铝板带轧制油润滑性能与腐蚀性能相关性研究

随着现代化铝板带材宽幅[1]、高速轧制及对轧后铝材表面质量的要求进一步提高, 对轧制油的润滑性能提出了更为严苛的要求。作为铝板带轧制生产三大关键技术之一的轧制工艺润滑技术取决于轧制基础油和添加剂生产技术[2]。目前国内铝材轧制基础油已基本形成系列化、窄馏程、低硫和低芳烃的格局, 因此通过加入极压抗磨剂来提高铝材轧制油的润滑性能已经成为当下的发展趋势。然而, 实际生产发现, 极压抗磨剂的加入会导致铝板带表面或轧制油发黑等摩擦腐蚀问题。

二烷基二硫代磷酸锌 (ZDDP) 作为一种经典的极压抗磨剂, 表现出优良的摩擦学性能[3,4], 但其分解产物对环境可能造成一系列的污染。近年来, 国内外学者着重研究性能较好的极压抗磨添加剂以及能够代替ZDDP的无灰环保的多功能极压抗磨剂[5,6]。而含硫、磷元素的酯类添加剂凭借其优异的极压抗磨性能逐渐进入研究学者的视野。熊桑[7]等人研究了一种新型的含S、P、B的极压抗磨剂, 表现出优异的摩擦学性能, 并指出该分子在摩擦磨损过程的抗磨损机制。K.K.MISTRY[8]等研究表明, 通过在基础油中加入磷酸酯极压抗磨剂, 依靠其与摩擦表面的摩擦化学反应, 可以大幅度的提高轧制油的磨损性能, 同时降低摩擦因数。吴燕霞[9]等人通过对比磷酸三甲酚酯和硫代磷酸铵盐的摩擦学性能, 发现硫代磷酸铵盐在一定的浓度和载荷范围内, 均可有效地提高酯类油的抗磨减摩和承载性能, 综合性能优于磷酸三甲酚酯;同时其可在摩擦表面形成复杂的含有S、P、N的边界润滑膜, 可以有效地起到降低摩擦磨损的作用。

磷酸酯作为一类性能优异磷系极压抗磨剂, 依靠其分子组成和结构, 可以表现出优异的极压抗磨性能, 具有良好的市场应用前景。但是其对于铝材表面的腐蚀问题也是不可忽视的问题。周宏伟[10]在研究中指出, 铝的腐蚀类型大致分为均匀腐蚀、黑色腐蚀、局部腐蚀、接触腐蚀、剥离腐蚀及点蚀六种, 并且受到温度、时间、溶液浓度及酸碱度等因素的影响。王文霞[11]等人在研究水基乳化液润滑铝板冷轧时发现, 沿着轧制方向板材边缘的上、下表面几乎对应产生了明显的白色腐蚀条纹。

目前, 对于铝板带腐蚀的研究主要集中于水基轧制液和环境腐蚀等, 而由于极压抗磨剂的加入所导致的轧制油腐蚀还研究较少。因此, 本试验结合摩擦学测试、冷轧试验, 研究磷酸酯 (PE) 含量不同的轧制油的工艺润滑性能;同时, 通过金属全浸腐蚀试验, 分析加入极压抗磨剂后轧制油对铝板带表面腐蚀的影响。

试验所用主要材料:基础油为D100轻质矿物油;油性剂为十二醇和硬脂酸丁酯, 分析纯;极压抗磨剂为磷酸酯, 分析纯;板材为1160工业纯铝板。表1为基础油D100的相关理化性能。

试验所用主要仪器:MRS.10A四球摩擦磨损试验机;Φ130 mm二辊冷轧试验机, ZEISS光学显微镜, 扫描电子显微镜 (SEM) 。

1) 轧制油配方

铝板带轧制油在使用D100基础油的前提下, 加入油性剂和极压抗磨剂。该轧制油配方使用的油性剂为十二醇和硬脂酸丁酯, 极压抗磨剂为磷酸酯。轧制油配方如表2所示。

2) 摩擦学性能

在MRS.10A四球摩擦磨损试验机上, 按GB/T12583-1998标准测试不同轧制油的最大无卡咬负荷 (PB值) , 测试条件如下:转速 (1 760±40) r/min, 室温25℃, 时间10 s。四球法测其磨斑直径试验条件如下:载荷 (392±5) N, 转速 (1 200±5) r/min, 室温25℃, 时间30 min。

3) 金属全浸均匀腐蚀试验[12]

根据GB/T 10124-88标准, 试验前对样品进行标准化丙酮清洗、干燥并称重M, 为了减小其他因素对腐蚀试验的影响, 本试验将样品悬挂在含有200m L轧制油的烧杯中, 避免与烧杯直接接触, 并置于50℃的恒温鼓风干燥箱中, 待到浸泡周期4 h时, 取出样品, 用丙酮超声冲洗、干燥再称重。试验可重复进行3次。该种方法的金属失重率和腐蚀速率计算公式为

