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1、铝材冷轧过程工艺控制及产品表面质量的实验研究王 录1，孙建林1，马艳丽1，高雅1( 1北京科技大学 材料科学与工程学院，北京100083)摘 要：铝板冷轧过程中，对轧制油中添加剂的含量及种类加以控制，可以改善铝板表面质量。本次实验中初选出几种复合添加剂用来轧制相同厚度的铝板，并对轧后铝材表面质量进行分析。结果显示轧制润滑可以减小摩擦，提高生产效率；同时又使得轧后铝板表面粗糙度降低，表面质量明显改善。当润滑状态处于边界润滑时，添加剂会发挥其作用；添加剂不同，其在铝材轧制过程中发挥的作用也不同。综合比较可以看出，复合添加剂比单独加入一种添加剂的油膜强度高，混合醇型与醇酯型添加剂的油膜强度相当，但醇
2、酯型添加剂无论在减摩降压效果，还是成品表面质量改善上都能产生更好的效果。关键词：铝材；轧制；表面质量；添加剂Experimental study on coldrolling process control and Surface Quality of aluminumWang Lu1, Sun Jian-lin1, Ma Yan-li1, Gao Ya1 (1 School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083)Abstract: I
3、n the processing of cold rolling aluminum, the content and species of rolling oil within different additives can be controlled to improve the quality of aluminum. It was used in this experiment for rolling the same thickness aluminum by adopting combination additives selected primarily. A deep analy
4、sis and evaluation of surface quality has been done on investigation data of this experiment. The results indicate that, rolling with lubrication can reduce friction and improve production efficiency. The surface roughness and quality of aluminum after rolling are also decreased at same time. Lubric
5、ation additives will have done their work when the lubrication states are mainly in boundary lubrication. Different lubricants exert their own function in the rolling process. The comparison results show that the oil-film strength of compound additives is superior to that of single additives, and th
6、e oil-film strength of additives with alcohol-ester is equivalent to that of mixed alcohol. Nevertheless, the additive containing alcohol-ester can produce better effect, both in the aspects of antifriction and the improvement of surface quality. Key words: aluminum, cold rolling, surface quality, l
