7轧制中的摩擦与润滑

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。
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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； 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。
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带钢热轧油组成
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2、铝及其合金热轧润滑剂 由于轧制温度不高，且铝较软，极易粘辊， 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
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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
滑动摩擦条件下摩擦 系数对轧制压力的影响
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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。
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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 (c) 长高比等于0.2-2 (d)长高比小于0.5
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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 国外铜材冷轧矿物油有关性能
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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。
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几种常用的油水混合供油系统示意图 (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
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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
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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
轧制变形区示意图
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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
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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 β≥ α
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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擦系数的关系
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冷轧时最大咬入角与入口摩擦系数的关系
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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。
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4、不锈钢轧制润滑 不锈钢冷轧生产工艺的特点： （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。
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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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。
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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、氯化与氟化膜等。 润滑剂有：氟化润滑脂、羊毛脂、棕 榈油
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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。
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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
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。
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11.1 轧件咬入与稳定轧制 下图为板材轧制的变形区图示。
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一、热轧工艺润滑系统
热轧润滑系统组成示意图
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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。
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2、工艺润滑对轧辊磨损的影响 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。
1450机组工作辊磨损断面图
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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
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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？
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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。
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轧制过程速度示意图
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五、前滑与摩擦系数的关系
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。
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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 衡前滑区的摩擦力。
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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。
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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
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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。
表11-11 不同类型平整液的特征
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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。
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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。
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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。
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二、稳定轧制 稳定轧制的咬入条件（摩擦条件）：
β≥ α/2
当β= α/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。
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乳化液变化和可能对使用性能产生的影响
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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
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乳化液浓度的变化对其性能的影响
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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。
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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
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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
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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。
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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。
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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。按其组成分为无机型、有 机型和混合型三种。
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表11-10 湿平整和干平整的比较
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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。
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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。