式中:

W———失重率, g/ (m2·h) ;

M———试验前的试样质量, g;

M1———试验后的试样质量, g;

S———试样的总面积, mm2;

T———试验时间, h。

式中:

R———腐蚀速率, mm/a;

M———试验前的试样质量, g;

M1———试验后的试样质量, g;

S———试样的总面积, cm2;

T———试验时间, h;

D———材料的密度, kg/m3。

4) 铝板带冷轧工艺润滑性能

为了对比不同轧制油的工艺润滑效果, 同时结合轧制油润滑性能与腐蚀性能的关联性研究, 获得磷酸酯在轧制油中的最佳使用浓度。冷轧试验在Φ130 mm二辊不可逆冷轧试验机上进行, 轧制试样为100 mm×40 mm×1.3 mm的1160工业纯铝板。每次轧制前先用蘸上石油醚的医用脱脂棉擦拭辊面, 保证辊面干净以防止不同轧制油的相互干扰。本次冷轧试验采用定压下量的轧制规程, 共6道次, 即每道次压下量为0.32 mm, 最后两个道次轧辊压靠, 用以得到在铝板不同润滑条件下的最小可轧厚度。具体压下制度如表3所示。

对于轧制油的抗磨减摩性能, 表征的参数主要有轧制油的油膜强度、摩擦因数以及钢球的磨斑直径等。不同配方轧制油的油膜强度、摩擦因数、钢球的磨斑直径及形貌如表4所示。

从表4中可以看出, 当轧制油中加入极压抗磨剂时, 其油膜强度显著提高;且随着磷酸酯浓度的增大而增大;钢球的磨斑直径则有相反的变化规律。从1#、2#、3#及4#轧制油可以看出, 极压抗磨剂磷酸酯在浓度较低时对于轧制油油膜强度的提高幅度不明显, 当浓度达到1%时, 其油膜强度已经达到588N;从摩擦因数可以看出, 磷酸酯的加入对于其减摩效果略有提升, 其对于摩擦因数的减小量最高达到14.0%。

图1为不同试验组的钢球磨斑直径。从图1中可以看出, 2#～4#试验组的钢球磨斑直径均小于1#试验组的钢球磨斑直径, 说明磷酸酯的加入可以有效提高轧制油的抗磨能力;同时可以看出, 磷酸酯的加入对于钢球磨斑的形貌有所影响, 表面出现不规整的形状, 且伴随着“彗星”尾巴式缺陷出现。

通过失重法称量铝板全浸前后的质量M和M1, 计算铝板的失重率W和腐蚀速率R, 结果如表5所示。

由表5中可以看出, 在表征铝板失重情况的失重率上, 在加入磷酸酯后出现了不同程度的提高, 铝板的失重率均比在1#轧制油中的失重率要高出了许多。同时, 随着磷酸酯浓度的增大, 铝板失重率逐渐增加, 最高达到0.015 g/ (m2·h) , 但变化范围较小。

图2所示为铝板在不同含量的磷酸酯轧制油中的腐蚀速率。由图2可以看出, 加入磷酸酯后, 铝板的腐蚀速率明显增大, 说明极压抗磨剂的加入, 对于铝板带的腐蚀影响较大。并且随着极压抗磨剂浓度的增大, 铝板的腐蚀速率逐渐增大, 但增长趋势较为平缓;当磷酸酯的浓度 (质量分数, 下同) 为1.0%时, 铝板的腐蚀速率达到0.072 mm/a, 相比1#轧制油增大了89.5%。同时可以看出, 当磷酸酯的浓度从0.7%增加到1.0%时, 腐蚀速率增大明显, 同比增大7.5%, 故建议将磷酸酯浓度控制在0.7%以下。

图3为全浸后铝板表面形貌。由图3可以看出, 磷酸酯的加入, 导致了铝板微观表面不同程度的发黑。随着磷酸酯浓度的降低, 铝板表面的犁沟痕迹会越来越清晰, 不含磷酸酯的轧制油的铝板表面痕迹近乎为原始的痕迹。当浓度为1.0%时, 铝板表面几乎被一层黑色物质包裹, 腐蚀情况严重。

利用扫描电镜 (SEM) 观察在1# (w (PE) =0) 和4# (w (PE) =1.0%) 轧制油全浸后的铝板表面, 如图4所示。可以看出, 在未加入磷酸酯的轧制油中, 铝板表面犁沟纹理清晰、规整、干净;当加入磷酸酯PE后, 铝板表面被腐蚀, 犁沟痕迹几乎消失, 并且表面上分布着不规则的浅黑色区域。

