（机械设计及理论专业论文）铝材轧制润滑油动态润湿性能研究.pdf

摘要 随着铝材轧制速度的不断提高，对润滑剂铺展性能的要求也越来 越高。本文在研究铝材轧制过程中摩擦特点以及润湿机理的基础上， 对轧制油液滴在清洁铝材表面的铺展过程进行了实验研究。 实验选用工业用的铝材轧制基础油z l 2 为测试用基础油，癸醇、 月桂醇、豆蔻醇、月桂酸和月桂酸甲酯等为添加剂，a l l 2 3 5 合金铝 厚箔为测试基材。在o c a 2 0 视频光学接触角测量仪上，采用座滴法 进行轧制油动态润湿测试。结果表明：( 1 ) 纯基础油的动态润湿性能最 好，加入极性添加剂后，润湿性能下降，表明润滑与润湿是相互矛盾 的。( 2 ) 当添加剂为月桂醇时，基础油中添加剂浓度3w t 时，轧制 油润湿性能随添加剂浓度的增大而减小，当浓度介于3 w t 8 w t 之 间时，轧制油润湿性能随添加剂浓度的增大而增大。( 3 ) 当添加剂为长 链脂肪醇时，随着烷基碳链长度的增大，轧制油的润湿性有所提高。 ( 4 ) 当添加剂为烷基长度相同的酸、醇、酯时，月桂酸的轧制油润湿性 最好，月桂醇次之，月桂酸甲酯最差。( 5 ) 通过优化不同添加剂的复配 技术，可提高轧制油的润湿性，较好地解决润滑与润湿的矛盾。 在实验的基础上，建立了轧制油在清洁铝材表面铺展的数学模 型，并与实测值进行了验证。利用建立的铺展数学模型，预测了在单 一改变表面张力、粘度和温度下轧制油动态润湿性能的变化情况，表 明表面张力是铺展动力，粘度是铺展的阻力，提高温度有利于动态润 湿。 关键词轧制油，接触角，动态润湿，铺展模型 a b s t r a c t t h ea l u m i n u mr o l l i n go f h i g hs p e e dd e m a n d st h el u b r i c a n tt os p r e a d q u i c k l yo nt h ea l u m i n u ms u r f a c ei no r d e rt od e c r e a s ef i i c t i o na n dw e a r t h e s p o n t a n e o u s l ys p r e a d i n gb e h a v i o r so fl u b r i c a n td r o p l e to nt h e a l u m i n u mf o i ls u r f a c ew e r es t u d i e di nt h i s p a p e r , o l lt h eb a s i s o f a n a l y z i n gf r i c t i o nc h a r a c t e r sd u r i n gt h ea l u m i n u mr o l l i n gp r o c e s sa n dt h e w e t t i n gm e c h a n i s m t h es t o c ko i lu s e di nt h es t u d yw a sz l 一2c o m m e r c i a lr o l l i n go i l ，t h e l u b r i c a n ta d d i t i v e sw e r ed e c a t y la l c o h o l ，l a u r y la l c o h o l ，m y r i s t y la l c o h o l ， l a u r i ea c i da n dm e t h y ll a u r a t e ，t h es u b s t r a t ew a sa l u m i n u ma l l 2 3 5 h e a v yg a u g ef o i l t h ew e t t i n gd y n a m i co ft h el u b r i c a n to na l u m i n u m s u r f a c ew a st e s t e do no c a 2 0 d y n a m i ca n g l et e s t e ra c c o r d i n gt os e s s i l e d r o pm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( a ) w e t t i n gd y n a m i co ft h es t o c ko i lw a sb e t t e rt h a nt h em i x t u r eo f s t o c ko i la n dp o l a r i t ya d d k i v e s t h es p r e a d i n ga b i l i t yi sw e a k e n e db y a d d i n gp o l a ra d d i t i v e s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e r ei sac o n f l i c tb e t w e e n l u b r i c a t i n ga n dw e t t i n g ( b ) t h ec o n c e n t r a t i o no fl a u r y la l c o h o li nt h es t o c ko i li s n to v e r3 。 