金属轧制用润滑剂选择的主要依据

金属轧制用润滑剂选择的主要依据


轧制是利用轧辊把金属坯料滚压成各种规格的板材的一种压力加工形式。应用工艺润滑剂的重要作用是：（1）减小变形区接触弧表面上的摩擦系数和摩擦力，因而使轧制总压力和能量消耗随摩擦力减小而降低，从而可增大道次压下量和减少道次数，同时还可提高轧制速度；（2）润滑剂的良好润滑性能使轧辊的磨损明显减小，这一点对热轧工艺尤其重要；（3）湿润压延件，防止金属粘着，提高压延效率；（4）有效冷却轧辊及材料，最终获得符合质量要求同表面性状。不同种类的金属、压延对润滑的要求有所不同，简述如下：
一、钢材轧制润滑剂
目前国内外使用的钢板轧制润滑剂根据其状态可分为固体润滑剂和液体润滑剂。液体润滑剂根据其水溶性和油溶性可分为两大类：一类是水溶性的金属轧制用油，即少量油加入大量水成为乳化状态，即乳化轧制油，乳化轧制油有较好的润滑性、极压性和冷却性，因此，国内为普遍使用乳化轧制油。
1）钢材热轧润滑剂热轧主要用于钢坯和厚钢板的轧制，一般压延件温度高达1300℃。过去常采用冷却水进行润滑冷却。近年来热轧机向高速化、自动化发展，采用冷却水已不能满足工艺要求，现一般选用热轧液。热轧液要求有良好的黏附性和润滑性，能均匀地附着在轧辊表面形成牢固的润滑膜，降低变形区的摩擦。水基热轧液使用条件复杂，在现有热轧机上几乎无法使用，又不利于废水处理，所以目前使用的热轧液大都属于油基型润滑剂。其中的基础油可以是矿物油、合成烃和酯类油等。为提高润滑性能通常加入动植物油、高级脂肪酸、脂肪醇、合成酯等做油性剂，有的还加入防锈添加剂。
一般热轧制是将钢坯在1250～1350℃的温度下，经粗压延机压到30mm左右厚，再在钢材的结晶组织Ar3变态点（　γ→γ＋α变态点）以上的温度，约900℃进行精压延。由于压辊上附着的压延油，与900℃的压延材料接触，即使是接触时间只有1％s以下的短时间，热分解问题也是严重的，因此要求轧制润滑液耐热性好、分解温度高。几种油（脂）的耐热温度见表-1。热压延钢板时，工作温度达900℃，应当使用含牛油和季戊四醇脂、硫磷酸锌酯、烷基酚磺酸盐等的压延油。
表-1 各种轧制润滑剂用油的耐热温度
油的种类名称 开始蒸发分解减量的温度℃ 完全蒸发分解消失的温度℃
牛油
菜籽油
大豆油
季戊四醇二癸酸酯（PEDD）
季戊四醇三癸酸酯（PETD）
汽缸油 300
300
315
100
190
150 700
515
470
530
470
350～400