利用能谱仪 (EDS) 对经w (PE) =1.0%的轧制油腐蚀后的铝板表面进行面扫描, 如图5所示。由图5可见, 铝板经w (PE) =1.0%的轧制油腐蚀后, 只含有C、O、P和Al元素。从面扫描的能谱图中可以直观地看出, C元素在铝板表面分布得不均匀, 这主要来源于轧制油中的烷烃以及油性剂分子。同时可以看到, P和O元素均匀地分布在铝板表面, 表面存在的P和O元素主要来自于轧制油中的磷酸酯, 与表面作用生成一层腐蚀覆盖层。

不同润滑条件下的铝板最小可轧厚度见表6。由表6可以看出, 相对于无润滑状态, 轧制油的使用使得铝板的最小可轧厚度明显减小, 铝板的最小可轧厚度最多可减小26.3%。根据轧制的Stone公式可知, 轧辊弹性压扁时的最小可轧厚度与摩擦因数、轧辊直径和轧辊材料性能等参数有关。根据Stone公式的逆公式可推导出最小可轧厚度的计算公式:

式中:

———平均单位张力;

μ———摩擦因数;

K———变形抗力;

D———轧辊直径;

E———轧辊弹性模量。

从式 (3) 可以得出, 轧制变形区摩擦因数与最小可轧厚度成正相关关系, 通过改善润滑状态可以降低铝板的最小可轧厚度。实验中加入轧制油润滑时, 都能够有效降低铝板的最小可轧厚度。并且加入磷酸酯时, 与仅含油性剂的轧制油 (即1#轧制油) 相比, 最小可轧厚度进一步减小。从表6中可以看出, 随着磷酸酯浓度的增加, 铝板的最小可轧厚度逐渐减小, 当w (PE) 达到1.0%时, 最小可轧厚度为0.160 mm。但磷酸酯的质量分数w (PE) 从0.7%增加到1.0%时, 铝板最小可轧厚度仅减小0.001 mm, 铝板轧制厚度的减薄率仅为0.6%, 即当w (PE) =0.7%时, 再增加浓度已经不能提升轧制润滑能力。

图6为无润滑及不同配方轧制油润滑条件下铝板轧到最小可轧厚度后的表面形貌。

从图6可以看出, 在无润滑状态下, 铝板表面出现较多的犁削沟, 同时还有针孔出现。犁削沟较深说明在无润滑的轧制状态下, 轧辊表面的凸峰与铝板表面直接接触并压入铝板表面, 轧辊与轧件的相对运动导致犁削作用明显。而针孔是铝板材不可避免的一种缺陷, 但可以控制其数量和大小, 针孔的出现往往是原材料表面金属粒子的脱落和轧制界面上的颗粒被重新压入轧件表面的后果。说明在无润滑的状态下, 轧制过程中会出现粘附的现象;因为没有轧制油的表面保护, 大量的犁削现象会导致铝板表面出现较多的脱落铝粉, 表面铝粉没有经过轧制油的冲洗会在下一次的轧制中被重新压入铝板表面, 随着铝板的减薄, 二次压入的铝粉属于异物而不能与基体融合, 便形成针孔。

对于仅含油性剂的轧制油润滑状态下铝板轧后表面, 犁削针孔现象稍有减小。观察含磷酸酯的轧制油润滑后的铝板表面, 虽然轧后厚度小于仅含油性剂的轧制油下的厚度, 但视场内却没有针孔出现, 同时表面犁削痕迹明显减少, 呈现均匀分布状态。这是由于极压抗磨剂的加入, 提升了轧制油抗磨减摩能力, 形成的润滑膜大大减少了轧辊与铝板表面的直接接触, 同时轧制油能够减少轧制过程中的外来颗粒和轧制磨损形成的金属颗粒等杂质压入和划伤铝板表面。并且随着极压抗磨剂浓度的增加, 铝板轧后表面质量逐渐变好。

1) 摩擦学试验表明, 铝板带新型轧制油的油膜强度明显提高, 同时可以有效地减小摩擦因数和钢球磨斑直径;并且随着磷酸酯浓度的增加, 其摩擦学性能进一步提升。

2) 铝板带冷轧工艺润滑试验表明, 润滑条件下, 轧后铝板表面质量明显改善;并且随着磷酸酯浓度的增大, 其最小可轧厚度明显减小, 当w (PE) =1.0%时, 最小可轧厚度为0.160 mm, 同比减小26.3%。

3) 加入磷酸酯后, 轧制油对铝板带的腐蚀速率陡增;并且随着其浓度的增加, 轧制油对铝板的腐蚀速率逐渐增加, 当w (PE) =1.0%时, 铝板年均腐蚀减薄率为0.072 mm/a。

4) 通过摩擦学试验和腐蚀试验的关联性研究, 发现磷酸酯对铝板带轧制油的润滑性能和腐蚀性能呈现相反的影响趋势。结合冷轧工艺润滑试验, 确定磷酸酯 (PE) 的使用浓度应控制在w (PE) <0.7%, 可在保证润滑性能的前提下, 减轻轧制油对铝板带表面腐蚀的影响。