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1、1,第十一章 金属材料轧制加工工艺中的摩擦与润滑,轧制：通过轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝间，使其产生平面压缩变形的过程，是金属材料主要的成形方法之一。轧制的产品类型主要有：板带材、型线材和管材。摩擦对轧制过程既是有利的因素，又有不利的影响。,2,3,4,5,11.1 轧件咬入与稳定轧制 下图为板材轧制的变形区图示。轧制变形区示意图,6,轧制过程可以分为四个阶段：A、开始咬入阶段 B、拽入阶段 C、稳定轧制阶段 D、轧制终了阶段,7,一、轧件咬入条件 轧制过程受力分析图,实现自然咬入的条件为：摩擦角大于或等于咬入角,8,下表是可以看出摩擦系数对轧件咬入的影响。热轧时最大咬入角与入口摩
2、擦系数的关系,9,冷轧时最大咬入角与入口摩擦系数的关系,10,凡是影响摩擦系数的因素原则上都对轧件咬入产生影响，如材质、表面状态、轧制温度、轧制速度等。轧制生产中通常要低速咬入、高速轧制。,11,二、稳定轧制 稳定轧制的咬入条件（摩擦条件）：/2 当=/2时的摩擦系数是最小允许的摩擦系数。定量估计计算最小摩擦系数对确保轧制过程的稳定进行具有重要的理论意义。,12,三、改善咬入的措施 从前面的分析可知：稳定轧制时所需的摩擦条件仅为开始咬入时的一半。另一半时多余的，多余的摩擦称为剩余摩擦。剩余摩擦必须以另一种方式消耗掉，其中推动前滑区金属流动速度大于轧辊线速度，即产生前滑，还有是在后滑区用来平衡前
3、滑区的摩擦力。,13,由此可得出改善轧件咬入的措施：增加咬入时的摩擦系数；减小咬入时压下率；利用剩余摩擦。具体的做法有：（1）改变轧辊表面状况，在轧辊上刻槽、焊点、滚花等；（2）咬入时不润滑或恶化润滑，稳定轧制后再润滑；（3）清除氧化铁皮和表面污物；（4）轧件小头咬入；（5）低速咬入、高速轧制；（6）带钢压下；（7）增加轧辊直径；（8）增加后推力。,14,四、前滑与后滑 前滑轧件的出口速度大于轧辊线速度。后滑-轧件的入口速度小于轧辊入口线速度的水平分量。前滑区和后滑区的交界面称为中性面，对应的角度称为中性角。前滑在轧制过程中起重要作用。,15,轧制过程速度示意图,16,五、前滑与摩擦系数的关系
4、 前滑与轧辊直径、轧件厚度和中性角有关。前滑值越小，摩擦系数越小，此时中性角也越小。因此，在轧制过程中保持适当的前滑是非常重要的。,17,11.2 轧制过程中的摩擦与磨损 一、轧制变形区的摩擦条件 1、滑动摩擦条件 如冷轧和润滑条件的热轧变形的摩擦可以认为是滑动摩擦，满足库仑摩擦条件。,18,2、粘着摩擦条件 热轧过程中在无润滑条件下，轧制变形区有可能表现为粘着摩擦状态。3、流体摩擦条件 在冷轧工艺润滑条件下，当轧制速度高、压下率低以及润滑剂粘度大时，变形区油膜厚度较厚，易形成流体摩擦条件。,19,二、摩擦对轧制压力的影响 采用的摩擦条件不同，计算的摩擦力与轧制压力差别不同。如下图所示：不同摩
5、擦条件单位压力与摩擦力沿接触弧长的分布（a）滑动摩擦条件（b）粘着摩擦条件（c）流体摩擦条件,20,同样，在摩擦条件相同的情况下，摩擦系数对轧制压力的影响也很明显。滑动摩擦条件下摩擦 系数对轧制压力的影响,计算的轧制单位压力中性点处出现一个峰值，被称为摩擦峰。摩擦峰的大小与形状除与计算选用的模型有关之外，还与摩擦系数密切相关。摩擦系数较高时，轧制压力成倍增加。,21,其实，摩擦沿接触弧长分布是不均匀的，摩擦机制也不相同。由于变形区长高比不同，整个变形区会出现不同的区域，单位摩擦力和单位压力的分布会发生变化。,22,单位摩擦力和单位压力沿接触弧长分布规律(a)长高比大于5(b)长高比等于2-5(
