（材料加工工程专业论文）新型含钛冷轧辊摩擦磨损行为的研究.pdf

摘要 新型含钛冷轧辊摩擦磨损行为的研究 摘要 冷轧薄板的生产是钢铁产业中一项高附加值、高技术的产业。轧辊是冷轧生 产的主要生产工具，因此控制轧辊的磨损和推进轧辊的革新是冷轧技术发展的关 键环节。 我国现有的带钢冷连轧机多数从国外购买，对轧辊磨损的控制采用国外1 0 多年前的数学模型，没有自己的知识产权。随着冷轧技术的发展和轧制力、轧制 速度的提高，我国目前普遍使用的高铬锻钢冷轧辊已经不能满足轧制工艺的要 求，轧辊的开发任务迫在眉睫。国外研究表明，在传统高铬锻钢轧辊中添加少量 的钛之后，其摩擦磨损性能会大幅度提高，使用寿命会延长三倍。目前，高铬锻 钢轧辊在我国已经实现了生产自主化，同其他轧辊相比，推广使用这种含钛高铬 锻钢轧辊具有生产转化快、推广速度快的优点。所以，国内各冷轧厂优先推广使 用含钛高铬锻钢是非常符合我国国情的。 本文主要通过在摩擦磨损实验机上进行冷轧辊磨损的模拟实验对其磨损行 为进行研究。对传统高铬轧辊和新型含钛高铬轧辊进行了不同工艺条件下的多组 磨损实验，实验结果表明：外因对磨损的影响非常大。不同工艺参数对轧辊磨 损的影响方式不同。新型轧辊的摩擦磨损性能优于传统轧辊，它可以适应更高 的轧制力和更快的轧制速度。在某些工艺条件下，新型轧辊的表面会出现表面 金属的自更新现象。新型轧辊的磨合比传统轧辊困难，所以新型轧辊在使用前 必须采用合理的磨合规范。 本文还完成了两种轧辊在干摩擦和润滑摩擦条件下的连续摩擦磨损的对比 实验，通过实验得出：轧辊磨损的简单数学模型。轧辊在连续磨损时不同时 间段内的磨损规律和磨损机制。润滑对轧辊的磨损影响很大，良好的润滑可以 大幅降i b 车l 辊的磨损。边界润滑时，生产的板材表面质量最好，且随着轧辊的 磨损，轧辊和轧件间的润滑由边界润滑和混合润滑向流体润滑过渡。在润滑实 验时，新型轧辊同样可以出现表面的自更新现象。 本文紧密贴合生产实际，深入系统地研究了冷轧辊的磨损机制和轧制中各工 艺参数对轧辊磨损的影响，进一步掌握了轧制过程中轧辊表面的磨损特性。在实 验中发现新型轧辊表面出现了自更新现象。本项研究对现有轧辊磨损模型的改 山东大学硕+ 学位论文 进、现行冷轧生产工艺参数的调整、新型轧辊的推广使用、提高冷轧薄板表面质 量、降低生产成本等具有重要的理论意义和应用价值。 关键字：冷轧辊；摩擦磨损；磨损机理；钛 捅要 r e s e a r c ho fw e a rp r o p e r t i e so fan e wt ie n h a n c e dc o l dr o l l a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o l d r o l l e ds h e e ti sah i g hv a l u e - a d d e da n dh i g h t e c h i n d u s t r y b e i n gt h em a i nt o o li nc o l dr o l l i n g ，t h er o l ls h o u di n n o v a t e da n dt h er o l l w o r nn e e ds t u d i e d p r o m o t i n gt h er o l li st h ek e yt ot h ed e v e l o p m e n to fc o l d - r o l l e d t e c h n o l o g y t h ee x i s t i n gt a n d e mc o l dr o l l i n gm i l l si nc h i n aa r em o s tb o u g h tf r o ma b r o a d ， a n dt h em a t h e m a t i c a lc o n t r o lm o d e lo fr o l lw e a rh a sb e e ni n t r o d u c e dd e c a d e sa g o f r o mo v e r s e a s ，s ow ed o n th a v e0 1 1 1 o w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc o l dr o l l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v i n go fr o l l i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h e h i g h - c h r o m i u mf o r g e dc o l dr o l lw h i c hi su s e dw i d e l yi nd o m e s t i cc a nn o ts a t i s f i e s t h er e q u i r e m e n t so ft h er o l l i n gp r o c e s s s ot h ed e v e l o p m e n to fc o l dr o l li sa nu