（机械设计及理论专业论文）一种新型润滑剂在铝箔轧制中的摩擦学应用与研究.pdf

摘要 摩擦与润滑对铝箔轧制产品有着决定性意义，广义而言，润滑剂 在轧制过程中起着冷却、清沈和润滑的作用，所以板形、针孔、表面 状态等均很大程度上取决于润滑刺的性能及其使用情况。尤其足高速 铝箔轧制，对轧制油提出了更高的要求。目前铝箔轧制油存在很多不 足，这是导致铝箔生产效益不高的主要原因。而随着速度越来越高， 这些问题将更加突出，本文将利用新添加剂配制新型的润滑剂来解决 此类问题，并通过生产应用证明切实可行。全文研究的主要内容有： 1 分析目前所用的箔轧润滑荆的不足之处，研究在高速箔轧工艺 条件下，轧制速度对油膜性能的影响，以及高速下所产生的发热效应 对润滑效果的影响。 2 添加剂足提高轧制油油膜强度的有效手段，本文分析了各类添 加剂在铝箔轧制中的表现，并且从电负性入手分析了各种磷系添加剂 活性元素的活性，发现亚d b p 和铝的亲和性能很好，提出磷系添加剂 是高速铝箔轧制油的最佳选择。 3 研究了d b p 的摩擦学性能，分析了添加量、载荷、转速及时问 的影响规律；并考察了d b p 和其他添加剂的复合性能。实验证明d b p 是一种优良的极压抗磨剂。 4 应用红外光谱法分析了d b p 的摩擦化学产物；并计算了d b p 的 各元素( 基团) 的电荷分数，从而解释了各元素( 基团) 的活性本质。 以此为基础，结合铝表面可能发生的摩擦化学反应提出了d b p 在铝表 面的吸附模型，研究了它在轧制过程中的作用机理。 关键词铝箔，轧制，速度效应，d b p ，摩擦化学 a b s t r a c t f r i c t i o na l l dl u b r i c a t i o na r ed e c i s i v ef o rr o l l i n gp r o d u c t s m o r e o v e r ， l u b r i c a l l t s 叩e r a t ea sc o o i i n g ，c l e a n o u ta n dl u b r i c a t i o ni nr o l l i n gp m c e s s s ot i ep e r f o n t l a n c eo fl u b r i c a n t sd e c i d e sm e s h 叩e ，p i i l l l o l e sa 1 1 ds u r f a c e q u a l i 够e s p e c i a l l y m er o l l i n ga l u m i n i u mf o i lw i t l lh i g hs p e e dr e q u e s t s e x c e l l e mr o l l i n go i l a tp r e s e m ，t h e r ea r em a l l yd e f i c i e n c i e si nr o l l i n go i l ， w h i c hf a l l sp m d u c t i v i 哆a n dm e s ed e f i c i e n c i e sw i um o r e p r o j e c t i n gw i m t i l em o r ea l l dm o r eh i g hs p e e d a na d d i t i v ew i l ib eu s e dt or e m e d yt h e s e d e f i c i e n c i e si nm i sw o r k t h em a i ns u b j e c t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es h o w n a sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i nt h ef i r s tm ed e f i c i e n c i e so fr 0 1 l i n go 订h a v eb e e na n a l y z e d ， t h e nt l l ei n n u e n c eo fs p e e dt of i l mc a p a b i l i 够a l l dt 1 1 e f e a te f r e c ti nt l l e r o l l i n ga l u m i n i u mf o i lw i t hh i g hs p e e dh a sb e e nr e s e a r c h e d ( 2 ) a d d j t i v e sa r ee f f i e c t i v et oi m p 】v e 矗l ms t r e n g t 1 e n i nt 1 1 j sw m k m a n ya d d i t i v e sh a v eb e e nc o m p a r e d ，锄dt h ea c t i v i 够o fe v e 巧a d d i t i v e h