真 实 接 触 面 积a 二 艺a q + 叉a p ( 2 - 1 4 ) 在接触传热的试验研究中， 对于载荷、 塑性变形与界面热导的关系开展了 大 量的研究， 一般说来， 界面热导k 与载荷p， 成正比， 但n 的值往往各不相同， 造 成这种现象的原因， 除了界面热导影响因素的复杂性外， 表面微凸体峰高分布的 差异是一个主要的原因 当接触表面的粗糙度降低时，将从三个方面导致真实接触面积增大: 1 )表面微凸体发生弹性变形的比率增大，发生塑性变形的比率减小， 在 式( 4 - 1 3 ) 中 ， 由 于:k e k * 分别为 各自 的 导 热 系 数， 朽 _ 、 、 k a - * 和 k , - * 分 别 为 各 接 触 界 面 之 间 的界 面 热导 ， r a - a s 只 。 _ * 和r b - b ， 分 别 为 各接触界面之间对应的界面热阻，因此有: 5 一 b s 界面 图4 - 3表面层作为均质搜盖层的界面传热模型 r ., - 。 二 1 / k a - .ia ;r .a - b s = 1 / k .u - , ;r - * 二 1 / k b - b s 中南大学硕 上 学位沦文 第四4- 润滑剂对界 面导热性能彰响的研究 界面热导足材料性能的函数，是山基体材料和表面层材料的性能共同决定 的。 在接触传热的情况下， 热流从物体a 传递给b 时， 总的接触热阻山五部分串 联而成:即a - a s , a s - b s 和b s - b -个界而热阻， 和两个表面层a s , b 、 所产生的 热阻，因此: r 二 凡 - a : 十 心一 。 十 气一。 + 妥 、 十 h e , k ， 二 ( 4 一 1 7 ) = 二 匕+ 二匕十 一 1+ h , + h b , k -4 - a , k a , - b , k e ,- 0 k , k a , 1一r 井尤 则a , b 之间的界面热导为:( 4 - 1 8 ) 由此可见: 在接触传热过程中，由于表面层因素的存在， 不仅增加了一个接 触 界 面 ， 而 且 其 木 身 成 为 一 个 势 阻 层 。 式 ( 4 - 1 7 ) 表明:当表面层作为一个两金属基体之上的均质的覆盖层时， 表 面层从两个方面影响界面热导: 一方面是新生界面传热性能， 它影响表面层之间， 以及表面层与基体材料之间的传热; 另一方面是表而层的厚度和材质结构， 它决 定了表面层木身的导热能力。 当表面层作为一种填充物， 存在于相互接触的微凸体的间隙中时， 在不影响 基体材料真实接触面积的前提下， 相当于表面层材料的导热取代了原来空隙中的 导热: 因此， 只要表面层材料的导 热能力优于空隙， 它对于提高接触界面的导 热 能力就是有益的。 在高强度的金属基体上， 涂覆一层软的导热材料， 能够形成这 种传热机制。 中南大 学硕士 学位论文 第四章 润泌剂对界面导热性能彭响的 研究 4 . 3润滑剂对铸轧过程中界面传热的影响 4 . 3 . 1理论分析 在铸轧过程中，润滑剂的加入有两方而的作用:1 )摩擦润滑，这部分内容 将在下一章进行详细研究;2 )隔离作用，即在辊套和铝带坯之间形成表而隔离 层， 防止二 者之间发生大面积粘着， 保证生产过程的连续进行; 显然、 隔离层将 对界面传热产生明显的影响，这是本章的卜 要研究内容。 在实际生产过程中， 由于润滑隔离介质的存在， 界面上的接触状态是跳跃变 化的，这就导致了界面热导变化的不连续性。 