r g e n t t a s k af - o 喊盟r e s e a r c hs h o w st h a ta d d i n gas m a l la m o u n to ft i t a n i u mi nt h e t r a d i t i o n a lh i g h - c h r o m i u mf o r g e dc o l dr o l lc a ni m p r o v ei t sw e a rp r o p e r t i e sa n d p r o l o n gi t ss e r v i c el i f ei nt r i p l e a tp r e s e n t , h i g h c h r o m i u mf 0 唱c dc o l dr o l l si nc h i n a h a v ea c h i e v e dt h ep r o d u c t i o no fa u t o n o m y c o m p a r i n gw i t ho t h e rr o l l s ，g e n e r a l i z i n g s u c hat ie n h a n c e df 0 玛e dc o l dr o l l sh a sl o t so fa d v a n t a g e ss u c ha st h et r a n s f o r m a t i o n a n dp r o m o t i o nr a t e a sr e l a t e d ，g e n e r a l i z i n gt h i sr o l li nc o l dr o l l i n gm i l l sc o n f o r m st o c h i n a sc o n d i t i o n s i nt h i sa r t i c l e , w es t u d yt h ec o l dr o l l sw e a rb e h a v i o rb yt h ec o l dr o l lw e a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nt h ew e a rt e s t e rt y p em m s - 2 b u n d e rd i f f e r e n tp r o c e s s c o n d i t i o n s ，w ep e r f o r m e dm u l t i p l eg r o u p so f w e a rt e s t sa c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a l h i g h - c h r o m i u mf o 赠e dc o l dr o l la n dt h en e w t ie n h a n c e df - 0 r g e dc o l dr o l lr e s p e c t i v e l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t ：e f f e c to fe x t e r n a lf a c t o r sa r es i g n i f i c a n ta n d d i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r si n f l u e n c er o l lw e a ri nd i f f e r e n tw a y s ；t h en e wr o l l w h i c hc a na d a p tt oah i g h e rr o l l i n gf o r c ea n df a s t e rr o l l i n gs p e e di ss u p e r i o rt ot h e t r a d i t i o n a lr o l li nw e a rp r o p e r t i e s ；( 要) u n d e rs o m ep r o c e s sc o n d i t i o n s ，an e wi m p r o v e d r o u g h n e s sp r o f i l ec a nb ec o n t i n u o u s l yg e n e r a t e do nt h en e wt ie n h a n c e dr o l ls u r f a c e w h i l er o l l i n g ；( 至) t h er u n n i n g - i no ft h en e wt ie n h a n c e dr o l li sd i f f i c u l tt h a nt h e 山东大学硕十学位论文 量曼曼皇鼍曼曼= i i i1 i 量曼量曼皇皇曼曼曼鼍皇曼曼量皇曼量皇曼鼍量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼量寰 t r a d i t i o n a lr o l l ，s