（2）钢材冷轧润滑剂 冷轧是利用材质硬

度更大的工作轧辊碾压钢板，使之发生塑性变形的过程，轧制过程中产生两种类型的摩擦：①钢板变形，钢质点分子间的内摩擦引起变形抗力；②带钢和轧辊表面间的摩擦。摩擦产生的同时伴有摩擦热和变形热，所以冷轧时施加润滑剂以满足润滑和冷却的要求，这是冷轧润滑剂最主要的两大作用。
冷轧润滑剂按组成类型和使用状态可分为油基型和水基型两大类。通常矿油型水溶性冷轧液以轻、中质矿物油为主要成分，其中加有添加剂，如脂肪油、脂肪酸等油性剂，含硫、氯、磷等元素的极压添加剂，阴离子和非离子型表面活性剂，防锈剂，抗氧化剂等，在水中形成稳定的乳化液，乳化液粒子大多数为1.0～1.5μm，一部分粒子为5μm左右。混合系水溶性冷轧液以脂肪油、合成油和矿物油的混合油为基础油，另外乳化剂、极压添加剂、防锈剂、抗氧化剂等原料，乳化粒子大部分为1～10μm。脂肪系水溶性冷轧润滑剂以脂肪油为基础油，加入极压剂、抗氧化剂、防锈剂、乳化剂等。这类油对钢板和辊面的附着性好，摩擦系数小，润滑性好，但残炭多，退火前需清洗。水基乳化轧制油由水和油两部分组成。水在轧制油乳化液中的含量通常在95％以上，配置乳化液应使用经过处理的中性去离子水。因为水质对乳化液的性能影响很大：首先，水的硬度即钙、镁离子往往与乳化液中的阴离子乳化剂起作用而使其钠、钾盐或皂被转化成相应的钙皂、镁皂，使阴离子乳化剂浓度降低或丧失乳化能力；其次，水中的阴离子如氯离子和硫酸根离子有促进金属腐蚀的作用，氯化物含量过高时还会引起盐析作用，造成乳化液浓度降低。
表面活性剂在轧制润滑油中有多种作用，如乳化、防锈、润滑等。它具有双亲结构，不仅具有防止油水两相互排斥的功能，而且还有把油和水两相连接起来不使其分离的特殊功能。虽然轧制基础油与水在高速搅拌下能形成乳状液，但这种乳状液很不稳定，极易分层，必须在油水混合体系中加入表面活性剂即乳化剂，形成油水乳状液。这里对乳化剂化学性能的要求并不是很严格，只要不与其他添加剂作用即可。其乳化能力要求一般，在轧制过程中，在高压及高温下要求润滑液能破乳，使润滑油能铺展在轧件表面，水则流散或蒸发以降低轧辊和轧件温度，乳化稳定性太好反而会影响润滑及冷却效果。
由于轧制过程中油水分离，油产生离水展着，附着于被轧件表面。因此，轧制油中一般使用油溶性缓蚀剂。油溶性缓蚀剂分子都是由极性和非极性两部分构成，其分子的特殊结构使其能附着于轧件板面阻止板面腐蚀，也使其同时可

作为表面活性剂使用。钢铁轧制油中较常使用的缓蚀剂通常有：环烷酸锌、石油磺酸钠（亦是乳化剂）、石油磺酸钡、苯并三唑、山梨糖醇单油酸酯、硬脂酸铝等。它们多数是阴离子表面活性剂。
摩擦改进剂也常要求其具有表面活性剂的结构特点，即一端是具有10个以上碳原子的直链烃基，另一端为极性基团。极性基团的极性大小是影响其性能的重要因素。常用的摩擦改进剂有：长链羟酸及其衍生物、长链胺、酰胺、亚胺及其衍生物等。酸能以阴离子的形式化学吸附在金属表面上，胺、亚磷酸酯和磷酸酯以配位形式化学吸附在金属表面上，盐则以形成离子对的形式吸附在金属表面上。无论何种机理起作用，结果都是摩擦改进剂以其在金属表面上形成多层吸附膜来影响摩擦性能。
我们知道对于轧制不同规格的带材，它对轧制有的要求是不一样的，人们习惯上用皂化值来区别轧制润滑剂的不同品种。皂化值是轧制润滑剂润滑性的标志，小轧机的轧制力随着皂化值的增加而降低。另一方面，呈乳化液状使用的轧制润滑剂，其润滑性的好坏还受润滑液离水展着性的制约，离水展着性是润滑液游离油的能力，是乳化液中颗粒大小分布的一种宏观表现。一般认为，组成一定时，较稳定的乳化液其离水展性要比不稳定的润滑液差。乳化液的颗粒度越小，则越稳定。相对而言，乳化液的冷却性要优于润滑性；不稳定的润滑液，其颗粒度大，所以油的附着量也大，因而润滑性要优于冷却性。而乳化液的颗粒度又取决于乳化体系的HLB值及乳液循环系统的搅拌力和温度等因袭，其中温度因素包括乳液温度和钢板温度，显然温度又有利于乳液相和油的附着量的增加，当然也不是温度越高越好，通常轧钢时采用的较佳温度范围为35～45℃。
通常轧制不同规格的轧材，需用具有不同皂化值和不同乳化液稳定性的轧制润滑剂，如轧制0.5mm以上较厚薄板时，使用润滑性能较低的皂化值约为30～50mgKOHg的矿物油系水基轧制润滑剂，其乳化液的状态较稳定；轧制0.3～0.5mm薄板时，使用中等润滑性的皂化值在50～130mgKOHg的合成酯系或合成酯与天然脂肪混合系的水基轧制润滑剂，其乳化液的状态较不稳定；当轧制0.3mm以下的极薄板时，则采用润滑性极好的，皂化值在160～200mgKOHg的油脂系轧制润滑剂，其乳化液的状态极不稳定。值得指出的是随着科学的发展，有些皂化值不高或没有皂化值的润滑材料，其润滑性能可以与棕榈油相当，这时用皂化值来衡量轧制润滑性就没有意义了。
二、有色金属轧制润滑剂
（1）有色金属热轧润滑剂 有色金属热轧加工一般采用水包