6、c)长高比等于0.2-2(d)长高比小于0.5,23,三、轧制过程的磨损 粘附磨损、磨粒磨损与疲劳磨损在轧制过程磨损中起主要作用。粘附磨损主要是在轧制粘附性强的金属发生。磨粒磨损主要是一些硬的杂质小颗粒混入接触面、轧辊与轧件表面上一些硬的凸起物、氧化皮脱落、轧辊上的结疤脱落等造成。疲劳磨损主要是轧辊剥落的结果。,24,四、影响磨损的因素 速度、载荷、温度、环境因素、金属表面氧化物、加工硬化、工模具与工件材质、润滑条件等都会对磨损产生影响。,25,11.3 热轧工艺润滑 一、热轧工艺润滑的作用 1、减小轧制过程轧辊与轧件之间的摩擦系数；2、降低轧制力；3、减少轧辊消耗，提高作业率；4、改善轧后表
7、面质量；5、改善制品内部组织性能。二、热轧工艺润滑机理 热轧润滑作用机理的研究远远落后于对冷轧润滑的研究，其主要原因是温度的影响。,26,三、热轧工艺润滑剂 由于热轧黑色金属和有色金属在轧制温度、变形抗力、润滑机制不同，因此，对润滑剂的选择和使用也存在差别。,27,1、板带钢热轧润滑剂 由于热轧时高温、高压和大量轧辊冷却水喷淋的工作条件下，因此工艺润滑剂应具备以下功能：（1）良好且稳定的润滑性能；（2）很好的润湿性和粘附性；（3）良好的抗氧化性和耐分解性；（4）良好的抗乳化性和离水展着性；（5）对环境无污染。,28,带钢热轧油组成,29,2、铝及其合金热轧润滑剂 由于轧制温度不高，且铝较软，极
8、易粘辊，因此润滑剂必须兼顾润滑和冷却性能要求。乳化液是热轧铝及其合金最好的工艺润滑剂。几种有代表性的铝热轧乳化液,30,3、铜及其合金热轧润滑剂 其热轧润滑多使用乳化液或水。与热轧铝相比，乳化液使用的周期缩短。国外铜轧制乳化液有关性能,31,四、热轧工艺润滑效果 1、工艺润滑对力能参数的影响 采用不同的热轧油轧制普碳钢，其轧制压力与未采用工艺润滑的轧制压力比较结果如下表所示。不同类型热轧油的润滑效果,32,除了热轧油的类型特征外，其使用浓度对热轧润滑效果也有较大影响。大量的生产实践证明，一般热轧油的使用浓度在0.01-8%范围。,33,1450机组工作辊磨损断面图,2、工艺润滑对轧辊磨损的影响
9、 降低轧辊磨损、减少换辊次数、改善轧后板形和表面质量是热轧工艺润滑的主要目的。具体影响见下图。,34,润滑剂类型和耗量与轧辊磨损降低率间的关系1-合成酯 2-油脂 3-合成酯+水 4-油脂+水 5-合成酯+水 6-酯+水,35,11.4 冷轧工艺润滑 工艺润滑是冷轧工艺过程中的重要环节。一、冷轧工艺润滑的作用 1、润滑作用 可以减小或调控变形区摩擦系数。但摩擦并非越小越好。为什么？2、冷却的作用 控制辊温和板形。相对于有色金属，黑色金属冷轧时轧辊温升更大，润滑剂的冷却作用更加重要。,36,二、冷轧工艺润滑剂 对润滑剂除了一般的要求以外，还应满足以下几方面的要求：A、润滑性能好；B、冷却能力强；
10、C、性能稳定；D、作为油基润滑剂，要使用方便；E、作为乳化液，应无特殊要求；F、清净性强；G、防锈性好；H、符合环保要求；I、使用的经济性。,37,现分材料大类进行说明。1、钢铁材料 板带钢冷轧工艺润滑主要采用乳化液，对表面质量要求高的，在轧制速度不高时，也可以采用全油润滑轧制。表12-7 板带钢轧制润滑剂的分类与用途,38,2、铝和铝合金 其板带箔冷轧润滑剂均为纯油型轧制油，一般不使用乳化液。表12-8 国内外铝板带箔冷轧油基础油理化性能比较,39,3、铜合金 在铜材轧制过程中主要采用光亮退火，这对轧制油提出了更高的要求。典型的适用于铜材轧制光亮退火的矿物油如下表。表12-9 国外铜材冷轧矿
11、物油有关性能,40,三、冷轧工艺润滑的应用 1、酸洗涂油 在酸洗、清洗和烘干后，热轧带钢在卷取前要进行涂油，其目的是：A、防止酸洗后板带钢表面生锈；B、保护板卷在下一道工序开卷时相互擦伤；C、在冷轧时第一道次或前几道次起润滑作用。最新采用的涂油方法是干式涂镀或静电涂油。,41,2、薄板轧制润滑 当薄板较厚时，可以直接使用酸洗油进行润滑。若轧制成品厚度大于0.4mm时，可以采用矿物油型乳化液。轧制成品厚度小于0.3 mm 的镀锡原板和镀锌原板，常使用脂肪型乳化液并添加油性剂和极压剂。3、硅钢轧制润滑 采用矿物油为基础油的低皂化值稳定型乳化液。,42,4、不锈钢轧制润滑不锈钢冷轧生产工艺的特点：（