a sb e e na n a l y z e db ym em e a n so f c a l c u l a t i n ge l e c n o n e g a t i v i 吼a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a td i b u t y lp h o s p h i t ei st h eb e s ta d d i t i v ef o rt h er o l l i n g a l u m i n i 啪f o i lw i t hh i 曲s p e e d ( 3 ) t 曲o l o g i c a lb e h a v i o r so f d b ph a v eb e e nr e s e a r c h e di n “sw o r k m o r e o v e r ，m ec h a n g er e l a t i o n so f b e h a v i o r sw i t hc o n t c n t ，l o a d ，v e l o c i 锣 m l dt i m eh a v eb e e na 1 1 a l y z e d a n dt h ec o m p o u l l d p m p e n i e sb e t 、e e nd b p i i a n do t h e ra d d i t i v e sh a v e b e e nw o r k e d0 v e r i tc 锄b ep r o v e dt l l a td b pi sa p r e d o m i n a n ta 1 1 t i w e a ra n de x t r e m ep r e s s u r ea d d i t i v e s ，a n di su s e m lf o r c o n t e m p o r a r yr o l l i n gp r o c e s s ( 4 ) 嘶b o c h e m i c a lp r o d u c to fd b pw a sa j l a l y z e db ym e a n i n g so f i n 仔盯e d s p e c t r aa n a l y s i s a n d t h ef o m u l a f o r c a l c u l a t i n g e l e c 仃o n e g a t i v i t yh a sb e e nm e n d e d 1 1 1 e n ，g r o u pp a n i a lc h a r g e si nd b p h a v eb e 雠c a l c u l a t e d ，w h i c hc 锄d i s c l o s em ea c t h i t i e se s s e n c eo fg m u p s i nd bp m o d e lo fa d s o r p t i o no na l u m i n 啪h a sb e e np u tf o n a r db a s e d o nt h et 、v oa s p e c t sa b o v ea j l dt h ei m a g i n a b l et r i b o c h e m i s t 哆r e a c t i o n s ， m e r e f o r em e 如n c t i o n “m e c h a n i s mo fd b pi nr o l l i n gp r o c e s sh a sb e e n o p e n o u t k e yw o r d sa l u m i n i u mf o i l ，m l l i n g ，v e l o c 时e 疏鸭d i b u t y l p h o s p h i t e ，t r i b o c h e m i s 仃y i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名 魄碰吐月琴日 中南人学硕十论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 铝加工的发展及预测1 l 铝自发现以来，其发展十分迅速。1 9 4 0 年全球铝产量仅1 0 0 万吨，1 9 7 0 年 增至l 0 0 0 万吨，1 9 8 5 年达到2 0 0 0 万吨，而现在已经超过了2 5 0 0 力吨。原铝 的8 5 以上被加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、自由锻件、模锻件、 粉、铸件、压铸件、冲压件等各类半成品和成品，广泛用于国民经济的各行各 业和人民生活的各个方面【2 】【3 】。目前应用比较广泛的铝加工方法主要有熔铸、挤 压、拉制、锻压、轧制等。 近几年来铝及铝加工工业进入一个崭新的高速度发展时期，平均每年以5 以上的速度递增，据不完全统计，截至2 0 0 0 年我国铝加工企业已超过1 4 8 0 家， 其中大型企业4 4 家约占3 0 ，中型企业1 1 1 家约占7 5 ，其余均为能力在 1 万吨以下的小型企业和乡镇企业，占总数的8 9 5 。