不銹鋼冷軋薄板軋制油研制

王踐，夏旭娟，印鳳娟

（江蘇東方能源有限公司技術部，江蘇靖江 214521）

0 引言

不銹鋼冷軋軋制油是在不銹鋼冷軋過程中影響不銹鋼板質量的重要因素之一。冷軋軋制是在一定條件下旋轉軋輥給予軋件壓力，使軋件產生塑性變形的一種加工方式。軋件在受到壓力的情況下，斷面減少，形狀改變，長度延伸，并伴有展寬，這時軋件與軋輥表面產生相對滑動，產生摩擦，并伴有摩擦熱和變形熱。在軋制過程中，在變形區(qū)壓力的作用下，軋輥會產生彈性變形，帶材會產生塑性變形。不銹鋼軋制油通過帶材的楔入作用進入變形區(qū)，黏附在不銹鋼板及軋輥上，以滿足潤滑和冷卻的需要。

1 實驗部分

1．1 實驗材料

主要實驗材料:基礎油、合成酯、高分子聚合酯、硫化脂肪油、硫化烯烴、烷基多硫化物、硫磷型抗磨劑、磷酸酯和亞磷酸酯、酚型和胺型抗氧劑、防銹劑。

1．2 實驗儀器

銅片腐蝕測定儀、色度測定儀、皂化值、酸值測定儀、運動黏度測定儀、四球摩擦磨損試驗機、閃點測定儀、卡爾費休水分測定儀等。

2 結果與討論

2．1 不銹鋼冷軋油的作用和特性［1］

潤滑軋輥和不銹鋼板，減少被軋制金屬與軋輥的外摩擦，從而降低軋輥磨損，降低軋制總壓力和能量消耗，增加道次壓下率，減少軋制道次，提高軋制速度。

對軋制變形區(qū)進行充分的冷卻。借助不銹鋼軋制油的冷卻作用，可防止軋輥軟化和輥形變化，使軋制過程穩(wěn)定，有利于嚴格控制產品精度和板形，保證軋后帶材的精度和表面光潔度。

清洗軋制區(qū)及帶鋼表面，避免軋輥和帶鋼表面產生機械劃傷，同時使軋后帶材表面附著一層油膜，有利于在以后工序的周轉過程中起防銹作用。

2．2 森吉米爾20輥軋機技術參數(shù)及對軋制油的要求

原料:SUS300系列、SUS400系列、鈦、鈦合金、鎳基合金。原料厚度:0.5～2.0 mm，最厚:3.0 mm。原料寬度:300～650 mm。成品厚度:0.03～1.0 mm。軋制力:MAX3500KN。軋機速度:0～600 MPM。

冷軋軋制是在一定條件下旋轉軋輥給予帶材壓力，使帶材產生塑性變形的一種加工方式。軋件在受到壓力的情況下，斷面減少，形狀改變，長度延伸，這時軋件與軋輥體面產生相對滑動，產生摩擦，并伴有摩擦熱和變形熱。在軋制過程中，在變形區(qū)壓力的作用下，軋輥會產生彈性變形，帶材會產生塑性變形。不銹鋼軋制油通過帶材的楔入作用進入變形區(qū)，黏附在不銹鋼帶鋼及軋輥上，以滿足潤滑和冷卻的需要［2］。

軋制油必須滿足森吉米爾20輥軋機軋制精密不銹鋼、鈦、鈦合金、鎳基合金帶材的需要。并符合軋機600 MPM運行速度對帶材和輥系進行冷卻、潤滑的要求，在軋制過程中不能由于軋制油的原因對帶材產生擦傷和表面氧化及損傷、不得產生色差。不能由于軋制油的原因對軋機輥系造成損壞。

2．3 不銹鋼冷軋軋制油要具有的特性

不銹鋼軋制油的性能好壞直接影響軋制過程的穩(wěn)定性和帶鋼表面質量。為了保證軋制過程穩(wěn)定進行，不銹鋼軋制油應滿足以下性能要求。

（1）具有良好的極壓抗磨性和潤滑性，由于不銹鋼冷軋軋制壓力高，軋制油必須具有較強的極壓性能，減少摩擦，降低軋制壓力，同時對支撐輥及傳功裝置進行潤滑。

（2）良好的抗氧化性，不銹鋼軋制油在循環(huán)使用過程中，在周期性的高溫、高壓作用下，以及與空氣接觸和在鐵的催化作用下，易發(fā)生油品氧化變質，所以具備較高的抗氧化能力。