图4 - 4 为润滑隔离介质对接触状态和界面热导的影响示意图 在一微小面积4 s 上分布有润滑隔离介质，设隔离面积在总面积中所占比例 为 d 8 , 则 真 实 接 触 面 积 在 总 面 积 中 所 占 比 例 为 (1 一 d a i) ， 在 隔 离 界 面 上 的 界 面 热 导 为 k lg ， 真 实 接 触 面 积 上 的 界 面 热 导 为 k， 界 面 温 差 为 儿 润滑隔离 介质 实际接触 面积 i j,一一 去典 铝带坯扮 一一- 图4 - 4 润滑隔离介质对接触状态和界面热导的影响 则在隔离面积上的热流密度为: 9 : 二 k ig * d g * a s * a t ( 4 - 1 9 ) 在真实接触面积上 的热流密度为: 9 . = k* ( 1 一 d g ) * a s * 4 t ( 4 - 2 0 ) 面积a s 上的总热流密度: 3 3 中南大学硕 七 学位论文 第四童 润滑剂对界 面行热性能蜷响的研究 v = y $ + v , = i 气* 人+ k i , * ( 1 一 叽 * a s * 4 t ( 4 - 2 1 ) 由此可得综合条件 f 铸轧界面上的界面热导为: k i = k , 8 * d x + k i , * ( 一 d 8 ) ( 4 - 2 2 ) 在铸轧过程中， 铸轧界面卜 的导热能力是隔离面积上的导热能力与真实接触 面积上导热能力之和;由式 ( 4 - 2 2 ) 可见， 铸轧界面上 的界面热导与隔离面积在 总面积上所占的百 分比、 固体润滑介质的几何尺寸、 数量、以及真实接触面积 几 接触材料之间的物性是直接相关的。 在铸轧过程中， 铸轧界面上 所要求隔离状态的定量研究是一个十分复杂的问 题， 大量试验研究表明， 铸轧界面上润滑剂的作用在于防止辊套和铝带坯之间的 连续粘着，提高铝带坯的表面质量。 图 4 - 5 所 示 为 在 防 止 连 续 粘 着 的 条 件 下 铸 轧 界 面 隔 离 状 态 与 固 体 润 滑 剂 颗 粒直径的相互关系，由图可见: 在达到所需要的隔离状态下， 随着润滑剂颗粒直 径的减小， 总的隔离面积减小，而真实接触面积相应增大;因此、 从增大真实接 触面积的角度研究，采用小的固体润滑剂颗粒对于增大铸轧界面的导热能 力显然是有利的。 。 。 。 (d g 。 。 母 0 。0。 图4 - 5 铸轧界面隔离状态与固体润滑剂颖粒直径的相互关系 另一方面， 随着固体润滑颗粒直径的减小， 对于单颗粒润滑隔层而言， 将使 得润滑隔离层的厚度减小， 从而增加隔离界面上的导热能力; 在实际应用中， 如 果采用小颗粒的固体润滑剂， 则可以 通过减少固体润滑剂的总添加量从而使平均 程度上的隔离层厚度减薄，来达到提高界面传热能力的目 的。 生 w k f r t t q i丝 二 一 一一一 一 一 二 v.9二 塑 塑 些鲤 夔 i.?!m 逃 w 塑 5$ 3 乙 当 润 滑 剂 颗 粒直 径 减 小 后， 对 其 木身 的导 热 性能 将 产生 什 么 样的 影 响， 是一 个十 分重要的问 题。对此、开展了专门的试验研究。 4 . 3 . 2试验研究 4 . 3 . 2 . 1固体润滑剂粒度对导热性的影响 4 . 3 . 2 . 1 . 1 导热系数的测定 幼 试样的制备 不同粒度及产地的石墨经干燥后， 按a s t m标准， 把样品加工成尺寸为d 1 0 毫米x 4 毫米的标准试样，并要求表面光滑，厚度均匀。 