具体按品种分，生产铝 板带的企业有1 7 0 家左右，轧机生产能力为9 0 余万吨年：铝箔生产企业1 0 0 余 家，总设计能力为1 6 力吨年左右；铝型材生产有9 0 0 余家，生产能力在1 3 0 力吨年左右，其余为管线材生产企业以及日用精铝制品企业，总生产能力为 4 0 万吨年左右。 衷1 1 反映的是近几年来我国各种铝材的产量和消耗量【5 】，从表中也可以看 出，近十年来我国铝加工也获得了长足的发展，总产量增长了7 5 0 左右。另 外，从中可以看出由轧制加工的板带材占了相当的比例，而且其中挤压材和棒 线材等产量已经基本能满足市场需求，而轧制品的产量和消费量还存在着较大 的差距，这种需求和产量的差距主要表现在易拉罐用板、p s 板、双零箔等轧制 材上，目前主要依靠进口来弥补这种差距。 表卜1 国内近几年铝材产量及消费量( 万吨) 1 9 9 3 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年 2 0 0 3 年2 0 0 4 年( 预测) 产量消费量 产量 消费量产量消费量产量消费量产量消费量 轧制材 2 2 52 0 81 3 5 01 4 6 81 4 4 61 5 7 11 6 0 o1 8 1 51 7 6 02 0 5 0 挤压材2 2 7 2 8 41 6 1 21 5 2 51 7 8 51 6 0 5 2 1 9 9 1 9 8 02 3 3 o2 3 7 o 棒线1 5 11 6 3 8 6 6 8 5 88 9 78 7 91 1 3 41 1 0 o1 2 0 0 1 3 2 0 其他1 3 2 1 3 87 8 27 8 2 6 8 8鹋88 5 o 9 2 09 0 o8 5 o 总计7 35 7 9 3 4 6 1 04 6 3 ，34 8 i 64 7 4 35 7 8 35 8 1 56 1 9 0 6 5 9 o 中南大学硕十论文 第一章文献综述 表1 2 是我国近年来各种铝材进出口量【5 1 。从中可以看出，铝型材已经形成 了净出口的形势，国内市场趋于饱和，而铝板带材以及铝箔等轧制产品有很多 都还依赖进口。比如，2 0 0 3 年中国铝板带进口总量为3 7 9 7 万吨，出口5 2 l 力吨，净出口3 2 7 6 万吨，同比增长1 4 1 。铝箔进口5 9 4 力吨，出口4 6 0 万吨，净进口l - 3 4 万吨，而铝氆材则净出口8 8 9 力吨。 表l 一2 近年采我国铝加工材的进出口量( 万吨) 2 0 0 0 年2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年 进u出u 净进u 进口出u 净进u 进u出u 净进l j 进u出u 净进u 板带材 2 7 93 22 4 72 7 53 12 4 43 2 53 82 8 73 8 o5 23 2 8 纭材4 8 82 2 02 6 84 2 52 2 52 0 04 7 32 9 91 7 45 5 43 9 41 6 型材9 4 16 4 03 0 l6 2 76 8 605 97 8 2l o 3 2 2 5 0 36 6 l1 5 58 8 9 国内的铝加工技术虽然也已形成完整的体系，技术r 趋成熟，生产规模、 工艺装备、工艺技术和质苣水平以及科研开发等已进入了一个更高层次的发展 阶段，开始与图际铝加工接轨，但是与国际水平仍然存在一定差距，主要表现 在：我国板带材的品种不齐全，如特厚板、特宽板尚不能生产，只能生产4 0 h u n 厚以内的，而固外大部分是8 0 1 2 0 m m 的厚板；我国最宽的板材为2 5 0 0 蚴，而 世界先进国家已达5 3 0 0 n u n ；在板材的板厚公差、平直度等方面我国也存在着 很大差距。o 0 0 7 m m 香烟包装用箔是比较难生产的品种之一，我国生产的 o 0 0 7 咖香烟用箔，厚差较大，常以正公差交货，不如同类进口产品：此外，铝 箔针孔多，透气性大，对高级精装烟保存期有影响；轧制中断头次数较多。影响 了设备生产效率和成品率。 1 2 轧制加工的特点 铝及铝合会板材、带材以及箔材部可以通过轧制来加工，从表1 1 中可以 看出由轧制加工来的板带材就占了相当的比例，而且其中挤压材和棒线材等产 量已经基本能满足市场需求，而轧制品的产量和消费量还存在着较大的差距。 由此可以看出轧制在铝加工当中还有很大的发展空间。 1 2 1 热轧的特点 根据轧制温度不同可以将铝材的轧制分为热轧和冷轧两道工序。热轧足指 金属及其合金在再结晶温度以上的轧制过程。一般热轧时温度较高，金属变形 同时存在硬化和软化过程，但在热轧温度范围内，软化过程起主导作用。热轧 2 中南大学硕十论文 第一章文献综述 的特点主要有：热轧能显著降低能耗、能改善金属的加工工艺性能以及可以采 用大压下量轧制，从而提高生产率。但是热轧产品的尺寸较难以控制、精度较 差，以及难以控制产品所需的机械性能，强度指标较低，且性能波动范围大， 高温下金属容易氧化等，因此热轧很少直接生产成品，绝大部分是为冷轧提供 坯料。 