油型（OW）乳化液。在有色金属轧制中，占比例较大的是铝、铜及其合金。在热轧铜、铝及其合金时，由于轧制温度高（铜为800～850℃，铝为400～510℃），极易发生粘辊，恶化轧后产品表面质量，因此必须使用冷却性较强的乳化液进行冷却润滑，以确保热轧生产的顺利进行。有色金属轧制乳化液由基础油、乳化剂及其他添加剂组成，通常为水包油（OW）型。基础油视轧制压力的大小、变形程度而定，一般选用轻质或中质机械油为基础油；乳化剂有离子型和非离子型，而添加剂则包括抗氧剂、油性剂、极压剂、防锈剂、防腐杀菌剂及消泡剂等。
热轧时润滑液的润滑原理可以用“离子展着”现象来解释。即在轧制时，乳化液喷射到温度很高的轧制金属表面和轧辊上，乳化液立即受热破坏，乳化液里的水分迅速蒸发，带走大量的热，水被分离后，余下的油分扩散附着在金属表面上而起到润滑作用。水基轧制乳化液的冷却效果好，适于高速压延作业，但要注意防止轧制制品发生水污和锈蚀问题。
由于热轧的冷却系统容量由从几千升到几十万升之大，因而从轧制板材质量、轧制机的轧制效率和润滑冷却剂的价格上看，保证溶解油的乳化性极为重要。所谓溶解油是40℃黏度为19.8～24.2mm2s的基础油加20％左右的脂肪酸（如油酸），再加百分之几的极压剂及1％～2％的抗氧化剂，百分之几的胺皂乳化剂制成的母液，再稀释成百分之几的乳化油。在较大轧制油循环系统中，每生产24h，要进行轧制油灰分的分析试验。溶解油的含量，每工作24h需要分析和补充，如低于4％时，则可能发生烧结压滚，而高于5.5％时，则可能发生侵蚀压滚或造成压滚打滑。
铝材热轧过程中常出现轧辊表面粘有铝屑层（氧化物）。润滑的好坏与铝屑厚薄关系密切。因而轧铝润滑剂需要采用冷却性能好的乳化液进行工艺润滑，以减少轧辊表面粘铝现象。铝热轧制粗压常用含2％～5％油的水包油型乳化液，连压常用含4％～10％油的水包油型乳化液，或用由70％～80环烷基或石蜡基油、15％～20％阴离子或非离子型乳化剂、5％～10％的脂肪酸和极压剂磷酸酯及少量杀菌剂组成的轧制油最好，这种轧制油既节省动力又可使铝板表面光洁。

（2）有色金属冷轧润滑剂 铝或铜及其合金的冷轧目的是制成铝或铜及其合金的薄板或箔材。因此，突出的问题是降低成品的表面粗糙度，即不能留有各种斑迹。水溶性轧制油会产生黑斑，故一般用得不多。目前主要采用的是低黏度（7mm2s运动黏度）的矿物油为基础油的冷轧油，其组成成分以含8～12碳原子的饱和烃为主，并严格限制芳烃、硫

含量以保证人体健康。另外，添加质量分数为1％～5％的油性添加剂，如高碳醇及酯类。这类冷轧润滑油的主要局限性在于冷却性能较差，即限制了轧制速度。对于轧制速度高达2000mmin以上的，也可使用水溶性轧制油。