t h ew e t t i n g a b i l i t y o fr o i l i n go i ld e c r e a s e sw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n g ，b u tt h ew e t t i n ga b i l i t yi n c r e a s e sw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n gf r o m3 、州t o8 w t ( c ) t h ew e t t i n ga b i l i t yo fl o n gc h a i na l i p h a t i ca l c o h o l so i ls o l u t i o n i n c r e a s e sw i t ht h ea l k y lc a r b o nc h a i nl e n g t hi n c r e a s i n g ( d ) t h ew e t t i n gd y n a m i co fo i ls o l u t i o nw i t ht h es a m el o n ga l k y l c h a i na d d i t i v e sd e c r e a s ei nt h es e q u e n c eo fl a u r i ea c i d ，l a u r y la l c o h o la n d m e t h y ll a u r a t e ( e ) t h er o l l i n go i lw e t t a b i l i t yc a nb ee n h a n c e db yo p t i m i z i n gt h e r a t i oo fd i f f e r e n ta d d i t i v em i x t u r e s ，w h i c hc a ns o l y et h ec o n f l i c to f l u b r i c a t i n ga n dw e t t i n g t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h er o l l i n go i ls p o n t a n e o u s l ys p r e a d i n go n t h ec l e a na l u m i n u ms u r f a c ew a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h em o d e lw a sa l s ov a l i d a t e d t h es p r e a d i n gb e h a v i o ro fs t o c k o i lw a sf o r e c a s t e db yc h a n g i n gs u r f a c et e n s i o n , v i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r e o ft h es o l u t i o nr e s p e c t i v e l y t h ef o r e c a s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c e t e n s i o ni st h ed r i v i n gf o r c eo f w e t t i n gd y n a m i c ，v i s c o s i t yi st h er e s i s t a n c e f o r c e ，a n dt h er o l l i n go i lt e m p e r a t u r ei n c r e a s e c a l lp r o m o t ed y n a m i c w e t t i n g k e yw o r d s ：r o l l i n go i l ，c o n t a c ta n g l e ，d y n a m i cw e t t i n g ，s p r e a d i n g m o d e l 1 1 1 第一章绪论 目前，我国铝及铝合金轧制材的生产能力与实际产量仅次于美国居世界第二 位，消费总量在世界排名第三位但是我国人口众多，市场很大，年人均耗量仍 未达到世界平均水平，仅为美国的1 1 0 左右【l 】在中国，铝板带箔有着十分广阔 的市场，但是国内目前的产能还不能满足需要，部份高档次板带箔产品还需进口。 这将推进着我国铝板带箔轧制技术的水平往更高的方向发展。 工艺润滑是铝材车l s j j 过程中不可缺少的条件之一，并且对轧制润滑过程的研 究将涉及摩擦学、化学、物理学等多门学科。 