1 2 2 冷轧的特点 冷轧通常指金属在再结晶温度以下的轧制过程。冷轧产生加工硬化，金属 的强度和变形抗力增加，伴随着塑性降低。冷轧产品的组织与性能均匀，有良 好的机械性能和承受再加工的性能：其产品尺寸精度高，表面质量与板型好； 通过控制不同的加工率或配合成品热处理，可获得各种状态的产品；冷轧还能 生产出热轧不能轧出的薄板带或箔材。冷轧向宽幅、高速、高精度、高度自动 控制方向发展：铝箔轧制向更宽、更薄、更精、更自动化的方向发展，可用不等 厚的双合轧制生产0 0 0 4n h n 的特薄铝箔。 铝材冷轧工艺制度包括冷轧压下制度、冷轧时的张力、冷轧的速度、冷却 润滑以及辊型等。以上各工艺互相影响互相牵制，实际上是一个有机的整体。 在铝材的轧制加工中，一般是先将坯料进行热轧，生产出一定规格的半成 品，然后进行冷轧精加工。目前，我国生产的热轧板，厚度一般在4 8 0 哪之 间。冷轧根据不同的目的，一般又可以分为开坯、粗轧、中轧及精轧四种类型。 冷轧出来的成品厚度可以达到1 0 。3 m m ，即人们常说的双零箔。 1 2 3 铝箔的轧制 铝箔具有质轻、密闭、包覆性好的特性，能起到避光、防潮、保味、防污 染的功效，是极好的包装材料。铝箔具有优良的光反射性和热传导性，在机电、 建筑、运输行业的应用也在不断发展。铝箔的化学性质活泼，经过不同的深加 工处理，可满足各种需求，可以预见，铝箔应用技术的发展会极大的拓展铝箔 市场的空间。随着经济的发展，用户对铝箔的要求不断提高，尤其对铝箔的力 学性能、针孔、表面质量等提出了更高的技术要求。传统的纯铝系列铝箔逐渐 受到用户高要求的挑战。 铝箔生产是指从铝箔毛料开始到加工出素箔的全过程，它是铝板带材冷轧 工艺的延续。铝箔的坯料经冷轧成厚度为o 4 0 7 m m 的铝箔毛料，再经粗轧、 中轧和精轧获得不同厚度的铝箔。粗轧后经不同的工序可生产出厚箔( o 4 o 0 2 5 i 姗) 单零箔( o 0 2 5 o 0 1 4 ) 、双零箔( o 0 0 6 0 0 0 8 ) 以及精制箔等。我 国铝箔经过7 0 年的发展变迁，具备了较好的基础，未来铝箔生产要向更宽、更 薄、更高速的方向发展，要积极探索高档润滑刺的应用、不等厚双合轧制等f ； f 沿技术 中南大学硕士论文 第一章文献综述 铝箔轧制采用全油润滑，轧制润滑油的高精密过滤以及熔体金属净化，对 减少铝箔针孔度具有决定意义( 矧。特别是箔轧速度的越来越高、压下率越来越 大，必定要求轧制润滑油的性能也越来越好。 1 3 箔轧的摩擦润滑过程 轧制是在轧辊与轧件( 金属) 相互作用时，利用摩擦力将轧件拉入旋转的 轧辊间，使轧件受到压缩产生塑性形变的过程。摩擦在整个轧制过程当中非常 关键。 轧制摩擦润滑理论一直都落后于轧制实践。早在1 5 世纪的欧洲就已经有轧 机出现，但是直到1 9 2 5 年才由v o nk 鲫a n 发表了关于轧制理论研究的文章，认 为轧制变形区多为流体动力润滑，并且提出了入口侧油膜厚度计算公式； j a s c h e y 在1 9 6 3 年总结了前人关于金属塑性加工摩擦学的研究成果，对各种 加工过程( 包括轧制) 的基本摩擦润滑特性进行了讨论；1 9 6 6 年，c h e n gh s 用弹性流体动力润滑理论估算了轧辊和带材界面润滑膜厚度。1 9 7 8 年以来 w r d w i l s o n 在此基础上结合塑性变形原理，忽略冶金、化学方面的影响，提 出了等温度条件下的入口区膜厚计算公式，建立了塑性流体动力润滑( p h d ) 理 论。我国学者严宏志教授在w 订s o n p 研究的基础上考察了热效应下的润滑剂粘 度变化及其对润滑过程的影响；谭建平教授则将平均流动模型引入到塑性加工 润滑研究当中，分析了轧制润滑过程的表面粗糙度效应，建立了考虑表面粗糙 度的变形区油膜厚度计算模型，并确定了常用润滑添加剂的吸附特性。 综合i i i 人所做的工作，可以看出来几乎都是静态分析轧制变形区内的润滑 状态或者润滑油膜的特性。但是在实际轧制生产当中，轧制变形区内的油膜是 一个时刻在变化的动态过程。在轧制中( 尤其是在箔轧中) 往往是通过调节轧 制的速度以及轧制后张力来实现对出口轧件的质量进行控制。因此轧制变形区 的润滑状态以及油膜特性都时刻随着速度和张力的变化而变化。若能在前人研 究的基础上，着重探讨出变形区内润滑状态和油膜特性随速度的动态变化关系， 或者在某一特定工艺条件下，定量地界定速度和润滑状态的关系，将对箔轧产 品的质量控制有很大的实际意义。 1 4 箔轧润滑油概述 1 4 1 箔轧对润滑油的要求 自动控制、高质量轧坯和精确的润滑技术是现代化轧制的三大要素f 1 2 1 。广 4 中南大学硕士论文第一章文献综述 义而言，润滑条件决定了其他工艺参数，润滑剂在轧制过程中起着冷却、清洗 和润滑的作用，所以扳形、针孔、表面状态均取决于润滑剂的性能及其使用情 况，特别是轧制速度越来越高、宽度越来越宽、厚度越来越薄、精度越来越高 以及自动化程度越来越高的今天，润滑更起到决定性的作用。 