7、ubrication additive作者简介：王录（1983-），女，北京科技大学研究生 E-mail: xueerwl 电话:13426323983自国务院节能减排方案的提出，人们愈加意识到 “十一五”期间降低能源消耗和减少污染排放的重要性，迫切需要一种“节能减排型”润滑剂，因而需要润滑剂不仅具有合适的粘度、良好的退火清洁度等性能，还要能够有效地减小轧后产品表面粗糙度、降低能源和减少环境污染等。良好的润滑剂能够起到减摩降压作用，并且显著改善产品表面质量；若润滑剂的润滑效果太差，轧后会产生明显的表面缺陷1，如压痕、划痕等。因此在铝板带冷轧润滑剂的选择上除了顺应当前金属轧制生产与技术发展，更应
8、具备节能环保等特性。本文通过测定油膜强度初步选出合适的添加剂，并进行模拟铝板带冷轧实验，对铝板轧制工艺参数及轧后表面质量进行研究（如表面粗糙度及表面显微形貌等），比较分析采用不同复合添加剂减摩降压的效果以及改善轧后产品质量的能力。1 复合添加剂的选择由于基础油所形成的油膜与金属表面只产生物理吸附，吸附力小，润滑性差，所以在工业轧制铝材上需要在基础油中加入添加剂，从而提高油膜边界润滑能力。对于铝轧制用油性添加剂，主要是能与金属表面发生物理吸附长链脂肪酸、醇、酯。由于他们的极性和表现出的使用性能2不同，因此添加剂的类型和结构在润滑剂中起着关键作用。研究表明3-6：单一添加剂并不能起到良好的润滑效果
9、，工业中往往使用复合添加剂。为满足铝板高精度轧制和轧后铝板高表面质量的要求，实验中对不同的单体添加剂进行综合比较，选出性能较好的脂肪酸、醇酯且互配成复合添加剂。在商品铝板带材轧制油的基础油（40运动粘度为2.0/mm2/s）中分别加入5%的复合添加剂，在M-800四球实验机测定其油膜强度，实验结果见表1。表1 不同添加剂的油膜强度比较添加剂组成脂肪酸脂肪醇脂肪酯脂肪酸+脂肪醇脂肪醇+脂肪酯脂肪酸+脂肪酯油膜强度/N275216255240240294从表1中可以看出，当2种添加剂复合使用时，油膜强度往往大于任一种添加剂单独使用的数值，其满足添加剂的复合强化效应7。由于脂肪酸、酯的极性均较强，因
10、此酸酯的加入量越多，产生退火油斑的倾向就越大8，因此选择混合醇型和醇酯型添加剂进行铝板冷轧实验。2 铝板冷轧实验及结果分析为进一步了解复合添加剂对轧制性能的影响，分别选择同含量的上述添加剂进行轧制实验，并比较上述添加剂在减摩降压效果及冷轧后成品质量方面的润滑效果，从而选出适合当前形势所需要的复合添加剂配置方案。2.1 实验条件及方法选择轧制试样为400mm0.45mm的铝合金，其化学成份见表2。润滑剂中常用基础油为C12C16窄馏分火油，本实验用轧制油的粘度（40）为1.68/mm2s-1。表2 实验用铝合金的化学成份（，质量分数）CuSiFeMnZnAl0.050.20.60.71.01.5
11、0.1rest实验是在128mm260mm实验轧机上进行。实验中依次在干轧、基础油921、921+W1（混合醇）及921+W2（醇酯型）四种不同润滑条件下对铝板带进行冷轧实验，润滑剂基础油为矿物油。每次轧制前，先用溶剂油和丙酮清洗轧辊，再用医用棉擦干。轧制时将润滑剂均匀喷射到轧辊和轧件表面，在每道次辊缝调节相同的情况下，用螺旋测微器测定铝板每道次的轧后厚度；摩擦系数和轧制压力可以分别由前滑法和压力传感器测定并记录。 轧后铝板试样的表面粗糙度相关参数可以使用型号FTSS3c表面轮廓仪测量，经丙酮脱脂后的铝板带，用德国XJZ-6A显微镜观察其在不同润滑条件下的轧后表面形貌。2.2 实验结果及润滑效
12、果分析2.1 减摩降压效果分析为了适应“节能减排”的需要，应保证在铝材轧制过程中采用相同的压下率、轧制速度以及轧制道次，从而比较不同添加剂对各道次压下量以及轧制压力、摩擦系数等的影响程度。实验中依次采用干轧、基础油921、921+W1(混合醇型)及921+W2（醇酯型）四种不同润滑条件下对铝板带进行冷轧模拟实验，用螺旋测微器获得每道次铝带轧后厚度。从图1中可以看出：图1 不同道次下铝材轧后厚度Fig.1 Thickness of aluminum after rolling at different pass00.10.20.30.40.50.60.70.8051015轧制道次/次干轧基础油9
13、21921+W1921+W2厚度/mm度/mm铝在干轧时的轧后厚度很大，加入润滑剂使得铝带轧后厚度减小。在基础油中加入添加剂W1和W2充分表现了其作为活性物质已经发挥了作用。同时对比变形区内摩擦系数（表2）可知，干轧时摩擦系数为0.1010.1，此时其处于边界润滑状态（干摩擦状态）；加入添加剂后摩擦系数在0.082左右(0.1）,这表明其在混合润滑状态下产生了减摩降压效果。但若基础油黏度过大，高速轧制铝板时变形区会处于流体润滑状态，工模具与工件表面完全隔离，添加剂反而会失去作用。表3 不同添加剂作用下的轧制压力和摩擦系数序号轧制油压下率/%单位轧制压力p/MPa摩擦系数1干轧0.327214.