1 1 摩擦学及润滑理论发展概况 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是由英国乔斯特饵p j o s t ) 所主持的润滑工程工作组于 1 9 6 6 年提出的，英文t r i b o l o g y 是由希腊词t r i b o s 一词派生出来的，其含义为“摩 擦”或“摩擦的科学”。其定义为“研究相对运动相互作用表面的有关理论与实 践的一门学科与技术”按照通俗的说法，摩擦学是研究两表面摩擦、磨损、润 滑这三项相互关联的科学与技术的总称【2 】。 1 1 摩擦学发展简介 人类从远古时候对摩擦现象就已有认识，并在实践中学会利用有利的摩擦和 防止有害的摩擦。利用有利的摩擦如钻木取火( 利用其摩擦生热) ，对兽牙打孔用 作装饰和磨制各种石器工具。而对不利的摩擦也采取了积极的措施来防止其发 生，如大约在公元前4 0 0 0 6 0 0 0 年问的仰韶文化时期就已经使用陶轮或制陶旋 盘来修饰陶器表面，这种原始机上的旋盘轴枢和承窝，就是原始的滑动轴承。近 中东地区的乌尔c o r ) = f 朝( 约公元前2 5 0 0 年) 时期也开始应用这类陶轮。公元前 2 4 0 0 年在古埃及萨卡拉( s a q q a r a ) 墓的浮雕上刻着人们在搬运大型雕像时，有人 在底板下加润滑剂的情景，生动地记录了利用润滑来进行工作的情景。另在e i b e r s h e w 的一个岩洞中发现的一幅公元前1 9 0 0 年的壁画上，有许多人在拖动滑 橇，其中一人站在滑橇前面所润滑油浇在滑橇行经的路面上在古埃及古墓中挖 掘出一辆公元前1 1 0 0 年前后的战车，车轴上还残存着原来的润滑剂。我国周代 中期( 约公元前1 0 6 6 公元前5 7 0 年) 的诗经卷二邶风，泉水几章中就有关于 用脂膏润滑车轴的记载【3 4 i 。吉哲学家阿里士多德等人的遗言表明，在古代，大 家就都知道摩擦的存在、润滑剂的用途以及轴承中金属覆面层的优点。但是，差 不多二千年来对它们一直都没有信得过的科学解释【5 l 。 1 5 世纪意大利学者雷纳德达芬奇( l e o n a r d od av i n c i ) 提出著名的第一、第 二定律( 即摩擦力与载荷成正比，而与名义接触面积无关；摩擦系数与负荷无 关) ；1 6 9 9 年法国物理和工程学家阿蒙顿( a m o n t o n s ) 通过实验也提出了上述 两条定律并提出了简单摩擦模型。到1 7 8 0 年法国物理学家库仑( c o u l o m b ) 提 出了摩擦学第三定律( 摩擦力与速度无关) 。十七世纪英国物理学家德萨古利埃 ( j t d e s a g u l i e r s ) 提出分子理论，认为产生摩擦力的主要原因是在于两物体摩 擦表面间所持有的分子力。1 9 世纪英国科学家尤因( j a e w i n g ) 和哈迪( w h a n d y ) 提出了关于摩擦原理的分子粘附学；1 9 2 9 年托姆林森( g a t o n d i n s o n ) 最先用表 面分子作用来解释摩擦现象，他提出分子间电荷力在滑动过程中所产生的能量损 耗是摩擦的起因，进而推导出a m o n t o n s 摩擦公式中的摩擦系数值。1 9 3 9 年前苏 联学者克拉盖尔斯基( k p a r e j n , c j i ，h b ) 提出的分子机械摩擦理论( 即摩擦的二 重性，摩擦即要克服分子间相互作用力，又要克服机械变形的阻力) 。1 9 4 5 年鲍 登( f p b o w d e n ) 和泰伯( d t a b o r ) 提出了秸着摩擦理论。以上这些摩擦理论的提出 为现代摩擦理论奠定了基础7 1 。 1 1 2 润滑理论发展简介 人类很早就开始应用润滑技术，约在公元前3 5 0 0 年美索不达米亚已开始使 用车轮和润滑剂 8 1 。最早在古籍中出现“润滑”两字的记录是在我国西汉古书淮 南子中记载的“夫水所以能承其至德于天下者，以其淖溺润滑也”【4 l 。 从1 7 世纪英国科学家牛顿( n e w t o n ) 提出粘滞流动定律开始，到1 9 世纪8 0 年代，出现了系列有关弹性和润滑的基础理论。如1 8 8 1 年德国人赫兹饵r i e r t z ) 提出弹性接触理论，1 8 8 3 年英国入托尔( b t o w e r ) 在对火车轮轴的滑动轴承进行 实验时，发现轴承中有液体动压现象存在，并首次提出有润滑的滑动轴承的摩擦 实验报告。同年，俄国的彼得洛夫发表了关于同心圆柱体间的摩擦及润滑问题的 论文。1 8 8 6 年英国人雷诺( o r e y n o l d s ) 对托尔实验中出现的现象应用数学和液体 力学的原理进行分析研究，推导出雷诺方程，提出滑动轴承液体动压润滑理论， 从而开始了系统研究润滑理论与实践的时代【4 6 】。1 9 1 0 年s t r i b o c k 通过对轴颈轴 承的研究，建立了著名的关于润滑剂粘度、滑动速度、负荷与摩擦系数关系的 s t r i b e c k 润滑曲线。1 9 1 9 1 9 3 3 年英国的科学家哈迪w b h a r d y 提出在压力加工 过程中具有重要意义的边界润滑理论。