ow es h o u l dd e v e l o pas u i t a b l er u n n i n g - i ni n d e x e s i nt h i sa r t i c l e ，w ea l s oc o m p l e t e dt h ec o n t r a s tt e s to ft h et w or o l l sw h i c h p e r f o r m a n c eo nc o n t i n u o u sw e a l p r o c e s s ，t h i se x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：as i m p l e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er o l lw e a r ；1 1 1 ew e a rr e g u l a r i t ya n dm e c h a n i s ma t d i f f e r e n tp e r i o d si nt h ee x p e r i m e n t s ；b e t t e rl u b r i c a t i o nc a nr e d u c et h er o l lw e a r ； u n d e rb o u n d a r yl u b r i c a t i o n ，t h es u r f a c eq u a l i t yo fs t e e lp l a t ei st h eb e s t w i t ht h er o l l w e a r i n g , t h el u b r i c a t i o nb e t w e e nt h er o l l a n dt h ep l a t et r a n s i tf r o mb o u n d a r y l u b r i c a t i o na n dm i x e dl u b r i c a t i o nt of l u i dl u b r i c a t i o n ；u n d e rl u b r i c a t i o n ，an e w i m p r o v e dr o u g h n e s sp r o f i l ea l s oc a nb ec o n t i n u o u s l yg e n e r a t e do nt h en e wt i e n h a n c e dr o l ls u r f a c ew h i l er o l l i n g t i l i se s s a yc o m b i n e dw i t hp r o d u c t i o np r a c t i c ea n ds t u d i e st h ec o l dr o l lw e a r r e g u l a r i t ya n dm e c h a n i s md e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l y i ns o m ea s p e c ts u c ha sa d j u s t p r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s ，i m p r o v em a t h e m a t i c a lc o n t r o lm o d e l ，g e n e r a l i z en e w c o l dr o l l ，i m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t yo fs t e e lp l a t e ，r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s ，o u rs t u d y h a si m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n ga n d a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d ：c o l dr o l l ；f r i c t i o na n dw e a r ；w e a rm e c h a n i s m ；t i t a n i u m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：噎玺垫日期：塑量：互型 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：邀导师签名：盥日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 冷轧是薄板生产的主要工序，其所生产的冷轧薄板属于高附加值钢材品种， 是汽车、建筑、家电、食品等行业必不可少的原材料。 目前，我国冷轧薄板生产的技术水平和国外差距较大，高质量的冷轧薄板还 主要依靠进口。这种技术缺口主要体现在生产的自动化控制水平和产品质量两个 方面。