（3）良好的黏溫性，黏度適中，確保其冷卻性能，同時盡量減少退火時軋制油對不銹鋼表面的污染。

（4）較高的閃點，以保證高速軋制時油品的安全性，軋制油在使用過程中因軋制變形產生的熱量會使油溫迅速上升，輥板的摩擦也難免會產生靜電與火花，因此軋制油要具備較高的閃點，否則容易起火，根據(jù)設備的使用要求，規(guī)定產品的閃點不小于154℃。

（5）良好的清凈性，帶材在軋后和退火后表面色澤光亮，會出現(xiàn)炭化物污染等現(xiàn)象。

（6）化學穩(wěn)定性好，不銹鋼軋制油在軋制過程中不與被軋制金屬發(fā)生任何化學反應，不影響金屬的物理性能，在循環(huán)使用過程中水易變質，工作性能穩(wěn)定，使用壽命長。

（7）具有良好的冷卻性能。

（8）其他性能，如抗腐蝕、無毒、無味、環(huán)保健康等。

3 不銹鋼冷軋油配方的研究

3．1 基礎油的選擇

基礎油主要是起潤滑作用，同時也是油溶性添加劑的載體，在配方研制過程中選用低黏度的SOIL的Ⅱ類加基礎油，其高度精制、餾分窄、芳烴含量低，理化指標見表1。

表1 基礎油的典型指標

3．2 添加劑的選擇

冷軋軋制油主要有抗氧劑、油性添加劑、極壓抗磨添加劑、防銹劑、消泡劑等組分組成。

3.2.1 抗氧劑作用及其選擇

不銹鋼軋制油在循環(huán)使用過程中，因局部高溫、與空氣接觸，以及鐵的催化作用，很容易使油品氧化、變質，氧化是使油品質量變壞和消耗增大的原因之一［3］。氧化產生的酸性物質、水及油泥等會造成金屬的嚴重腐蝕。軋制油中所使用的抗氧劑一般為鏈反應終止劑。自由基鏈反應終止的原理是:通過一個活潑氫原子給過氧基一個氫原子，生成較穩(wěn)定的化合物而使鏈反應終止。軋制油在儲存、循環(huán)使用以及軋后在鋼板表面上的殘留油必須有良好的抗氧化效果，以利于避免軋后油燒和退火時鋼板表面高分子聚合物的形成?？寡鮿┑氖褂眠€可有效提高軋制油的初始氧化溫度（20～50℃）。軋制油中所使用的抗氧劑一般為酚類和胺類化合物，它們均具有抗氧化效果，加入抗氧劑后旋轉氧彈的誘導期有較大增長。在配方研制中分別采用了抗氧劑1和抗氧劑2，抗氧劑1是胺類抗氧劑，抗氧劑2是酚類抗氧劑。實驗結果見表2。

表2 不同抗氧劑及加劑量不同比例復配的旋轉氧彈實驗結果

從表2可以看出，油樣7的抗氧劑配比組合起到的抗氧效果好。

3.2.2 油性劑作用及其選擇

油性劑的作用主要是對金屬表面有一種吸附力。油性劑靠物理吸附或化學吸附定向地排列在金屬表面，生成牢固的吸附膜，并且2個分子的極性團吸在一起成為一對。

油性劑的種類很多，常用的有動植物油脂、高級脂肪酸、高級脂肪醇、合成型的脂肪酸酯等。蓖麻油、棕櫚油、牛脂、豬油、菜籽油、棉籽油、大豆油、鯨魚油等都屬于動植物油脂。動植物油脂具有良好的潤滑性能和負荷承載能力，但抗氧化性能及低溫流性能較差，易水解，不經過電解脫脂直接退火后鋼板表面清凈性差;動植物油脂的氧化安定性也較差，這主要是其脂分子中甘油部分的第二羥基所致。一般高皂化值、分散型冷軋軋制油使用該類油性劑。這類軋制油一般用于具有電解脫脂工序且對潤滑性要求極高的極薄板軋制過程中。