他提出依靠润滑油中的极性分子与金属表 面的物理化学作用而形成的边界润滑理论，推动了润滑剂和添加剂的化学研究进 程l o l ；1 9 4 9 年格鲁宾( 1 1 p y 6 髓) 提出了弹性流体动力润滑理论( e h d ) 。2 0 世纪5 0 2 年代后期，d o w s o n 和l - f i g g i n s o n 用电子计算机求得油膜雷诺方程数值解，得到 精确计算油膜厚度的公式。7 0 年代后期美国的w r d w l i s o n 在弹性动力润滑理 论卿) 的基础上，结合塑性变形原理，忽略冶金，化学方面的影响，建立了塑 性流体动压润滑理论0 h d ) 唧1 9 8 4 年h e i n i c k e 出版了第一部摩擦化学专著， 摩擦化学成为摩擦学与物理化学相结合的一门交叉学科。2 0 世纪8 0 年代末期在 国际上兴起了纳米摩擦学研究。9 0 年代初提出的薄膜润滑状态是润滑研究的又 一新领域。 尽管1 5 世纪起人们就对摩擦进行了研究，但因摩擦涉及的研究内容广泛， 摩擦学作为一门独立的、新兴的边缘学科，只有近4 0 年的历史。塑性加工润滑 属摩擦学的范畴，而轧制润滑又属塑性加工润滑领域的一个分支。 从1 8 8 6 年英国学者雷诺建立雷诺方程至今，人们对流体润滑理论进行了大 量的研究，并将流体动压润滑理论发展成线接触全膜弹流润滑、点接触全膜弹流 润滑和部分弹流润滑理论。由于在轧制塑性加工中，轧制区轧件塑性变形，面压 力大，摩擦方向可变以及接触区温度高，一般机械摩擦润滑理论已不能解决轧制 塑性加工中的润滑问题，这就要求人们提出新的理论。尤其是近年来随着一些大 型、高速轧机的问世，以及对各种新型轧材的高质量要求，塑性加工摩擦学和轧 制润滑技术的研究得以迅速发展。 1 2铝材轧制加工过程中摩擦的特点 轧制是铝材压力加工中最常见的生产方式，加工的产品有铝板、铝带卷、铝 箔和少部分型材，其加工量约占我国铝加工材的3 0 左右，全世界铝加工材的 6 0 7 0 1 1 0 1 按其生产方式，铝材轧制一般可分为热轧、铸轧、冷轧和箔轧等形 式。铝材轧制过程就是轧件从轧辊一侧被拽入辊缝，再从另一侧被挤出的过程， 整个过程是通过摩擦来实现的。 1 2 1 轧制变形过程中摩擦的特点 铝材轧制过程中因轧件与轧辊、工作辊与支持辊发生相对运动而产生摩擦， 这与一般的机械运动相同，所以轧制加工摩擦应遵循普遍摩擦定律。但是因其加 工工艺的特点，轧件发生塑性变形，因此轧制变形过程中的摩擦又具有以下特点： 1 接触面上单位压力特别高 轧制是轧辊将轧制力施加到轧件上，使之发生塑性流动的过程。因此，轧件 承受的压力很大，必需高于其屈服强度，这就决定了轧制过程中轧件与轧辊接触 时压力将变得很高。而一般机械运动中的接触表面承受的压力一定要低于摩擦副 3 中相对较软金属的屈服强度，否则机械零件就会失效。有资料记载，在热加工时 面压可达1 0 0 5 0 0 m p a ，而在冷加工中其值可达5 0 0 2 5 0 0 m p a 。这比在负荷较 大的滑动轴承接触面上通常所承受的2 0 5 0 m p a 压力高出许多【1 1 1 。如此大面压， 使得摩擦副间的真实接触面积增大，润滑非常困难。 2 内外摩擦同时存在 在轧制过程中，不但有轧件与轧辊之间的外摩擦，而且有因轧件发生塑性流 动，金属内部质点产生相对运动( 滑移) 引起的内摩擦。内外摩擦同时存在，并 且相互作用。而一般的机械运动只有外摩擦【l ”。 3 在变形区中内摩擦力作用方向是变化的 在一般机械运动中，摩擦力作用方向与物体的运动方向相反，是运动的阻力。 而在铝材轧制变形区中，后滑区的摩擦力方向与轧件的运动方向一致，是轧件咬 入和轧制的动力；而前滑区的摩擦力与轧件运动的方向相反，成为阻力。因此， 必须协调和匹配前、后滑区的摩擦力，才能实现稳定高效的轧制。但无论在后滑 区，还是在前滑区，摩擦力与轧件的金属流动的方向均相反。 4 轧制过程中金属表面不断变化 在轧制过程中，金属发生塑性流动，宏观表面积在变形区内不断扩大，产生 大量新生金属表面。这些新生的金属表面具有很高活性，对轧辊表面有很强的粘 着力，因而使得轧件和轧辊容易粘着，磨损加剧。 1 2 2 轧制过程中摩擦、磨损的机理 铝材轧制过程中，轧辊作圆周运动，这种运动的特点决定了在接触处有相对 速度为零的粘着区。同时，轧件在变形区发生较大的塑性变形，轧辊与轧件之间 存在着较大的相对滑动，接触面积增加。所以，轧制过程中摩擦副间的相对运动 是既有滚动又有滑动的复合运动【1 2 】。要使轧件运动，除需克服接触表面摩擦力， 还要克服塑性变形对物体运动所产生的阻碍。 在轧制过程中，轧辊和轧件间微凸体因冷焊而发生粘着( 鲍登泰伯的粘着 摩擦理论) 。同时，轧件沿着轧辊表面发生塑性流动，并且充填轧辊表面凹穴而 形成机械交锁作用【”1 ( 如图1 - l 所示) 。正是由于机械交锁与粘着的共同作用，当 轧辊与轧件表面发生相对运动时，金属流动发生在表面以下的剪切变形区内。因 此，在轧制过程中，摩擦的基本过程是表层下金属的剪切流动过程，其摩擦应力 和摩擦系数伴随剪切变形条件( 变形区几何因子) 而变化。正是这种表层下金属的 塑性流动，使得在实际生产中有些坯料的表面划痕等表面缺陷，即使经过很大的 变形也难以完全消除。 