冷轧辊的摩擦磨损对这两个方面有直接的影响。首先轧辊的表面与轧材直 接接触，轧辊表面质量直接影响钢板表面质量及其尺寸精度。另外，掌握轧辊的 磨损规律，准确地预测轧辊的磨损并建立轧辊磨损数学模型，可以实现对轧辊使 用的自动控制【1 羽。 近年来，提高生产效率、节约生产成本、发展集约型经济已经成为人们的共 识。目前，钢铁业已经成为成本最高的行业之一，作为s l n 生产的关键部件，轧 辊已成为主要消耗件之一，且其磨损导致轧辊失效。资料显示：2 0 0 3 ，- - 2 0 0 6 年， 我国已建和在建冷轧带钢轧机4 5 套，年产3 2 0 5 万吨，吨钢辊耗0 8 1 2 k g ， 年耗辊3 2 0 5 0 吨。如果通过研究可使辊耗降低5 ，则可减少1 6 0 0 吨轧辊消耗， 即节约生产成本约1 亿元，经济效益可观。根据中国机械工程协会的统计，在冶 金企业开展摩擦、磨损及润滑的研究与应用工作的投入和产出比是l ：7 6 1 4 1 。通 过这一研究不仅可以提高轧辊的耐磨性、减少轧辊损耗、增加轧辊使用寿命，而 且可以提高板材质量、降低轧制力、提高轧制速度，这直接节约了生产成本，提 高了生产效率和产品质量，带来可观的经济效益。所以，冷轧辊磨损研究具有较 高的实用价值。 冷轧辊磨损的研究是一个跨学科的边缘科学领域，有巨大潜力。目前，国内 缺乏跨学科的专门研究队伍，冷轧辊磨损的理论体系也还没有建立起来，所以本 项研究具有相当重要的理论意义 进入2 l 世纪以来，国外采用在传统高铬锻钢轧辊中加入微量的钛元素的方 法制造出了一种摩擦性能优良的轧辊。据报道，这种轧辊表面磨损时可以出现自 更新现象，并且轧辊的寿命是传统轧辊的三倍，是目前国际上比较关注的新型冷 轧用轧辊。然而，国内目前还没有任何冷轧厂使用这种轧辊，对它的研究也是空 白。如果通过系统研究，认识并掌握这种轧辊的制造及其使用特性，使之在国内 山东大学硕上学位论文 冷轧厂得到广泛使用，将对提升我国冷轧技术起到促进作用。 1 2 国内外研究现状 近年来，轧辊磨损的研究所带来的经济效益引起了国内外轧钢企业的兴趣， 他们纷纷斥巨资开展轧辊磨损的研究和新型轧辊的开发。在轧辊的开发使用、轧 辊摩擦磨损机理、轧辊摩擦磨损的计算机仿真、轧制润滑等众多方面取得了卓越 的成就【5 - 15 1 。 目前，对新型添加钛元素的高铬锻钢轧辊进行研究的主要是日本的科技与发 展部。他们在2 0 世纪9 0 年代初发现了这种新型轧辊可以适应高速轧制的能力， 并且这种轧辊在轧制过程中可以自己产生新的粗糙表面，这样就达到了自修磨的 效果，不需要对轧辊进行更换修磨。由于技术保密，目前有关这种轧辊的相关文 献还不是很多。其中，日本的s h i m i z u 、a o k i 等人对这种轧辊中钛的碳氮化 物形态及其分布、钛含量对轧辊性能的影响以及轧辊的制造方法和修磨方式进行 了研裂1 6 1 引。他们的研究指出，轧辊中钛含量在o 1 籼3 时，轧辊的使用效果 最好；并且轧辊的制造同传统高铬轧辊的制造相同，只是在冶炼过程中加入一定 数量的钛元素。根据对日本冷轧辊发展展望的一篇文章报道，这种高性能轧辊在 日本已经开始投入生产【19 1 。 正是由于国外对这种新技术的保密，可查阅的相关文献较少，我国目前对这 种新型含钛轧辊的研究还属空白，仅见重庆大学孙敬民、刘贵东【2 啦! 】等对钒钛半 钢热轧辊进行的研究。因此，对含钛高铬轧辊的摩擦磨损行为的研究是十分必要 的。 1 3 本文工作特点及研究方法 冷轧过程中轧辊表面的磨损对产品的板形质量和表面质量有重要的影响。由 于受到现场实测数据的困难，研究轧辊磨损时往往采用实验的方法。所以，实验 还是研究轧辊磨损的主要方法和手段。本文工作特点为：首先，结合生产实际， 进行冷轧辊磨损的实验研究，使实验更贴合实际，且可直接指导生产；其次，本 文研究采用了现行轧辊和新型轧辊进行对比实验，对比了两种轧辊在摩擦磨损性 能方面的异同；另外，本文基于大量的实验，分析了轧制中各工艺参数对轧辊磨 损的影响。 本文的具体研究方法为：首先，完成对摩擦磨损实验机的改进，学习轧辊制 2 第一章绪论 造方法，完成两种实验轧辊试样的制造；其次，在摩擦磨损实验机上完成不同载 荷、不同转速、不同滑动速率及不同时间下的干摩擦磨损实验并通过扫描电镜观 察磨损后的轧辊表面组织形态；然后，完成在干摩擦条件下和润滑条件下单个轧 辊连续摩擦磨损实验并通过扫描电镜观察磨损期间不同时刻的磨损表面组织形 态。 i 4 本文主要研究内容 在第一章中，概括介绍本文研究的目的和意义、国i h # l 研究现状、工作特点 及其研究思路和方法、主要研究内容。 在第二章中，介绍轧制中的摩擦、磨损和润滑，主要阐述了摩擦学的基本原 理和轧辊磨损的相关知识。 在第三章中，介绍了摩擦磨损实验机的选购和改进，并详细介绍了实验采用 的两种冷轧辊的制造方法。 在第四章中，进行了两种轧辊在不同载荷、不同转速、不同滑动速率及不同 时间下的干摩擦磨损实验。对实际磨损量、表面粗糙度、摩擦系数的变化进行了 分析研究，探讨磨损规律。同时，利用扫描电镜对磨损后的表面组织形态进行了 观察，并合理分析了不同摩擦条件下的磨损机制。 在第五章中，完成了两种轧辊长时间连续磨损的干摩擦和润滑摩擦实验并对 磨损中不同时刻的表面使用扫描电镜进行了观察。