2 )试验设备 木试验采用热物性综合测定仪。其设备原理如下: 放大器微机系统或示波器 3 ) 试验原理 传统的测量热扩散率的测定方法为闪光法， 由于激光技术的迅速发展， 脉冲 激光己 被用来代替闪光灯， 其测量原理与闪光法相同。 其原理: 当 试样的正面受 一光脉冲瞬间照射后， 其所吸收的光能迅速转化为热能， 并向 背面扩散， 从而导 致背面温度t随时间的增长而升高， 并达到最大值t ， 根据不稳定导热理论的基 本方程，试样的热扩散率便可取得。热扩散率与导热系数存在这样的关系: x 二 a xc , xd ( 4 - 2 3 ) 式中:人 导热系数， w / m k c p试样的比热容， j / g k o- 试样的密度， g / c ilia 4 .3 . 1 . 1 . 2结果与讨论: 粒度对材料导热性能的影响示于表4 - 1 中南大学硕士 学位论文 第四章 润滑剂对界面导热ft 能彩响的研究 表 4 - 1 粒度对材料导热性能的影响 不 丽弄 丽度 一 . 豪 天 万 系 - - m - 不 导 热 系 数平 均导 热 系 数 波 动 幅 度 5 l l m 2 8 . 33 0 . 5 2 8 . 8 % 1 um 3 6 . 3 5 3 5 . 51 5 . 5 % 0 . 5 um 3 7 . 1 3 6 . 88 % 由表可见: 颗粒类材料的导热系数有一个比较大的波动范围: 总的说来， 随 润滑剂粒度的减小， 材料导热系数略有增加， 似差别不大， 并月 . 由 于颗粒类材料 本身导热系数的不稳定性， 可以认为润猾剂粒度的变化对于隔离层自身的导 热能 力没有明显影响。 4 . 3 . 2 . 2温度对润滑剂材料导热系数的影响 4 .3 .2 .2 . 1导热系数的测定 1 )试样的制备 同一产地的石墨经干燥后，按a s t m标准，把样品加工成尺寸为d 1 0 毫米 x 4 毫米的标准试样， 并要求表面光滑，厚度均匀。 我们分别 选用粒度为5 u m , 1 ， m , 0 . 5 1 m 的石墨进行测试。 2 ) 试验设备: 同_ l 一节 3 ) 试验原理: 同上一节 4 . 3 .2 .2 .2结果与讨论 表 4 - 2 温度/ 热扩散系数 导热系数 表 4 - 3 颗粒为5 p m的石墨在不同 温度下的导 热系数 2 5 2 0 0 4 5 0 0 . 3 2 8 0 . 3 9 5 0 . 4 2 9 3 4 . 1 4 2 21 4 5 . 8 颗粒为l u m的石墨在不同温度下的导热系数 2 5 2 0 0 4 5 0 0 . 3 4 0 . 3 9 4 0 . 4 5 2 3 6 . 3 5 4 2 . 1 4 8 . 2 6 颗粒为o . s u m的石墨在不同 温度下的导热系 数 7 0 0 0 41 2 4 4 . 0 5 温度/ 7 0 0 热扩散系数 导热系数 0 .4 2 8 4 5 _ 7 表 4 - 4 温度/ 2 0 04 5 0 热扩散系数 导热系数 0 . 3 4 7 3 7 . 1 0 . 3 9 0 41 . 6 0 . 4 7 5 0 . 2 7 0 0 0 . 4 1 4 38 中南大学硕士学位论文 第四z 润 ai # 9 对y , a d 导热性能影响的研究 一 f$ 5 二 一二六 丫- 共二 二 立 三 二 印45 粒 度= 1 v i 度巧 们35加 彭骼菜即 .卜.