4 图1 - 1 轧制变形区摩擦原理示意图 在轧制变形区内，表面微凸体的粘着和层下金属的塑性流动，使得粘着磨损 成为轧制加工的主要磨损形式。尤其是在轧制铝及铝合金时，因其为面心立方结 构，有较多的滑移系统，硬度较低，与其它金属的固溶度大，合金化能力强，以 及其氧化膜相对基体金属硬脆等因素使得粘着磨损较其它金属更为突出。 润滑时磨损与摩擦系数间有一定的相关性，很多学者都给出了磨损率w 与 摩擦系数p 之间的关系【l i l ： 矿4 ( 1 - 1 ) 式中，n - - - 2 0 - - 4 0 。 降低轧制过程中摩擦磨损的最有效的措施是强化工艺润滑，润滑剂一方面能 屏蔽微凸体的金属原子间的作用力，另一方面其中的某些脂肪酸、醇等有机物对 金属表面有软化作用【，降低金属塑性流动的剪切应力和流动阻力，可以有效地 降低摩擦，减少磨损。另外，润滑剂还具有冷却清洗的作用，能迅速带走变形热 和摩擦热，降低摩擦界面的温度，冲洗接触表面的磨屑，防止磨粒磨损，减少表 面划痕。 1 3 铝材轧制加工中摩擦的影响 1 3 1 摩擦对金属变形抗力的影响 金属的轧制过程就是在轧制变形区的金属发生塑性流动的过程。轧辊和轧件 相接触的摩擦阻碍着轧件表层金属质点的流动，而且随变形区几何因子的不同， 摩擦对金属内部质点流动的牵制作用不同，进而金属的变形抗力以及变形总力也 就不同，从而导致变形区内各部分金属变形的不均匀。 在生产条件下，金属实际变形抗力可表示为； o i = 0 - s + c r 2( 1 2 ) 式中，q 为变形力，0 - s 为屈服强度，c r 2 为由于摩擦力引起的附加应力。 可见，若摩擦系数越大，摩擦力引起的附加应力( 0 2 ) 愈大，则所需的变 形力增大，金属的变形抗力增加。实践表明，根据不同的条件，实际变形抗力通 常为屈服强度的1 5 “倍。为了反映外摩擦等因素对变形抗力影响的程度，常用 在平辊轧制条件下的应力状态系数i 。来表示。 町，=ip(1-3) 式中，p 为接触面上的平均单位压力( 平均实际变形抗力) ，k 为强制流动极限， k = i 1 5 0 , 为了便于计算，常把应力状态系数绘制成计算曲线( 图1 - 2 ) 。从图中可见， 在相同的i h 条件下，应力状态系数要比t = 0 时高出数倍，甚至十几倍。这更 明显地说明外摩擦对金属变形抗力及总形力有很大的影响1 1 3 】。 l 瑶 图i - 2 平辊轧制力计算曲线 6 1 3 2 摩擦对轧制工艺的影响 ( 1 ) 摩擦与咬入的关系 轧制过程是通过轧辊与轧件之间的摩擦力将轧件拖进辊缝之间使其产生塑 性变形。咬入是实现轧制的第一步，轧件的咬入与摩擦密切相关。在简单轧制条 件下，实现自然咬入的条件是摩擦角大于或等于咬入角，即摩擦系数a r c t a n 口 ( 口为咬入角) 所以，改善咬入的措施可以从两方面入手，即减少咬入角或增 大摩擦。 减少咬入角的常用方法有： 将轧件前端做成锥形或圆弧形。 采用大辊径轧辊。 减少道次压下量。 给轧件施以顺轧制方向的水平力。 在咬入时将辊缝调大【1 5 1 。 增大摩擦的常用方法有： 在粗轧辊上打砂或粗磨。 咬入时不加或少加润滑剂。 低速咬入，高速轧制。因为一般随着轧制速度的增加，最大许用咬入角显 著减少 热轧加热的温度要适宜，因为温度高，轧件表面的氧化皮可起润滑作用， 从而减少摩擦系数。轧件温度过低，表面硬度大，摩擦系数也较小 ( 2 ) 摩擦对轧制压力的影响 轧制压力是轧件给轧辊的合力的垂直分量，是接触表面相切的摩擦力和与接 触表面垂直的压力，在垂直于轧制方向上的投影之和。影响单位压力的主要因素 有外摩擦系数、轧辊直径、压下量和轧件厚度及前后张力等。工程常用h i l l 简式 计算单位平均压力【1 3 1 ： p - - i 7 咖括- 1 0 2 s “0 8 “_ 4 ) 式中，p 为单位平均压力( n ) ；为辊缝摩擦系数；占为相对压下量( ) ；k 为轧件的变形抗力( n r a m 2 ) ；r 为考虑弹性压扁时接触轧辊半径( 舢) ；h 为 轧件的入口厚度( 哪) 从式( 1 - 4 ) 可知，在其它条件不变的情况下，平均单位轧制力与摩擦系数 成正比，降低摩擦系数能有效地降低轧制压力。摩擦力对变形区内单位压力的分 7 布也有较大的影响。从图卜3 可看出，随着摩擦系数的增加，单位压力也将快速 增加，这是因为在其它条件相同时，摩擦系数增加，三向压应力强度增大，导致 变形抗力增加。而且单位压力峰值随摩擦系数增大，并且向入口方向移动1 ” 因此采用良好的工艺润滑，能减少摩擦与磨损，降低轧制压力，减少能耗，节约 成本，增加效益。 3 差： 图l - 3 摩擦对单位压力分布的影响 ( 3 ) 摩擦与前滑及后滑的关系 轧制变形区一般可分为后滑区、前滑区和中性面三个区域( 如图卜4 所示) ， 在前后滑区摩擦力起着不同的作用。在后滑区，轧辊通过轧件的接触摩擦力，将 运动传给轧件而实现轧制，摩擦力是轧件运动的动力。而在前滑区，摩擦力企图 阻止轧件的运动，它是连续稳定轧制的阻力。所以，前、后滑区的摩擦力是轧制 过程的一对相互矛盾的力。可见，在整个变形区，摩擦系数并不是一个常量，也 不呈线性变化，而是呈非线性变化的。 