通过对实际磨损量、表面粗糙 度、摩擦系数的变化及扫描电镜照片的分析，发现轧辊在连续磨损的不同时期具 有不同的磨损机制，并对各时期的磨损机制进行了探讨，从而掌握了轧辊连续磨 损时的磨损规律。本章还结合润滑磨损实验和干摩擦磨损实验，分析了润滑条件 下轧辊磨损同干摩擦下磨损的异同点，并合理解释了实验中出现的现象。 山乐人学硕l 学位论文 第二章轧制中的摩擦磨损与润滑 2 1 前言 轧制过程具有一个共同点就是在轧制过程中通过轧辊与轧件相接触，使轧件 发生塑性变形【4 2 1 。其中，摩擦力是影响材料变形的重要因素之一。摩擦的存在 不仅导致变形力增加、轧辊磨损加剧，而且有时摩擦力又是变形过程中的主动力。 近年来，随着对轧制中摩擦磨损研究的增多，轧制中的摩擦学理论也得到了完善。 2 2 轧制过程中的摩擦特点 2 2 1 摩擦学的发展及几种主要的摩擦理论 在日常生活中，人们很早就注意到了在材料之间发生相对运动时的摩擦、磨 损现象，并开始使用润滑剂。到了1 5 世纪以后，随着科学技术的不断发展，对 摩擦、磨损以及润滑现象的认识与研究不断地深入和发展。对于摩擦现象的研究 始于1 5 世纪意大利文艺复兴时期。公元1 5 0 8 年，意大利的昂纳多哒奇( i e o n a r d o d av i n c i1 4 5 卜1 5 1 9 ) 用大理石实验最早确立的摩擦力与垂直力成正比( 或摩擦 系数) 的概念。从1 7 世纪末到1 8 世纪初，英国工业革命和法国资产阶级大革命 时期，法国的阿芒汤( g a m o n t o n ) 和库仑( e c o u l o m b ) 在大量实验的基础上 建立了古典摩擦定律。库仑最先对摩擦理论提出了经典的科学论断。他认为：摩 擦力与载荷成正比( 这就是摩擦第一定律) ，而与名义接触面积无关( 这就是摩 擦第二定律) 。后来，法国的工程师阿芒汤于1 6 9 9 年通过实验验证了上述两条 摩擦定律。到1 7 8 1 年库仑进一步发展了摩擦理论，他提出摩擦力与速度无关( 这 就是摩擦第三定律) 。这三条定律作为公理一直沿用至今。 在2 0 世纪之后，通过使用先进的测量仪器对摩擦进行深入的研究，逐渐形 成两大理论，即粘着理论和机械理论。从1 9 3 5 年起，鲍登( f p b o w d e n ) 和泰 伯( d t a b o r ) 建立了较完善的粘着着摩擦理论和修正的粘着理论。1 9 3 9 年，前 苏联学者克拉盖尔斯基提出了摩擦的分子一机械理论【捌。 2 2 2 轧制过程摩擦的特点 轧制过程中，轧辊与轧件之间发生相对运动产生阻碍表面金属质点流动的阻 力，称之为外摩擦。其阻力叫摩擦阻力或摩擦力，摩擦力方向与运动方向相反。 而轧件发生塑性变形时，金属内部质点产生相对运动( 滑移) 引起的摩擦叫内摩 4 第二苹轧制中的摩擦磨损与润滑 擦。目前，对内摩擦的研究很少，所以轧制过程中所说的摩擦主要指轧辊和轧件 之间的外摩擦。 轧制中摩擦的特点有【4 】： ( 1 ) 内外摩擦同时存在； ( 2 ) 接触压力高。冷轧使得接触压力可以高达5 0 0 m p a 2 5 0 0 m p a ； ( 3 ) 影响摩擦的因素多。接触摩擦应力是变形区内金属所处应力状态、变 形区几何参数以及外界轧制工艺条件( 温度、速度、变形程度及变形方式等) 的 函数； ( 4 ) 接触表面状况与性质不断变化。 2 3 轧制过程中的轧辊磨损 2 3 1 轧辊磨损的机理 磨损是一个轧辊使用的重要问题。普遍认为，在冷轧过程中，轧辊磨损机理 可能为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等，且单独或综合地发挥它们 的作用【2 3 - 2 4 。 2 3 1 1 粘着磨损 在冷轧过程中，轧辊和轧件在高压下紧密接触，从而使接触区域的一些部分 发生粘着、剪切效应，可能引起冷( 固相) 焊，形成摩擦结合处。随着轧件相对 辊面的继续滑动，这些结合处会被破坏。磨损是否产生取决于所破坏的结合处位 置：如果处于接触界面，磨损为零；如果不处于接触界面，材料碎片将会由一个 接触表面转移到另一个接触表面，磨损产生。 2 3 1 2 磨粒磨损 在冷轧过程中，轧件和轧辊的工作环境通常含有大量外来夹杂微粒和较硬的 氧化物粒子。当轧件与冷轧轧辊之间相对滑动时，裹入的粗糙而坚硬的微小颗粒 可使一个或两个滑动表面磨损，发生三体磨粒磨损。 磨料磨损的阻力是硬度的函数，硬度越大，磨损阻力越大。 2 3 1 3 疲劳磨损 在制作冷轧轧辊的过程中，会产生非金属夹杂和微裂纹显微结构，这些缺陷 通常导致内部应力集中。因此，轧辊在工作中会承受一系列应力。首先，有热处 理工序产生的内应力，除此之外，在轧制过程中，最大压应力出现在轧件表面， 山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼曼曼曼曼皇鼍曼曼皇蔓曼鼍皇曼曼曼量曼寰鼍i ；i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼量曼曼曼皇量量曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼鼍 而最大剪应力出现在距表面一定距离的轧件内层。