冷轧时，加工硬化使金属的变形抗力增加，单位压力较高，能耗增大金 属的变形热与摩擦热使轧件和轧辊的温度升高，当加工率大、轧制速度高以及 压力大时更为突出。而且冷轧产品的精度、性能及表面质量要求高。这些冷轧 的特点对润滑刺提出了较高的要求：( 1 ) 基础油的粘度适当；( 2 ) 润滑性能良好， 摩擦系数适宜；( 3 ) 油膜强度要大，在高压下不破坏，并能均匀附着且附着力较 大；( 4 ) 不腐蚀轧件和轧辊，并容易去除：( 5 ) 阳点要适当。闪点过高，退火时 不容易挥发，使产品表面产生油斑：( 6 ) 对人体无害；( 7 ) 资源丰富。 进入上世纪8 0 年代以来，随着研究手段的只新月异，人们对润滑剂的作用 机理及润滑剂摩擦化学进行了系统的研究，这为开发新型高效的润滑剂及其添 加剂提供了理论依据。我国在轧制加工的润滑剂研究方面起步较晚，但是经过 国内学者的不断努力，已经取得了很多研究成果，如中南大学神润科技有限公 司研制的铝材轧制润滑油系列，已经成功的应用到生产一线，并且取得了很好 的经济效益，其中某些技术指标已经达到国际先进水平。 1 4 2 基础油 冷轧润滑油由基础油加1 l o 的添加剂混合而成。基础油主要由饱和 烃、环烷烃、芳香烃及少量的稀烃组成。按照基础油的组成，基础油可分为石 蜡系、环烷系和芳香系三种l i 引。从轧件的退火后表面品质来看，石蜡系基础油 的退火性能最好，环烷系次之，芳香系最差。也就是说基础油中的饱和度越高， 其退火性能越好。另外，选择基础油时还要考虑油膜强度、摩擦系数、表面张 力、碘值等等。基础油的主要性能见表卜3 【l o ，1 4 i 。 表l 一3 几种基础油的主要理化性能 产品s e n t o re ) 【) 【s o lg v e m r e xr u n 沧硼 性能3 5d 1 0 05 65 6一县 密度，( 1 5 ) kg 一 8 0 07 8 08 1 07 9 08 0 0 粘度。( 4 0 ) c s t 2 3 2 1 b 41 7 42 1 01 6 7 馏程， 2 3 0 2 6 02 3 5 2 6 82 1 5 2 5 5 2 3 0 1 6 52 l l 2 4 8 阿点， t 0 51 0 28 51 1 48 l 8 7 鲮疽，m g k 删g 1 o 0 3o 0 l o 0 1 4 芳香值0 1 6 硫含量。i 扩 533o 32 0 芳香烃含量，_ o 9 5o 9o 7 5 1 0 用逢薄板薄板薄板，铝绐薄板 铝箔 生产厂家 凳皓s 0 美e x ) 【s 渊美m o b i l金陵石化 沧洲 5 中南大学硕士论文 第一章文献综述 基础油为非极性的烃类物质，分子间的排列是无序的，不能在金属表面上 形成牢固的吸附层。因此，基础油本身的承载能力低，润滑性能差。为了提高 工艺润滑油的润滑性能，在基础油中加入少量含有极性基团的添加剂，这是提 高油品质量的极为重要的手段。因此润滑油的生产技术应包括基础油和添加剂 两部分f 2 1 。 1 4 3 添加剂 在铝材的轧制过程中，为了获得合适的摩擦系数以及较高的油膜强度，通 常需要加入各种润滑油添加剂，以期通过它们在摩擦过程中的吸附作用和摩擦 化学作用，在加工金属表面形成一层保护膜，从而获得高质量的润滑效果以及 加工表面。在铝箔的轧制过程中，因为轧制速度很高，而且铝箔产品的表面质 量要求很高，因此优质的润滑油在铝箔轧制过程中作用尤其突出。为了考虑铝 箔的退火性能，以前的铝箔轧制油中几乎不添加极压剂，目的是获得优良的表 面性能。但是随着轧制速度越来越高，对油膜强度提出了更高的要求，因此极 压剂也歼始更多地用于轧制过程中。 添加剂按照活性元素的种类可以分为硫系、卤系、磷系添加剂等。硫系添 加剂的极压抗磨性能非常优越，因此在钢铁的轧制罩面有所应用，但是会在轧 制产品表面产生黑色油斑，所以很少用在有色金属的轧制当中，更不能用在对 表面要求很高的箔轧当中。目前的卤系添加剂主要是指含氯添加剂，一类为氯 化烃，另一类为氯化羧酸衍生物。由于氯元素排在元素周期表中主族元素的左 边，更确切的说，其最外层电子层为七电子层结构，而使其有较强的化学亲和 力，因此，含氯添加剂的极压性能也非常好，不过同样地因为含氯添加剂腐蚀 性过强以及过高的活性，使得它难以退火，会严重影响铝箔的表面质量。因此 硫系和氯系添加剂很少用在铝箔轧制油当中。 尽管目前已经研制出不少单项性能优越的轧制油添加剂，但是仍然远远不 能满足现代轧制工艺对润滑油的要求。人们开始将复合添加剂用于轧制过程中， 并取得了很好的效果。轧制油添加剂的复配可以产生协同效应和对抗效应，充 分利用添加剂复配时的协同效应，是获得合理而经济的轧制油的有效途径。所 谓协同效应是指两种或多种添加剂的复合效果高于其简单加合的期待值，而对 抗效应则相反，它是指一种添加剂抑制了另一种添加剂的活性。 以前的摩擦学研究者对极压剂、抗磨剂和油性剂之间的协同效应很感兴趣， 不同类型添加剂之阃最常见的相互作用，如图卜l 所剥7 1 。在轧制过程中应用 最广泛的就是用于降低摩擦系数和磨损率的油性剂以及用于提高咬粘载荷的极 压荆。二者经常复合使用，以取得综合效应，见图卜2 【引。 