在冷轧薄板时，由s ：尝y ：和，：等( 1 一导) 【2 司可推出摩擦系数与前滑值有 甩z 2 j 如下关系式： 胪南 n - 5 ) 2 ( 1 2 1 j = ) 式中，j 为摩擦系数；口为咬入角；s 为前滑值；h 为轧件出口的高度；r 为轧 辊的半径；，为中性角。 式( 卜5 ) 也表明，随着摩擦系数的增大，前滑值增加，中性角向入口一侧 移动，轧制过程中剩余摩擦力减少，力能消耗增加可见适当增加润滑，降低摩 擦系数，减少前滑值，有利于轧制加工但是，当润滑过度，摩擦系数过小，前 滑值很小甚至为零时，会出现咬入困难、轧机振动、打滑或闷车造成设备事 故。在生产中若出现打滑现象，则板面会出现横纹，且轧辊对轧件的抛光作用将 减弱，轧后产品的表面粗糙、暗淡无光，严重影响产品表面质量，另外还会加剧 轧辊的磨损 1 3 , 1 5 。 图1 - 4 前滑，后滑和中性面示意图 ( 4 ) 摩擦与稳定轧制的关系 在轧制过程中，摩擦系数较大，虽有利于咬入，但是轧制压力大，力能消耗 也加大。随轧制速度的增加，最大容许咬入角明显减少，所需的咬入摩擦力也明 显减少。图卜5 是某钢厂热轧机不同速度和辊面状况下的最大许用咬入角的变化 情况，轧机速度从0 变化到3 m s ，平辊和窄辊的最大许用咬入角将减少一半， 可见在正常轧制时所需的摩擦力比咬入时要低得多，降低摩擦，将有利于轧制。 但当摩擦力过小时，轧机失稳，生产不能正常进行所以，在轧制过程中，轧辊 与轧件间应保持最低的摩擦系数，。，此时不会发生轧辊打滑现象，也不产生轧 制过程的前滑现象，并能保证轧制稳定进行。 在简单轧制过程中，最小允许摩擦系数，o 满足： 弘。= 讲c t g ( i - 6 ) 从式( 1 - 6 ) 可知，只要能自然咬入。即可稳定轧制。 9 - 一 螫 整 饰 k 一 轧锻速疫d = 图l - 5 最大许用咬八角与轧制速度的关系 在实际轧制过程中，由于轧辊的弹性压扁、张力和工艺润滑的存在，则有1 1 l ： 一廿氆爿詹 m ， 式中，“、0 分别为前、后单位张力；d 为轧辊直径( 咖) ；k 为材料平面变形抗 力( n m m 2 ) ；h 为轧件入口厚度( 咖) ；占为相对压下量( ) 。 由( i - 7 ) 式可知，轧机在一定的条件下，最小摩擦系数与轧件原始厚度和 压下率有关。一般情况下冷轧时变形区摩擦系数均高于。，然而随着轧制速度 的提高，或者采用高粘度轧制油轧制时，变形区常处于流体润滑状态，此时摩擦 系数很低，接近，从而导致轧制过程出现不稳定现象【1 6 】。 ( 5 ) 摩擦与最小可轧厚度的关系 在一定轧制条件下( 轧辊直径、轧制张力、轧制速度、摩擦条件等不变的情 况下) ，无论怎样调整辊缝或反复轧制多少道次，都不可能把轧件再轧薄的极限 厚度，称为最小可轧厚度。在轧制箔材时，塑性加工硬化严重，轧件变形抗力增 加，轧件发生塑性变形所需的平均单位压力高于轧辊弹性变形所需的平均单位压 力，其结果是轧辊发生弹性变形，而轧件不发生塑性变形。 s t o n e 推导的最小可轧厚度计算式为i i 刈： = 3 8 5 1 z d ( 厂k - 一q ) ( 1 8 ) 式中，g 为平均单位张力，e 为轧辊的弹性模量，k 是变形抗力( n m m 2 ) ，j 为摩擦系数，d 为辊径( 哪) 。 【l7 1 吴瑞峰、林在为在研究用铸轧坯料轧制铝箔时，认为最小可轧厚度公式为 九；4 1 4 8 k u d 4 ( i - 9 ) 仉m2 ：一 b 式中，e 为轧辊的弹性模量( n m m 2 ) ，k 是变形抗力( n m m 2 ) ，为摩擦 系数，d 为辊径( r a m ) ，占为相对压下量( ) 从式( 1 - 8 ) 、( 1 9 ) 可知，采取增加张力和高效的工艺润滑来降低摩擦系 数是减少最小可轧厚度的最有效的措施。 1 3 3 外摩擦对制品组织和质量的影响 在轧制铝材过程中，轧件与轧辊间的外摩擦不仅影响着轧制工艺，而且也影 响着制品的组织性能和质量。如前所述，外摩擦一方面会引起表层金属的剪切流 动，另一方面还会造成变形体内各部分变形不均匀。这些将直接或间接导致轧件 的组织性能不均匀【l 硼。如硬铝合金在后续的热处理时，容易出现某些合金元素从 金属基体析出，出现粗晶区，铝带表面出现亮点、亮线、色差等缺陷。 外摩擦引起的这种不均匀变形，还会造成变形金属的附应力不平衡。在外摩 擦较小的区域，金属的延伸变形较大。在延伸变形较大的中心域，受压附应力， 在延伸变形小的周边区受拉附应力【1 3 1 。外摩擦愈大，金属流动愈不均匀，附应力 愈大在拉附应力超过金属抗拉强度时，就会出现开裂。热轧开坯时，常由于表 面润滑不良，温降过大，表面出现过大的拉附应力，产生表面横向裂纹。冷轧薄 板时，由于辊面润滑不均匀，常出现局部“波浪”缺陷，这是由于在润滑好的区 域延伸大，从而产生压附应力的结果。 1 4 , l $ t j 过程中润湿的特点 轧制过程中轧件与轧辊的真实接触状态如图1 - 6 所示。轧辊与轧制之间的真 实接触是由无数个点接触所组成的，正是由于这些点将润滑油膜分割成了无数的 小块在这个狭窄的空间内，压力极高并且这些小油池几乎完全相互独立。新生 表面的产生在图中a 、b 两点之间，轧件的新生表面由于是高能表面而极易发生 粘辊，因此需要润滑油膜及时的覆盖。