轧制时，对每一个轧制道次来 讲，次表面产生一次应力循环，应力循环几乎是轧制接触中能量消耗的全部原因。 2 3 1 4 化学磨损 化学磨损是指发生于润滑剂、轧辊、轧件以及轧制环境的摩擦接触之间的化 学反应引起的材料损失。显然，接触材料之间的化学反应类型及其程度决定了轧 辊磨损程度。 2 3 1 5 冷轧中的轧辊磨损机理 冷轧中，可以将轧辊磨损现象分为尺寸减小和表面光洁度降低两类，这种磨 损是肉眼可辨的【2 5 1 。实际上，当轧制一种稍软的粘性材料时，碎片的粘着行为是 轧辊磨损的主因。强基体附着的硬氧化物的存在会使这种磨损更为严重。当轧制 稍硬些的粘性材料时，也可发生粘着磨损当涂有润滑剂的轧辊停转一段时间时， 可能发生局部化学磨损。局部磨损、磨辊时轧辊表面存在的磨痕效应、轧辊中产 生的残余应力以及轧辊与润滑液接触产生的氢脆效应等将会造成应力不均匀分 布，从而诱发疲劳磨损并使之扩展。可见，冷轧轧辊的磨损机理主要为粘着磨损、 磨粒磨损、局部化学磨损和疲劳磨损。 导致冷轧轧辊磨损的主要成因如下： ( 1 ) 钢中铝氧化物的磨粒磨损作用； ( 2 ) 轧制力的增加使冷轧辊表面变形产生细小磨损颗粒，该颗粒被氧化后 导致冷轧辊的磨损【2 刀； ( 3 ) 热轧过程中，次表层生成铝氧化物，并且冷轧时裸露于钢板表面，在 轧制时形成磨粒而诱发磨损【2 8 】； ( 4 ) 轧制油与金属化学反应的润滑作用。轧制油中游离脂肪酸可与金属反 应，形成铁皂，有利于润滑，避免冷轧辊与板材之间直接接触导致的轧辊磨损的 产年【2 9 】 ，j 一 ( 5 ) 高速轧制情况下，冷轧辊咬入坯料时会使表面粗糙度上升，在后续轧 制过程中轧辊表面能否得到再生决定了冷轧辊的轧役寿命。 2 3 2 冶金因素对轧辊磨损的影响 冷轧辊传统上是由铸造和锻造工艺制作而成，轧辊强度主要取决于承受高压 的表面强度，因而轧辊表面硬化层深度受到关注。众所周知，轧辊材料的化学成 6 第二覃轧制中的摩擦屠损与润滑 分、微观结构和硬度对于轧辊表面硬度有关键作用。随着冶金技术和锻造技术的 进步，轧辊的制作工艺得到了发展，各种制作方法和热处理工艺应运而生。 化学成分设计的目的是为了改善轧辊的机械性能，特别是耐磨性。高碳钢的 磨损行为与其碳化物的尺寸、类型和体积含量有关。一般认为【3 0 。3 1 1 ，碳化物的体 积含量增加，可提高耐磨性。c r 是一种极强的碳化物形成元素，可形成稳定的 m 7 c 3 类型碳化物。自冷轧技术发明以来，冷轧工作辊都是由c c r 基材料经适当 的硬化处理铸造而成的。随着铸造技术的进步，在2 0 世纪6 0 年代，轧辊中c r 的含量已逐渐从2 增加到3 ，且随着c r 含量的提高，热处理技术也取得相应 进步，使得轧辊硬化层深度已从低于1 0 m m 增加到1 5 m m 左右。在2 0 世纪7 0 年代，借助于离心铸造和高温扩散退火技术的发明，通过少量n i 的添加，更进 一步地提高硬化层深度达7 8 m m 。在这一时期，电渣重熔方法、低于零度处理 等技术进步，使得改善轧辊材质的纯净度和提高硬化层深度至3 0 m m 成为可能。 2 0 世纪8 0 年代，钢包精炼技术和其它改进的精炼技术不仅有助于改善钢质的稳 定性，而且也增加了合金添加量，其中，c r 含量从3 提高到5 ，n i 含量也从 l 提高到2 ( 相对于c r 的n i 含量) ，从而得到了硬化层深度超过5 0 m m 、表 面硬度达到1 0 0 h s 的高耐磨性轧辊。 改进轧辊耐磨性的应用需求促使高c r 铸铁轧辊得到发展。然而，高c r 铸铁 轧辊延展性能和硬度不足，导致了它的应用受限。在基材和m 7 c 3 类型碳化物的 硬度之间存在巨大差异。e 1 r a k a y b y 和m i l l s 发现 3 2 】，在碳化物体积含量和耐磨 性之间没有相关性，淬火的二次硬化碳化物是决定耐磨性的因素，而不是一次硬 化碳化物。例如，s k o l i a n o s 等发现了一个规律【3 3 】，随着t i c 的体积含量增加， 磨损速度降低。类似的，碳化物尺寸也被认为对耐磨性有影响【3 4 。3 5 1 。c a s a k 和 n e u m e y e r 观察到，当碳化物尺寸从7 p m 降低到l p m 时，耐磨性增加。实际上， 一次硬化碳化物很容易脱离基体，变成三相研磨剂，从而使轧制产品表面产生污 垢。因此，为了改进产品表面质量，逐渐停止了高c r 铸铁轧辊的应用。 随着高塑性c r 铸铁轧辊和1 0 c r 锻钢轧辊技术的进步，轧辊的耐磨性已经 得到改善。另一方面，表面形貌特征和轧辊重新磨辊性能成为问题。 高速钢轧辊是以锻钢为芯材、高速钢为外壳的复合轧辊，已经广泛应用于生 产实际中。添加t i 合金的锻钢合金轧辊是一种新型轧辊，它是利用轧制过程中 山东大学硕士学位论义 曼皇,p m i i 曼曼曼曼曼曼曼! 量曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇 轧辊磨损来诱发轧辊表面粗糙度的减轻，这种轧辊已经应用于生产实际。传统的 5 c r 锻钢轧辊加入t i 合金元素后，能够析出细小的t i c 化合物，使轧辊寿命能 够提高2 3 倍【3 6 - 3 7 1 。 2 4 轧制中的工艺润滑 在轧制过程中，轧件变形的能量是由轧辊通过摩擦力传递过来的。