6 中南人学硕+ 论变 第一章文献综述 油降清抗抗抗撒抗 性凝净氧腐痔压泡 剂剂剂刺刺荆剂刺 油中 荆 十 000 十 o 降凝荆o0o000 清净荆 抗氧荆 + oo 抗腐剂 一一 0 抗磨利 + 0 极脉剂 0 抗徊剂 + ：协同效应一：对抗效鹿o ：无影响 图卜l 各种添加剂之间的相互作用 1 5 选题意义及课题思路 耧 墨 糍 艇 t o 温度 图l 一2 极压剩与油性剂的作用范围 a 一摹础油；b 一加油件剂的基础油；c 一加极 居剂的基础油：d 一加油性剂及极碌剂的皋础油 1 5 1 选题意义 在铝箔的生产过程中，最为常见的问题就是经常出现断带，从而使得生产 不连续。断带的主要原因之一就是润滑不充分，造成铝箔和轧辊直接接触。尤 其足在高速生产超薄铝的情况下，轧制变形区内的油膜厚度相对于低速时要高 的多，而且速度越高发热量就越大，对润滑膜的油膜强度也是很大的考验，因 此，目前所使用的轧制油将很难满足需求，所以有必要开发新型的、适合高速 超薄的轧制油。 改善润滑油润滑性能的添加剂，按照活性原子的不同可以分为很多系列， 主要有硫剂、磷剂、硼剂，卤素添加剂以及它们的复合添加剂。其中含卤族元 素的添加剂和硫系添加荆对铝材产品的退火性能有不良影响，会留下不同程度 的油斑，这是不能允许的，因此硫系添加剂和卤系添加剂在铝箔轧制中应用很 少。 目前国内外对硫剂的研究很系统，对其作用机理也有比较统一的认识，但 是磷剂的作用机理比硫剂要复杂得多，各研究者的工作集中在几种常用的如磷 酸三甲酚酯( t c p ) ，二烷基二硫代磷酸锌( z 肋p ) 等。本文对亚磷酸类的添加剂 的摩擦性能和摩擦机理做了详细的实验及分析，希望开发适用于高速铝箔轧制 的磷系添加剂，而且本文的研究内容对系统地开发新型的、多效性的含磷添加 剂尤其是对硫磷复合添加剂有重要的意义。 1 5 2 课题内容 本文主要研究以下几个方面的内容： 7 中南大学硕 论文 第一章文献综述 1 分析在高速箔轧工艺条件下。 所产生的热效应对润滑效果的影响。 ? l 及如何才能满足高速箔轧的要求。 轧制速度对油膜性能的影响，以及高速下 并且提出目前所用的箔轧油的不足之处， 2 添加剂足提高油膜强度的有效f 段，本文分析了各炎添加剂在铝箔轧制 中的表现，提出磷系添加剂足高速铝箔轧制油的最佳选择。然后从电负性入手 分析了各种磷系添加剂活性元素的活性，发现d b p 和铝的亲和性能很好，因此 接下束将研究d b p 的摩擦性能，并揭示添加量、载荷、转速及时日j 等参数的影 响效果；并将考察d b p 和其他添加剂的复合性能，为利用它配制复合添加剂提 供依据。 3 将应用红外光谱法分析d b p 的摩擦化学产物：并计算d b p 内各元素( 基 团) 的电简分数，期望揭示添加剂中各元素( 基团) 的活性本质；在此摹础上 希望建立d b p 在铝表面的吸附模型。并揭示它在轧制过程中的作用机理。 8 中南大学硕十论文第一二章高速箔轧对润滑刺润滑效果的影响研究 第二章高速箔轧对润滑剂润滑效果的影响研究 在铝材的轧制过程中，为了获得合适的摩擦系数以及较高的油膜强度，通常 需要加入各种润滑油添加剂，以期通过它们在摩擦过程中的吸附作用和摩擦化学 作用。在加工金属表面形成一层保护膜，从而获得高质量的润滑效果以及良好的 加工表面。在铝箔的轧制过程中，因为轧制速度很高，而且铝箔产品对表面质量 要求很高，因此优质润滑油在铝箔轧制过程中的作用尤其突出。为了考虑铝箔的 退火性能，以前的铝箔轧制油中几乎不添加极压剂，目的是获得优良的表面性能。 但是，铝箔轧制的速度要求越来越高，变形区发热量也就越来越大，现在的 轧制油能否满足这种日趋苛刻的加工条件呢? 表2 1 列出了目前国内几大铝箔厂 所使用的轧制油的摩擦学性能。从中可看出，几种轧制油的油膜强度p b 值基本 上都在3 0 0 4 0 0 n 。但是随着速度的提高，变形区内轧件表面的瞬间温度肯定上 升，吸附在铝箔表面的润滑膜温度也会有很大的上升。众所周知，吸附膜的油膜 强度和温度是成反比的，因此这就要求润滑油在速度很高的情况下保持较高的油 膜强度。目前国内铝箔的轧制速度已经达到1 2 0 0 r ，m i n ，可以预测将来肯定还会 进一步提高，达到甚至超过2 0 0 0 r m i i l 。这就要求进一步提高轧制油的油膜强度。 p b ，n d 嚣盛，m m 常熟铝箔厂 3 7 2o 4 3 7o 0 8 6 夏顺a r 精轧油3 3 30 5 1 2 o 0 6 l fw y r o l 63 7 20 4 9 9 0 o 引 l江苏铝厂3 0 lo 6 0 0 0 0 8 0 lw y r o l l 23 3 3o 6 2 2 0 0 8 1 高速铝箔轧制对润滑技术提出了越来越高的要求，目前的箔轧油已经很难满 足实际生产需要，将来速度进一步提高的话，就必然要求加入新型的添加剂。高 速铝箔轧制有其特殊性，速度提高将导致变形区的润滑状态发生改变，另外，因 为速度高以及轧件很薄，所以高速箔轧所导致的热效应很明显，必然对润滑效果 产生明显的影响，同时也会使轧件产生瞬间高温，对润滑膜的润滑效果产生不良 影响。