由于油池中的润滑油无法得到外界的补充， 只有依靠润滑油膜自身极压环境下进行铺展来覆盖新生表面，从而防止粘辊的发 生。这就意味着需要轧制油有着良好的极压环境铺展性能。 轧辊 乳翻鞠溪油 图l 缶轧制区实际接触区示意图 1 5 润湿铺展研究概况 轧件 润湿过程是固体表面的气体被液体所取代的过程。润湿理论应用十分广泛， 凡涉及到固液接触的问题均与润湿有关，如涂层、农药的喷散、印染，还有工业 上的喷洒冷却、润滑等。目前根据静态接触角的大小将润湿的状态分为三种状态： l 、接触角为零的完全润湿；2 、接触角介于0 到1 8 0 度之间的部分润湿；3 、接 触角等于1 5 0 度的完全不润湿。液滴由初始状态达到平静状态的这个过程称为液 体的铺展过程。因此可以通过接触角来衡量液体在固体表面的铺展性能。 1 5 1 国外润湿铺展研究概况 上世纪9 0 代至今，国际上对润湿铺展的研究主要集中于以下几个方面。 ( 1 ) 液滴润湿的动力及其影响因素的研究 俄罗斯的v o i n o v 研究了薄层粘稠液体在光滑表面润湿的毛细力【l ”。阿根廷 的m a r i n n o 等人将不同体积的高粘度的硅油在平光滑基材上进行完全润湿状态 下的铺展，以此来研究重力与粘度对润湿过程中毛细力的影响【1 9 1 。以色列r e z n i k 等在无惯性的条件下用轴对称液滴在重力或表面张力( 或毛细作用) 下，在干燥平 坦的表面上的铺展来估计邦德数( b o n dn u m b e r s ) ，结果表明铺展的最初阶段完 全由重力主导，而当接触线移动的速度减少到著名的h o f f m a n 法则所预测的特殊 润湿速度的数量级时，润湿效应将起主导作用伫0 1 。保加利亚索非亚大学的t s e k o v 等人通过实验证实了气泡所产生的憎水力和在吸附中相应产生的解吸压力，并且 提出吸附依赖于解吸压力的影响实质上是表面波移动的m 埘r a n g o n i 效应，固液界 面的滑动和厚度取决于膜的表面张力【2 “英国b l a k e 、c o n i n c k 讨论了固液界面 交互作用对动态润湿的影响瞄】。 ( 2 ) 三相接触线以及接触角的研究 法国p r u n e t - f o c h 等人使用高频视频技术研究了不同的表面粗糙度和不同的 有机涂层对乳液在钢板表面冲击的影响，发现乳化剂在喷溅时冲击和惯性铺展的 接触线将出现不稳定现象嘲。日本九州研究所的y a m a m u r a 等人通过冲击喷射的 方法获得了液体喷射流在旋转的轧辊上空气夹带的试验结果，结果表明喷射惯性 力可以延迟空气进入的开始时间，并对动态润湿线有积极的影响网。法国p r e v o s t 等人研究了液态4 h e 在一定表面粗糙度的铯基材表面的移动过程【2 5 1 。美国的 r a m 6 找到了一种能预测动态润湿和确定移动接触线的物理控制方法 2 6 1 。美国 c a r n e g i em e l l o n 大学的r a m e 、g a r o f f 测量了毛细数为1 0 - 3 至lo _ 1 液体的动态交 界面内到移动接触线之间的距离小于1 7 0 0 微米范围内的形状【2 7 1 俄罗斯科学院的c h u r a e v 讨论了分子效应、静电引力和短程结构力对润湿膜 稳定性和接触角形成的影响汹1 日本国家材料和化学研究院的e x w a n d 等人测量 了四种有机液体和水在倾斜的聚合物表面和硅晶片上前进和后退的接触角，发现 接触滞后性受表面粗糙度的影响不大，而受表面化学性能的影响较大嗍。美国康 奈儿大学的g i e s s e n 等人采用范德华理论建立了一种模型来计算液体在低能表面 上的表面张力和接触角，并通过实验证明了其结果的正确性例。德国j o h a n n e s g u t e n b e r g 大学的m a c d o w e l l 等研究了不均匀聚合物熔体在粗糙无点阵模型框架 中的热力学，推出了小液滴标准的蒙物卡罗仿真模型( m o n t e c a r l os i m u l a t i o n s ) ， 发现小液滴的接触角比用宏观液体液滴观察到的大得多【3 l l 。美国s a u e r 等人研究 了稳态纤维的受迫润湿过程，通过对不同粘度的聚合物采用不同浸入或拔出速度 来研究接触线速度，发现前进和后退动态接触角有相同的趋势并且与纤维的直径 无关1 3 2 】。英国伯明翰大学应用数学系的b l a k e 等人研究了动态接触角与粘度的相 关性口3 1 ( 3 ) 铺展现象及铺展模型研究 英国n o t t i n g h a mt r e n t 大学n e w t o n 等人将表面声波用于研究粘稠液体的动 态铺展性能瞰1 美国橡树岭国家实验室的z h a n gx i a o g u a n g 、b a s a r a n 研究了牛顿 流体在加入两种常用的表面活性剂之后液滴对固体基材的冲击能力，讨论了表面 活性剂对液滴铺展的影响【3 5 1 美国纽约州立大学的r u c k e n s t e i n 推出了一个简单 的近似平面膜的自由能表达式，并用其方法来鉴别铺展是由平面液滴或原子引发 的州。美国m i s s o u r i - r o l l a 大学的l i nc h i n - m i n g 等人提出了一种液体铺展现象 的分类方法。