当轧件厚 度与轧辊直径的比值减小时，需要的摩擦力也减小【2 5 1 。因此，在钢带轧制中，润 滑剂的作用是降低摩擦力，以使轧制力能够更接近于冷轧所需的最小轧制力。 2 4 1 冷轧工艺润滑的发展过程 金属轧制始于1 5 世纪，然而，直到1 9 世纪人们才开始使用润滑油涂抹轧辊 进行润滑。润滑油通常以矿物油和动植物油为基础油。2 0 世纪初，铝板轧制过 程中由于铝对轧辊的粘附以及表面质量的要求，促使轧制工艺润滑的发展，并取 得显著成效。至此，人们第一次提出了系统的发展轧制润滑油的任务，对矿物油 也提出了更高的要求。后来随着轧制速度的提高，为了解决轧辊的润滑与冷却问 题，出现了冷却性能良好的乳化液润滑以替代纯油润滑。 2 4 2 轧制工艺润滑的作用 鉴于摩擦磨损对轧制过程的影响，采用轧制工艺润滑可以有效的降低和控制 轧制过程中的摩擦磨损进而达到以下目的【4 】： ( 1 ) 降低轧制过程的力能参数； ( 2 ) 提高轧机轧制能力； ( 3 ) 轧辊冷却，实现高速轧制； ( 4 ) 提高轧辊使用寿命； ( 5 ) 提高轧制作业率； ( 6 ) 减少轧件的不均匀变形； ( 7 ) 减少轧制过程氧化生成的数量； ( 8 ) 改善轧后制品质量。 2 5 本章小结 本章主要阐述了轧制中摩擦、磨损和润滑的相关知识。在摩擦方面介绍了几 种主要的摩擦学理论和轧制中的摩擦特点；在磨损方面简要介绍了轧辊磨损的几 种机理、冷轧辊磨损的几个原因以及冶金因素对轧辊磨损的影响；在润滑方面介 8 第二章轧制中的摩擦磨损与润滑 _i 绍了冷轧工艺润滑的发展过程和工艺润滑的作用。 9 山东大学硕十学位论文 第三章磨损实验机的改进及实验轧辊的制造 3 1 前言 冷轧生产的主要特点是轧制力高、轧制速度快，轧制力最大一般可以达到 3 0 0 0 吨，轧件的出口速度一般在2 0 - - 3 5 m s 之间【3 8 】。这就为轧辊的磨损实验带来 了很大困难，因为现行的磨损实验机的许用载荷都很小，转速也很慢，他们都不 适合用来直接进行轧制中摩擦磨损实验。 磨损实验机的选取直接影响轧辊磨损实验的成败。目前，国内外用来模拟轧 制中的摩擦磨损所采用的实验机主要有：圆盘式磨损实验机【3 9 1 ，这种实验机圆盘 较小，但基本可以模拟轧辊的摩擦磨损过程；销盘式装置【4 0 。4 1 1 ，这种装置不能用 来模拟轧制状态的轧辊磨损；小型轧机【4 2 1 ，小型轧机不可能完成轧辊的长时间磨 损实验。 通过对冷轧辊制造工艺的学习【3 4 3 4 9 】，发现冷轧辊的制造工艺是相当复杂的， 任何一个环节出现问题都会改变冷轧辊的组织性能。目前，国内很多冷轧厂所使 用的冷轧辊都是从国外购买的。要想获得准确的实验数据，就要求进行模拟实验 的轧辊试样的组织性能和实际生产中使用的轧辊相同。为使轧辊试样的性能达到 实验要求，试验轧辊的制造也需要按照复杂的轧辊制造工艺进行。本章第三节对 轧辊试样的制造过程进行了简单的描述。 3 2 实验机的改进 3 2 1 轧辊磨损实验研究方法的现状 轧制时工作辊承受周期性载荷的作用，表面温度剧烈波动，与轧件之间以 及与支持辊之间存在相互接触摩擦并伴随有坚硬的磨粒的研磨，因此表面摩擦 磨损比较复杂。由于轧制过程中摩擦和润滑状态的复杂性，一般都通过两类专用 的实验设备对试样进行测试，以确定它们的状态参数。一类为现场的生产轧机或 根据相似理论按一定比例而缩小规模的实验轧机，在这些实验机上的测试过程和 方法基本上再现了轧制变形的实际过程，其测试结果真实地反映了轧制过程的摩 擦和润滑状态；另一类为简化的或台架式的实验设备，在这些实验设备上的测试 过程和方法可以模拟s l 带 j 变形的简化过程，其测试结果也比较真实地反映了轧制 过程的摩擦和润滑状态。 1 0 第三苹磨损实验机的改进及买验轧辊的制造 目前，研究轧制过程的摩擦润滑和磨损状态的方法有2 0 多种，常用方法主要 有：最大咬入角法、轧件强迫制动法、前滑法、打滑法、扭矩法、组合法、压力 法、前滑后滑热轧摩擦测试法、压力针测量法、油膜厚度评定法、测试轧制变 形法、轧辊磨损测试法等，这些方法各自具有不同的特点，适合于不同轧制情况 下摩擦、润滑和磨损状态的研裂4 1 。 然而上述直接测试方法所需的技术和装置复杂，实验材料耗费较多，成本较 高。因此，常采用一些简单的模拟方法，即在常规实验机上安装一些专用装置， 使用摩擦副材料( 轧辊材料和轧件材料) 制作结构简单、尺寸较小的试样，并装 在该装置上进行模拟轧制过程的摩擦实验，以研究模拟轧制过程中轧辊和轧件之 间的摩擦、润滑和磨损机理，评价它们的状态和性能等。然后，再将这些模拟实 验结果转换为实际轧制过程进行分析。 3 2 2 实验机选购 磨损实验机有多种，按不同实验要求分为：快速磨损实验机、润滑材料性能 实验机、高温或低温摩擦磨损实验机、高速或低速摩擦磨损实验机、真空摩擦磨 损实验机、定速摩擦实验机、定摩擦功实验机、粘滑摩擦实验机、粘着润滑与 摩擦实验机、腐蚀磨损实验机、滑动或滚动轴承动负荷性能实验机、齿轮疲劳磨 损实验机、动压轴承实验机、静压轴承实验机、润滑剂剪切性能实验机及气蚀实 验装置等。常见的有四球式摩擦实验机、滚子式磨损实验机、销一环式摩擦磨损 实验机、销盘式摩擦磨损实验机、往复式摩擦磨损实验机、法维拉摩擦磨损实验 机【5 0 5 1 1 等。 