因此本章就将分析高速条件下铝箔轧制变形区的润滑状态，以及高速轧制 所导致的发热效应对润滑性能的影响，尤其是对油膜强度的影响，最后提出高速 9 中南大学硕十论文第二章高速箔轧对润滑剂润滑效果的影响研究 箔轧对润滑油的新要求。 2 1 润滑状态的界定f m 叫。i 国内外学者针对轧制变形区内的润滑状态进行了大量的研究工作，大多是针 对厚板轧制，认为变形区基本处于边界润滑和流体润滑的混合状态，但以边界润 滑为主。但是对于箔轧而占。尤其是速度很高的箔轧变形区的润滑状态是否依然 是以边界润滑为主的混合润滑呢? 这晕先从理论上分析润滑状态的界定。 在接触区内，润滑状态可以分为流体润滑( 包括动压润滑和弹流润滑) 、薄 膜润滑和边界润滑。如果接触区的表面粗糙度相对于油膜厚度很小，则可以按照 膜厚比 ，盯柬界定各润滑状态，见图2 一l 示s t r i b c c k 曲线【1 5 】，其中厅是油膜厚度， 盯= 盯? + 盯；是综合表面粗糙度。 摩 擦 系 数 u i i ，5 - 0 l i ，6 i i ，6 5 边界稠滑混台润滑 疏体槲滑 1r ?。、。 、- - _ _ 图2 一ls t r i b e c k 曲线 边界润滑在边界润滑状态下，润滑剂分子吸附在摩擦副表面并形成分子 吸附层，称为边界膜。边界膜的摩擦学特性取决于润滑剂分子与固体表面的结合 能，而与润滑剂粘度和速度无关。 流体润滑在流体润滑中，润滑分子是无序的液态，润滑膜的性能服从流 体规则，有很强的流体效应。在油膜厚度一速度关系曲线上几乎表现为直线，而 且其斜率比薄膜润滑大。 薄膜润滑 在边界层和流体层之日j 是有序的液体层，该层分子的有序度沿 着边界层到流体层的方向减小，称之为有序膜，它构成了薄膜润滑，它实际上是 图2 1 中介于边界润滑和混合润滑之间的一种状念。有序膜的性能主要取决于润 滑剂分子问的作用力，因此它的摩擦学特性介于流体润滑和边界润滑之问。边界 1 0 中南大学硕十论文 第_ 二章箔轧时速度对润滑效果的影响研究 膜、有序膜以及流体膜的模型见图2 2 【1 9 1 图2 2 润滑膜模翟图 2 2 油膜厚度对润滑效果的影响 2 2 ，l 油膜厚度的计算 早期的关于轧制变形区润滑机理的研究大多是基于流体动力润滑理论， w i l s o n 的变形区入口侧油膜厚度计算公式为【1 珂： 吃= 粼 ( 2 一i ) 其中h f 为入口处油膜厚度 p m ；f i o 为轧制油粘度 儿j 】；o 为压粘系数；定是 轧辊半径：v 。为轧辊线性速度【研j “】；v ，为轧件入口速度【m j 。】：x 为轧制 变形区长度 m ；ob 为轧件表面变形抗力【m p a 】；o 。为后张力【m p a 】。上式没有 考虑轧件表面积糙度的影响，在速度很高的时候计算出来的油膜厚度值和实际并 不相符。 中南大学机电学院谭建平教授以平均流动模型为基础。考虑轧件的表面粗糙 度的影响，提出了变形区入口侧的油膜厚度计算公式【7 l ： e x p ( 印) ：卜6 懈以+ 圪) f 筹褊c o s 咖协2 ) 其中以为平均油膜厚度；妒。为压力流量因子：p 为油膜压力；i i l 为名义油膜厚 度；以为辊面圆周速度；圪为轧件入口速度。该公式计算出的结果精确度很高， 但是计算本身需要确定的参数很多。 在轧制速度越来越高的快速超薄轧制变形区入口处各流体参数都表现出很 好的弹性流体特性f 2 d 】。因为铝箔轧制压下量很小。所以变形区的长度比宽度大很 多，而且油膜厚度相对于变形区宽度又很小，所以变形区可以简化为个圆柱和 中南大学硕士论文第一二章箔轧时速度对润滑效果的影响研究 平面的线接触，根据弹流润滑的经典公式即可以计算出入口处的油膜厚度1 5 】： ：1 9 5 r ( 警户b 笋y ( 2 3 ) 其中r 为轧辊的半径 m ；u 为相对滑动速度 脚s - 1 】；玑为常温常压下润滑油 的粘度 儿j ：口为粘压系数；e 为当量弹性模量【g p a 】，由公式 古= 瞎十普) 进行计算，为变形区长度 m ；为载荷 n 。比较难以确 定的是轧辊和轧件的相对滑动速度u ，轧制变形区几何示意图见图2 3 。 图2 3 轧制变形区几何示意图 图中y 为中性角，它将变形区分为静滑区和后滑区，在中性面上轧辊和轧件 的速度相等。入口角口= 亭，其中幽为压下量；中性角，= 号( 1 一芳) ，其 中夕= 口r c 衫，为变形区摩擦因数。于是丽= r ( 1 一c o s y ) ，所以圩。= + 2 b c ， 令轧辊速度为v ，轧件入口和出口的速度分别为v ，和v 。，根据体积不变原理同时 忽略宽展，我们可以得到册，= 爿。v = j i l v 。，于是可以求出入口速度 哆= 警= 坚生学，入口处的相对滑动速度为c ，；。一v ， 将u 代入 公式( 2 3 ) 即可求出入口处的油膜厚度。 油膜厚度的实验测量方法主要有电容法、磁阻法和光干涉法等【2 1 1 ，但是对轧 制变形区研究应用的最多的还是传统的称重法。称重法是将轧辊与轧件洗干净后 进行润滑轧制，从轧后工件表面切取面积为a 的一块试样，在分析天平上称重为 中南大学硕士论文 第一二章绍轧时速度对润滑效果的影响研究 w ，然后将其两面上轧制油清洗干净再次称重为。因此可得到轧件表面的膜厚 为f 2 2 j ：坠= 堑 2 爿p 其中p 为轧制油密度。 