12、1）不锈钢是高合金钢，变形抗力很高，因此多采用多辊轧机，因此必须采用润滑作用效果好的轧制油进行工艺润滑。（2）不锈钢冷轧带钢生产的一个特点是采用特殊的焊接工艺。（3）不锈钢生产中退火是重要环节，不同钢种、不同生产流程热处理制度不同。（4）冷轧不锈钢对表面质量有严格要求。（5）不锈钢的精整不同于普通钢，要求改善板形的同时，保证不锈钢的表面光泽 不锈钢冷轧常采用纯油型轧制油。,43,5、平整用油 平整是板带材精整线中最重要的工序。平整的目的是：A、提高退火后带钢的平整度；B、消除退火板带屈服平台，调整其所要求的力学性能；C、使带钢表面达到所要求的粗糙度。平整有干平整和湿平整。湿平整用平整液。按其组
13、成分为无机型、有机型和混合型三种。,44,表11-10 湿平整和干平整的比较表11-11 不同类型平整液的特征,45,6、铝合金轧制润滑 影响铝合金轧制过程润滑效果的因素很多，主要是轧制油粘度及添加剂对轧制过程力能参数和轧后铝板表面质量的影响。,46,7、铜合金轧制润滑 冷轧铜的润滑剂要求达到减小摩擦和降低轧辊磨损的目的。轧制油对铜板带的腐蚀和污染是铜板带轧制过程中的一个突出问题。因而对轧制油的基础油的粘度、馏程、闪点等受到严格限制。,47,8、钛及其他稀有金属轧制润滑 钛材在轧制过程中极易粘辊，为此应对坯料预先进行表面处理以及选择行之有效的工艺润滑剂。表面处理有：氧化膜、阳极氧化膜、草酸盐膜
14、、氯化与氟化膜等。润滑剂有：氟化润滑脂、羊毛脂、棕榈油,48,12.5 工艺润滑系统工艺润滑系统分为循环式和非循环式。循环系统：系统中的乳化液或润滑油可多次使用非循环系统：系统中的工艺润滑剂只能一次性使用，方法较简单。,49,一、热轧工艺润滑系统,热轧润滑系统组成示意图,50,1.油水预搅拌混合法 按要求比例配好油水，通过搅拌混合成油水机械混合液后送到轧辊表面。2.蒸汽雾化混合法 将一定压力和温度的蒸汽通入混合器与油水混合液混合，通过蒸汽压力将油水混合液雾化送入轧机。3.直接注入法 轧制油直接注入轧机原有的轧辊冷却水管路系统中形成油水混合液，随冷却水喷射到轧辊表面。,51,几种常用的油水混合供
15、油系统示意图(a)油水预搅拌混合；(b)蒸汽雾化混合;(c)直接注入轧辊冷却水,52,二、冷轧工艺润滑系统1.乳化液系统（1）乳化液的循环（2）乳化液的过滤（3）分段冷却（4）温度、浓度控制,53,2.轧制油的循环系统（1）过滤系统 高速轧机所使用的轧制油过滤装置主要有两种：a.平板式过滤器 b.立管式过滤器（2）温度控制系统（3）压力控制系统（4）喷射控制系统,54,12.6 润滑剂的维护与管理一、乳化液使用与管理,乳化液及纯矿物油的微生物感染,55,乳化液易变质的原因：（a)乳化液为油水两相平衡体系，由于含有大量的水，且在轧制过程中长期处于高温高压条件下，容易出现析油和析皂现象，导致乳化液
16、腐败变质发生。（b)大量外来油混入以及金属粉末进一步促进乳化液腐败变质。,56,乳化液腐败变质不仅直接影响其使用性能，而且废液的排放与污染治理又增加了使用成本，同时还包括：更换变质油或乳液的直接费用；换油时损耗生产时间，并带来相关操作的停工；换油时的直接人工与动力成本；排除已变质的油或乳液的成本；污染生产产品的质量；过滤物过分堆积的成本；轧制过程轧辊的磨损及腐蚀；影响工作人员健康等,57,乳化液变化和可能对使用性能产生的影响,58,对乳化液的管理项目包括浓度管理、水质管理、温度管理、pH值管理、防锈管理等。,乳化液管理项目,59,乳化液浓度的变化对其性能的影响,60,二、轧制油使用与管理 与水基润滑剂相比，油基润滑剂变质速度较慢，尤其是矿物油型的轧制油基本上不需要更换，只要按时补充，同时保障过滤即可。,轧制油管理项目,61,轧制油管理注意事项：（1）水的混入。（2）轧机漏油。（3）金属粉末、磨削的堆积。（4）添加剂的消耗。（5）火灾预防。,