由于轧制过程的复杂性，选用圆盘对磨型实验机可以模拟轧制状态轧件与轧 辊的磨损规律特性。但是，目前市场上还没有完全符合模拟轧制条件的磨损实验 机。所以，还需对所选购的磨损实验机增加相应装置进行改进，使其达到实验所 需的要求。 综合考虑各项因素，选购济南益华公司的m m s 2 b 型摩擦磨损实验机【5 2 1 进 行改装。这款实验机是一种试样圆环对磨型摩擦磨损实验机。该实验机对工作环 境要求较低且可以进行滚动、滑动和滚动滑动相结合的摩擦磨损实验。另外， m m s 2 b 实验机不但可以进行干摩擦实验还可以滴加润滑液进行润滑磨损实验。 这些都比较符合本文实验所进行的研究。 山东大学硕：t 学位论文 实验机通过弹簧压力在摩擦副之间施加载荷，考虑到弹簧和机器零件的承受 能力，其许用载荷为0 2 0 0 0 n ，这个载荷和轧制中最大的轧制力相差甚大。然而 实际轧制中，轧辊和轧件之间的接触是面接触，而磨损实验中轧辊和轧件辊之间 的接触是线接触，根据赫兹弹性接触理论【5 3 巧4 1 ，中心处的最大接触应力为： 盯一：0 4 8 1 f p n - e o 1 2 ( 3 1 ) lb p o j 由实验中轧辊和轧件辊的相关参数可以算出在轧辊中心处的接触应力是相 当大的。结合轧辊的尺寸关系，这个载荷范围是可以模拟轧制过程中的摩擦磨损 情况的。 图3 1 为改造后的实验机的照片和操作界面。 图3 - 1 实验机及其操作界面 3 2 3 摩擦力矩测量范围的改进 实验机上轧辊和轧件辊之间的摩擦系数是通过测量两辊间的摩擦力矩间接 获得的【5 2 1 。摩擦力矩等于下试样半径与摩擦力的乘积，此力矩通过内齿轮相互作 用，传递给实验机上的摆架，从而使摆架及摆砣产生偏转，这样就把摩擦力矩信 号转化为和摩擦力矩成正比的位移信号，通过位移传感器记录位移，经过标定就 可以记录轧辊间任意时刻的摩擦力矩。由于施加在轧辊间的载荷较大，所以摩擦 力矩很大，相对应的摆架偏转也就很大。摆架在偏转时有一定范围( - 4 - 6 0 。) ，所 以原始的磨损实验机可测量的最大摩擦力矩为2 0 n m 。为了测量更大的摩擦力 矩，使用铅制摆砣替换了原摆砣，并对实验机进行重新标定。通过这样的改进后， 磨损实验机的最大可测摩擦力矩达到了3 0 n m 。 3 2 4 调速装置的改进 本文实验拟定对不同转速下轧辊的磨损行为进行研究。改进前的实验机采用 1 2 第三犟磨损实验机的改进及实验轧辊的制造 双速电机( 2 8 8 0 1 4 4 0r m i n ，i 0 7 5 k w ) 驱动，不同的电机速度经过齿轮传动可 以使主轴获得2 0 0r m i n 和4 0 0r m i n 两种速度，不但速度级数少，而且最大转速 仅为4 0 0 r m i n ，同轧制中2 5 m s 的轧制速度相差甚大。 为了达到轧辊试样转速从0r m i n 到7 5 7r m i n 之间任意变换的实验要求，采 用了变频调速装置。通过改变频率可以获得相应的试样转速，实现了对转速的控 制。 由于转速提高后，磨损实验的振动加大，原实验机不需要底部固定的安装方 式是不可行的，为此重新对实验机进行了固定。 改进后实验机的频率和转速对照如表3 1 所示： 表3 - 1 实验机转速同频率的对照表嘲1 频率试样转速( r m i n )系数= 试样转速频率 8 57 5 7 8 9 l 8 06 8 08 5 0 7 56 3 9 8 5 2 7 05 9 78 5 3 6 55 5 58 5 4 6 05 1 38 5 5 5 54 7 08 5 5 5 04 2 88 5 6 4 53 8 58 5 6 4 03 4 28 5 5 3 53 0 0 8 5 7 3 02 5 7 8 5 7 2 52 1 4 8 5 6 3 2 5 润滑系统的改进 冷轧生产的润滑效果与所采用的工艺润滑方式，特别是供油方式有很大关 系。在冷轧生产中，润滑油通常反复使用。但是，由于本文实验所使用的润滑油 数量较少，所以采用非循环的润滑方式把润滑乳直接滴加到磨损表面。这就需要 对实验机的润滑系统进行改进。 山东大学硕士学位论文 实验机原有的润滑系统是一个油盒和一个油链，把油链挂在主轴上，靠油链 把润滑油带到摩擦区域，这种润滑的效果差且润滑部位不确定，经常在摩擦副表 面出现润滑不完全的现象，出现干摩擦。为了使润滑油以一定速度直接滴加到发 生摩擦的位置，在磨损实验机上增加一个支架，在支架上固定一个可以控制润滑 油滴加速度的漏斗，使漏斗出口处在摩擦副的斜上方约l c m 处。这样就可以实 现润滑油的连续稳定供给。 3 2 6 摩擦磨损控制软件的改进 由于对实验机进行了改进，所以对其原来的操作软件也进行了相应的改动， 特别是增加了载荷报警系统。当载荷偏离初始设定载荷1 时就会报警，这样就 可以迅速对施加在轧辊上载荷进行修正，防止了因轧辊磨损，直径减小而导致的 载荷降低情形的出现。 3 3 实验轧辊的制造 传统的用高碳高铬锻钢制造的冷轧工作辊，要经过冶炼、铸造、锻造、热处 理等多道环节加工后才能上机使用，为保证成品轧辊的质量，必须保证供感应加 热淬火处理的辊坯具有合适的组织性能。而轧辊质量的好坏，与其制造的各道工 序有关。根据相关文献中关于含钛轧辊制造的描述，其制造方法同传统高铬轧辊 相同，所以两种成分的