胜卜.lo 万加 试 验 龙 韶 盆 / 图4 - 6 石墨导热系数与温度的关系 从上表可以看出， 每一种石墨在不同的温度下的导热系数都不同， 并且在高 温区随着温度的上升， 导热系数先上升后缓降。 这是因为石墨的密度和恒压比热 随 着 温 度 的 升 高 增 长 速 度 不 同 ， 其 结 果 同 样 造 成 热 扩 散 率 随 温 度 的 升 高 而 出 现 极 大值。 ” 南大学硕士学位论文 ; s 四帝 润淆剂对界面导热性能影响的研究 4 . 4本章小 节 1 、材料导热过程中的物理机理是原子与分子围绕平衡位置的振动以及自由电子 的迁移;因此热鼠的大小取决于:1 )电子的平均自由程;z 原子的碰撞与 散射。 z 、界面接触的传热过程从机理上看是综合的。有通过实际接触点处的导热，通 过截留在缝隙内的流体的导热以及通过缝隙的辐射传热这三种机理。 3 、界面传热的主要影响因素是接触界面的真实接触面积和表面层材料的性能。 4 .铸轧过程中，润滑剂对界面传热影响的理论分析表明:润滑剂颗粒作为表面 隔离介质对界面传热有极大的影响，铸轧界面上的润滑状态影响接触界面的 真实接触面积和隔离层的导热性;研究表明:采用微细润滑剂颗粒能够提高 铸轧界面的导热能力; 5 、 滑 剂 本 身 导 热 能 力 的 试 验 研究 表明 : 采 用 同 一 产 地 不 同 粒 度 的 石 墨 润 滑剂 ， 其导热性能差别只有 1 7 % ， 而同一粒度的石墨， 因为产地不同也有 1 ,5 % 的差别， 因此我们认为粒度确实影响导热性能， 但不大: 对于不同温度下润滑剂的导热 性能研究表明:各种粒度的润滑剂颗粒，其导热性均随温度的升高而先升后 缓降。 中南大学硕士 学位论文 第五奄 石墨润汾剂的if 擦学性能 研究 第五章 石墨润滑剂的摩擦学性能研究 在w材铸轧过程中，石墨润滑剂承担着摩擦润滑和界面隔离的双重作用。 在普通轧制过程中， 轧辊与 板材的接触压力很高， 带坯在变形区内受到大于2 x 1 0 “ 牛顿的 铸轧力， 才能使铝材延展， 快速铸轧时铸轧辊的承载能力更达到1 .3 5 - 2 吨/ 毫米。两者间未接触的空隙处如果有石墨润滑剂存在，则石墨润滑剂将承# f l 部 分接触 载荷，同时 轧 辊与 铝板间 保持较低的 摩擦应力 4 。 而 铸轧 速度相对而 言却是很低的， 这就要求润滑剂要有一定的极压性能以防止发生卡咬现象造成粘 辊对铸轧辊造成损坏1 1 5 ,1 6 ,1 7 ,1 8 5 . 1 摩擦润滑在铸轧过程中的意义 在铸轧成形过程中， 铸轧界面上的相互 作用行为是极其复杂的， 铝带坯在铸 轧过程中的变形抗力很大， 尤其在快速超薄铸轧工况下， 铝带坯大的变形速度和 变形程度使这一过程得到进一步强化， 图5 - 1 所示为常规铸轧条件下， 铸轧界面 轧制力的变化情况( 1 9 ,2 0 p / 1 o c m p a 5 0 厂 一 # i;$ l. .; l j l 0 2 0 4 0 6 0 与铸轧区入口 的 距离 / m m 图5 - 1 常规铸轧工况下， 铸轧区内轧制力的分布 由图可见， 在铸造区中由于液穴区的存在， 并且铝带坯处于高温状态， 使得 中南人学硕七 学位论文 第互a 石要润滑刘的摩擦学性能研究 凝固壳表现出 低的变形抗力， 因此、 轧制力较小， 在轧制区随着铝带坯温度的下 降， 变形 抗力 增大， 使得轧制力迅速增加。 在铸轧界面_ f ，山于轧制变形过程的存打， 铝带坯同样产生前滑和后滑; 这