14、830.1012921+W1(混合型)0.345187.230.0823921+W2（醇酯型）0.336197.570.081结合三种曲线比较可见采用添加剂W2可使铝板带具有最小可轧厚度。这是由于在W2中加入了含有磷元素的极性添加剂，当在载荷大、运动表面接近相互接触、又有高的摩擦热时，它与金属表面发生化学反应，生成不同形式的极压膜而起到改进摩擦的作用9。 2.2 铝板带表面质量分析 轧后试样清洗后，在电子显微镜下观察其表面形貌并拍照；使用型号FTSS3c表面轮廓仪测量轧后铝板试样的表面粗糙度相关参数，测试时沿平行轧制方向取点。图2为干轧和采用基础油轧制后表面粗糙轮廓图，可以看出干轧后铝板带表面
15、粗糙度很大，其中线平均值Ra=0.308m；轮廓最大峰值Rp=0.747m；轮廓最大谷深Rv=0.642m。 润滑轧制后铝板带表面轮廓更加平整，粗糙度明显降低。图3对比了在不同润滑条件冷轧后Ra（中线平均值）、Rp（轮廓最大峰值）及Rv（轮廓最大谷深）的变化，分别对基础油921、921+W1及921+W2三种润滑剂编号为13；可以看出Ra、Rp及Rv均呈下降趋势，这是由于在无润滑状态下轧制铝板时，轧辊与铝材表面直接接触，铝材表面由于被轧辊粘附而被撕裂，从而造成表面凹凸不平10。因此从轧后铝材表面粗糙度可以比较，醇酯混合型添加剂对轧后铝材表面粗糙度有明显的改善。(a)图2 干轧和润滑轧制后表面粗
16、糙轮廓图Fig.2 Outline curves on the surface of aluminum: (a) rolling without lubricants; and (b) rolling with base oils(b)图3 轧后铝材粗糙度的主要数据指标Fig.3 the main data index on surface roughness of aluminum 轧件经丙酮脱脂，清洗干净后在德国XJZ-6A显微镜观察铝材在不同润滑条件下的轧后表面形貌，如图4所示。 (a)无润滑 (b) 921 (c) 921+W1 (d) 921+W2图4 不同润滑条件下铝材表面形貌Fi
17、g.4 surface morphology of aluminum under different lubrication conditions很显然无润滑时轧辊与铝板表面直接接触，由于摩擦系数很高，铝材表面被轧辊犁削后留下很深的沟槽；轧辊表面粘铝严重；并且有许多铝屑麻点出现，这主要是由于轧制压力过大11造成的。加入基础油润滑后轧向沟槽变浅，表面质量明显改善，但由于轧辊表面个别较高的凸峰仍能够穿透吸附膜在铝材表面形成犁削，故而平行轧辊方向的轧制纹路仍然明显；加入添加剂后其轧制表面已基本布满了横向裂纹与沟槽，而纵向划痕已变得模糊不清，其横向表面粗糙度已超过纵向表面粗糙度。比较图4(c)和4(d
18、)，后者的横向裂纹与沟槽减少，表面质量优于前者。3结论（1）由于添加剂的强化效应，复合添加剂的油膜强度大于单用一种单体添加剂的数值，其中酸酯混合型具有最大的油膜强度，混合醇型和醇酯型添加剂的油膜强度相当。（2）轧制过程中采取工艺润滑可以减小摩擦系数，防止轧辊与铝发生粘结。铝在干轧时，变形区处于边界润滑状态，变形区内摩擦系数很高；当变形区处于混合润滑状态，添加剂可以发挥减摩降压作用，混合醇型添加剂和醇酯型添加剂相比较，后者具有较低的摩擦系数，其减摩降压效果更好。（3）冷轧铝板带工艺润滑能够显著提高轧后铝板质量。干轧时轧辊表面粘铝严重，铝板带表面质量严重恶化；采用工艺润滑后铝材表面粗糙度减小，轧向
19、沟槽变浅，；基础油中加入不同添加剂均能使得轧制表面纵向滑痕模糊不清，醇中加入酯可以减少横向裂纹与沟槽，改善表面质量。（4）从减摩降压效果和轧后铝材表面质量分析得出，采用醇酯型添加剂更能够降低压力，减少能源消耗；同时也可以使得轧后铝材表面质量得以改善。参考文献1 白玲，任绥远.工艺润滑油的主要指标及其作用J.轻合金加工技术，1996，27（5）：212钟掘,谭建平,王淀佐. 轧制润滑添加剂分子结构与性能关系J.中南矿冶学院学报,1994,25(1): 90953 孙建林，张新明. 铝材冷轧中基础油的润滑作用及影响因素J. 中南工业大学学报，1996, 27(3): 314-3214 周亚军，周立
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