2 2 2 影响变形区油膜厚度的因素1 2 3 2 6 j 润滑油膜的成膜机理主要有流体动力学成膜和机械夹带成膜f 2 0 】。流体动力学 成膜只有在低枯度高速度的条件下才能成膜，丽机械夹带成膜无论是在高速还是 低速下都始终存在。在实际生产当中，这两种机理往往是同时存在的，影响油膜 的厚度也就和轧制条件密切相关。 ( 1 ) 轧件表面粗糙度谭建平教授用数值积分法分析膜厚与变形抗力的关系。 提出横向条纹具有“栅栏”作用川，有利于机械夹带从而增加油膜厚度，而纯纵 向条纹则近似于理想光滑表面，不利于机械夹带。 ( 2 ) 润滑油粘度随着润滑油粘度的增加，油膜厚度成近线性的增长，这与油 膜厚度与粘度的关系式相一致1 2 3 】： l3 玎孵+ j ”一面i 可 其中油膜厚度和粘度成正比。润滑油粘度越高，其抗剪强度越大，所能承受的压 力越大，润滑油被挤出变形区的可能性就越小，因而变形区油膜越厚。添加剂在 轧制油中的含量很小，对轧制油粘度的影响不明显，因此可以不予考虑。 ( 3 ) 轧制压下率一般而占，在其他条件相同时，油膜厚度随轧制压下率增加 而减小。这是由于，压下率增大使轧件与轧辊的接触角增大，意味着变形区入口 平面处润滑剂的楔角增加，致使润滑楔角内的压力降低，机械夹带效果降低，因 而拽入变形区的油量减少，油膜减薄。 ( 4 ) 轧件的屈服极限在不同轧件日j ，随着金属屈服极限的增加，油膜厚度减 小。另外增加后张力相当于减小金属的屈服极限，因此单位后张力增大，交形区 油膜厚度增加。 ( 5 ) 轧制速度以上各参数基本上都是内在的，在实际生产控制当中难以利 用。为了控制板形，在生产当中往往是通过调节轧制的速度来达到控制油膜厚度， 从而达到满意的润滑效果。最终获得良好的板形。因此轧制速度在整个轧制过程 当中非常重要。总体上油膜厚度是随着轧制速度的提高而增厚的。其他条件一定 时，速度越低机械夹带成膜效果越强，而流体动力成膜效果越弱；反之，则流体 动力成膜机理占优势。这就导致了在不同速度下，变形区的润滑状态可能会有所 中南大学硕士论文 第二章箔轧时速度对润滑效果的影响研究 不i 司。 ( 6 ) 热效应在现代轧制中要求越来越高的速度。而速度越来越高，导致轧制 变形区的热效应越来越明显，变形区润滑剂的温度也就相应的上升。在速度很高 的时候，这种温度的上升非常可观，以至于直接的影响了油膜厚度。 下面通过实验和理论相结合，就高速铝箔轧制变形区内的润滑状态以及高速 所产生的热效应进行研究，然后分析在高速箔轧工艺条件下，目前润滑油的不足 之处以及对新型箔轧油所提出的要求。 2 3 高速箔轧变形区内的润滑状态 2 3 1 实验设备和实验方法 2 0 0 3 年7 月在西北某厂通过测定不同速度下的铝箔厚度和铝箔表面租糙度， 来判断变形区的润滑状态。 实验设备：中1 7 0 0 2 6 0 7 2 0 四辊不可逆轧机 轧辊表面粗糙度：o 0 7 2 i lm 轧制力：1 4 0 t 试验材料：1 0 6 0 h 1 4 配料规格：0 0 4 5 1 1 2 0 姗 实验在某厂进行，在一定的张力下，在轧制升速过程中记录铝箔厚度的变化， 为了突出速度因素，实验过程中其他条件保持不变。 2 3 2 实验结果与分析 表2 2 是不同速度时记录下的铝箔厚度，考虑到读数据时是先读速度再读厚 度，其中有个时间差，故厚度所对应的速度值应加上一个修正值。具体修正值是 取两相邻速度差值的一半。比如在4 0m m i n - 到8 0m m i n - 1 这两个相邻的速度 相差4 0m m i n 1 ，因此修正值可以取2 0m m i n 一。为示区别，以下将考虑了修 正值的速度称为实际速度，图2 4 所示的是实际速度下铝箔的厚度。 表2 2 不同速度下铝箔的厚度 速度，- - ln 2 0帅鲫j 1 01 4 0 1 6 0 2 0 02 b l3 3 3 03 4 03 6 0 3 6 0 铝箔耳度- 1 66_ 622o馏i： b2纠03 li2 7 52 5o2 3io 2 292 29 由图2 4 可以看出，铝箔厚度随速度的上升而呈下降的趋势，将实际速度分 为三个阶段：0 6 0m 1 1 1 i n 1 、6 0 3 1 5m m i n 1 和3 1 5 3 6 0m m i n 1 。而油膜 厚度和铝箔厚度是呈反向变化的，也就是说油膜厚度随速度的上升而上升。因为 整个轧制过程中其它条件不变，故升速前后铝箔的弹性形变可以认为相同，而油 1 4 中南大学硕+ 论文 第_ 二章箔轧时速度对润滑效果的影响研究 膜初始厚度为零，因此在忽略轧制油的弹性压扁的情况下，可以认为铝箔厚度减 少的量也就相当于油膜厚度增加量的两倍。于是可以大概得出不同速度下油膜的 厚度，并将实际速度下所对应的铝箔和油膜的厚度列于表2 3 中。 图2 4 实际速度下铝箔的厚度 表2 3 实际速度下铝篇和油膜的厚度 逮度，_ - ln 1 3 0椰9 5i 龉i 神j 8 d 2 4 0龃03 1 5 3 3 5晰3 旃枷 铝箔年度p _ 4 6662 20册l蔫23 oi ll2 7 52 5 o 2 3l 2 302 292 2