即通过对液滴2 d 3 d 挥发或运动行为进行鉴别口7 1 之后，m o h a l e 等通过f r e n k e l 方法来检验小的球形液帽形液滴在化学性质和几何性质各向异性 的表面上铺展时边界速度与动态接触角之间的关系【3 引。比利时j o e ld ec o n i n c k 等回顾了部分润湿状态和完全润湿状态的动力学控制机理，并揭示了在一些时间 尺度上可以从不同的能量损耗方式来考虑铺展的动态行为p ”。英国b r a d f o r d 大 学的b e n k r e i r a 通过对一系列一面粗糙另一面光滑的基材进行简单的浸入涂层流 体实验，分析解释了粗糙表面动态润湿失效的机理，并建立了其模型1 4 0 l 。法国 s o v i r i t ht a n 通过蒙特卡罗算法( m o n t e - c a r l o ) 模拟球形液滴在平滑固体表面上 的铺展，通过改变液滴原子和固体原子的能量风和两个液滴原子之间的能量e n 得到部分润湿和非润湿两个状态【4 ”。法国v a l i g n a t 等发现在没有表面张力梯度、 光滑且化学性质各向同性的基体上，润湿液体将形成分子尺度薄膜。从而便于对 微观液滴铺展的边界行为进行研究【4 2 l 。阿拉伯联合酋长国大学机械工程系的 a l t e r a i f i 等通过测量不同表面张力和不同粘度的液体在相同表面的铺展速度来验 证铺展的数学模型【4 3 】。卡塔尔的r a c h i dc h e b b i 等人，分析了液滴在干燥固体表 面的完全铺展过程。并将结果与s t a r o v ( 1 9 9 4 ) 的模型和j d ( 1 9 8 8 ) 的的结果进 行了比较 4 4 1 。加拿大a l b e r t a 大学机械工程学程的y o n g a ng u 提出了一个液滴在 固体表面的铺展模型即( o e b ) 能量平衡方程并进行了数字模拟 4 5 1 。 ( 4 ) 其它与润湿有关的研究 黎巴嫩西北大学的y e o n g - y a ap e r u g 等通过电流来改变固液界面张力从而引 起液体的铺展，并测量了在粗糙表面上不稳定的润湿，通过稳定理论补充了用于 描述表面粗糙度的a d h o c 模型 4 6 1 。美国斯坦福大学数学机械工程系的k e l l e r 等人 继承了1 9 8 3 年k e l l e r 和m i k s i s 为使流体和它们的自由表面一直保持自相似而选 择初始条件的工作，研究了表面张力驱使流体的两个楔形区域的合并，并对楔形 的基材进行润湿【4 7 l 。美国贝尔实验室的s i m p k i n s 等人通过实验验证了气泡如何 进入涂层，并找到了消除空气夹带和获得稳定润湿的方法邯l 。 1 5 2 国内润湿铺展研究概况 我国自9 0 年代开始也有很多学者投入到润湿铺展的研究中。主要集中于以 下几个方面。 ( 1 ) 润湿铺展机理研究 中南大学谭援强等人考察了基础油及不同类型极性添加剂等因素对乳化液 润湿性的影响，结果表明乳液组分若能有效降低乳液表面张力，将有利于增强乳 液对金属的润湿性能1 4 9 】。中南大学黄伟九基于乳液滴剂的离水展着性与其润湿性 能相关的理论，考察了几种因素对乳液滴剂离水展着性能的影响，得到提高乳液 温度，增加油相粘度，增大乳液、极性添加剂、乳化剂的浓度均有利于提高乳液 1 4 化润滑剂离水展着性能 5 0 l 。他还根据表面张力对乳液润滑剂的润湿性及离水展着 能力有影响。探讨了基础油及不同类型极性添加剂等因素对乳化液表面张力的影 响，研究表明乳液组分若能有效提高气一液界面层分子结合的紧密程度，将有利 于降低乳液的表面张力，提高乳液的展着性【5 1 1 西南农业大学叶小利等通过研究 发现表面活性剂分子碳氢链越短，在界面上的吸附速度将越快，接触角越小，在 植物叶面上的润湿性能将越好【5 2 l 。合肥工业大学材料科学与工程学院的陈名海等 从陶瓷金属的润湿现象及其机理出发，介绍了润湿性研究的实验研究方法，并 探讨了改善润湿性的途径 硼。 ( 2 ) 对接触角与润湿关系的研究 清华大学王晓东等人开展了钢材表面润湿性的研究 5 4 8 1 ，从热力学角度解 释了接触角滞后现象。并且，他用液槽法测试了硅酮油在玻璃、铝，不锈钢表面 上的动态湿润行为1 5 9 1 。福州大学化学系游毅等研究发现采用表面活性剂来处理莫 来石陶瓷表面可以降低液态铝在陶瓷表面上的接触角，提高液态铝在陶瓷表面上 的润湿性能 6 0 l 。西北工业大学材料科学系王忠平等人采用高速摄影设备及其数据 分析处理系统，对低碳钢一不锈钢异种金属界面液态钎料润湿铺展的动态过程进 行了分析研究【6 ”。 ( 3 ) 润湿现象的应用 陕西师范大学物理系的杨宗立基于固液润湿效应，利用金属丝来研究液体的 表面张力嘟】。上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的陈建等基于界面反 应热力学研究了活性金属陶瓷润湿机理并讨论了金属陶瓷界面反应对润湿性 的影响 6 3 1 。东北大学材料与冶金学院的孟宪云等研究了s i c 增强铝基复合材料 的半固态法制备。分析了s i c 颗粒与基体金属之间的润湿性，提出了解决