酯類油性劑與其他油性劑相比，其耐高溫性能、抗氧化性能、抗水解性能、黏溫性能、黏壓性能及潤滑性能良好，在一般的軋制油配方中所采用的油性劑均為合成酯類油性劑，根據(jù)反應產物的酯基含量可分為單酯、雙酯、多元醇酯和復酯等［4］。由于單酯及雙酯均含有β-氫原子，耐高溫及抗氧化能力較差，因此在軋制油中極少使用這類油性劑。如果用烷基取代β-碳原子上的氫，就可以獲得高溫性能較好的合成酯。β-碳原子上無氫的醇類主要指新戊基多元醇類，如三羥甲基丙烷、三羥甲基乙烷、季戊四醇等。

用上述新戊基多元醇與C5～C18的直鏈或支鏈脂肪酸合成的阻化酯在高溫下不會出現(xiàn)環(huán)狀中間產物，它們分解時按自由基的機理進行。這種阻化酯在分解時所需能量較高，因此具有較好的耐高溫、抗氧化及抗熱分解性能。在軋制油中經常使用這類多元醇酯。

用于軋制油中的多元醇油性劑的典型數(shù)據(jù)見表3。

表3 用于軋制油中的多元醇酯油性劑的典型數(shù)據(jù)

續(xù)表

由表3可以看出，隨著合成酯黏度的增大，殘?zhí)苛柯杂性黾?，潤滑性變好，但退火清凈性有明顯下降的趨勢。所以在選用合成酯類油性劑時，除了要考慮潤滑性以外，必須滿足清凈性的要求。

要滿足軋機能順利地生產出最薄的厚度，必須有相應的具有一定潤滑性的冷軋油添加劑，體現(xiàn)冷軋油的潤滑性的一個重要指標是該油品的皂化值，皂化值越高，冷軋油的潤滑性越好，因此必須合理選擇冷軋油的潤滑性，所以在配方研制過程中，使用了多種皂化值較高的合成多元醇酯和一種高分子聚合酯Y復配，得到很好的效果。采用的這種高分子聚合酯具有優(yōu)異的潤滑性能，在不銹鋼軋制油中大大減少活性硫的添加劑的加入量，也減少了氯系添加劑的加入量，實驗結果見表4。

表4 不同的多元醇酯與高分子聚合酯復配的皂化值結果

從表4可以看出，油樣4的皂化值高，它的減摩效果好。

3.2.3 極壓劑作用及其選擇

鋼材在重負荷下工作時，摩擦部件由于受到高溫、高壓作用，經常處于邊界潤滑條件下，摩擦點的溫度和壓力都比較高。在這種情況下，單純靠油性劑不能保證可靠的極壓性和潤滑性，往往要加入一些極性化合物，使其與金屬發(fā)生化學反應，生成熱穩(wěn)定性高的邊界油膜，以改善潤滑狀態(tài)，降低摩擦磨損，防止擦傷、燒結，保證在苛刻條件下有良好的潤滑作用，軋制油在軋制變形區(qū)內的潤滑狀態(tài)主要是邊界潤滑和流體潤滑的混合潤滑狀態(tài)，要求根據(jù)軋機的實際工況條件，大幅度提高潤滑性，減小摩擦力。一般來說，軋制油的最大無卡咬負荷（PB值）應大于850 N，磨痕直徑應小于0.45 mm，F(xiàn)alex值應大于11120 N，軋制油的潤滑性能才能滿足要求。

含有硫、磷、氯等活性元素的極壓劑在高溫、高壓條件下與金屬表面發(fā)生化學反應，在金屬表面凸處生成化合膜。該化合膜擴展至凹處，可形成一層平滑的極壓膜，該極壓膜具有較低的剪切強度，是不易大面積擦傷的無機膜。

由于冷軋軋制過程是塑性變形，而塑性變形可產生低能電子的釋放，因此，在鋼板冷軋過程中，在鋼板表面會產生正、負電荷點，正電荷形成正Fe離子，而負電荷則形成外逸的低能電子。外逸電子與靠近摩擦新生表面上的添加劑組分形成陰離子或自由基:

M（添加劑分子）+e→（MR·）-+R·（自由基）

產生的陰離子與鋼鐵表面反應，自由基R·的反應可以生成聚合物覆蓋在帶鋼表面上。

用于冷軋軋制油中的一些元素的電子親和力見表5。

表5 一些元素的電子親和力

由表5可以看出，一種元素的電子親和力越大，越容易陰離子化，對鋼板表面的反應性越強。

極壓劑對軋制油性能的影響見表6。

表6 極壓劑對軋制油性能的影響

續(xù)表

由表6可見，極壓劑的極壓潤滑性都較好，但對軋制油的抗油燒性能有較大的影響，它直接影響冷硬卷和退火后鋼板的表面質量;極壓劑的退火清凈性也都不理想。因此，在選擇極壓劑時，應綜合考慮其各方面的性能。

在配方研制過程中，選擇具有活性硫的硫化脂肪油含硫極壓抗磨劑，雖然在極壓潤滑性方面很好，但在銅片腐蝕方面不過關，而且由于硫化脂肪油顏色很深，有味道不能滿足質量指標;再選用含有磷的極壓抗磨劑磷酸酯和亞磷酸酯，在極壓抗磨性、銅片腐蝕、色度、味道都能滿足質量要求，但是酸值偏大。解決方法最后經過多次的配方調整并選用含硫磷的無灰復合劑，及顏色很淺的并不對銅產生腐蝕的含有非活性硫的烷基多硫化物，并通過四球試驗機考察復配效果，試驗結果見表7、表8。

表7 極壓劑和防銹劑復配在銅片腐蝕的測試結果

表8 含硫極壓劑在四球試驗的測試結果

從表7和表8中可以看出，油樣8的組合色度和對銅片的腐蝕，極壓抗磨性都能達到要求。

3.2.4 防銹劑作用及其選擇

鋼板軋制后會有一部分軋制油夾帶到帶卷中，在溫度（80～130℃）、空氣、水分和鐵粉及其他因素的作用下，在鋼板表面形成塊狀銹斑即油燒。油燒部位在后續(xù)道次的軋制和退火時逐漸延伸、擴大，加劇退火后在板帶表面形成黑斑［5］。

要減少油燒的產生，一方面，軋機末機架的吹掃系統(tǒng)應盡量吹走殘留的水分，使油膜鋪展得更均勻，不產生殘留油的積聚;另一方面，可在軋制油中加入一定量的不影響其退火清凈性的防銹劑，以減少軋制后鋼板表面產生油燒的可能性。在配方研制中，采用了油溶性磺酸鹽防銹劑和抑制銅片腐蝕的防銹劑，達到軋后帶鋼在儲存期內不產生銹蝕，對軋輥和設備不產生銹蝕的效果。

3.2.5 其他添加劑的選擇

不銹鋼薄板冷軋油的輔助添加劑還應該再加消泡劑、消煙劑等這些添加劑加劑量不大，應根據(jù)配方具體情況而進行調整。

3.2.6 復合配方的確定

在產品配方研制過程中，對選用的添加劑抗氧劑、油性劑、極壓抗磨劑、防銹劑等進行合理的配伍，通過正交篩選和配方優(yōu)化，研制出一種新型的不銹鋼薄板冷軋潤滑油，配方見表9。

表9 配方組成

3.2.7 配方分析評定

研制的不銹鋼薄板冷軋潤滑油的化驗結果，見表10，其中新油規(guī)定值為森吉米爾20輥軋機技術要求。

表10 不銹鋼軋制油的質量指標及分析結果

3.2.8 研制油與進口油的典型數(shù)據(jù)

研制的不銹鋼薄板冷軋軋制油與進口軋制油的潤滑性能典型數(shù)據(jù)見表11。

表11 軋制油的潤滑性典型數(shù)據(jù)

由表11可以看出，研制的軋制油及進口軋制油均有良好的極壓抗磨性能，這是獲得良好的軋后帶鋼表面清凈性的保證。

4 結論

（1）按照不銹鋼冷軋油要求和特性及油品調配原理，通過實驗室實驗評價，篩選出不銹鋼薄板冷軋油所需的基礎油、抗氧劑、油性劑、極壓抗磨劑、防銹劑等添加劑。

（2）研制的新型不銹鋼薄板冷軋油具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、極壓性、抗磨性、防銹性，各項指標都能滿足森吉米爾20輥軋機技術要求。

［1］王先會.金屬加工油劑應用技術［M］.北京:中國石化出版社，2005:52-54.

［2］張旭，陳忠平.不銹鋼冷軋軋制油的工業(yè)應用［J］.世界鋼鐵，2009（6）:61-62.

［3］王麗娟，劉維民.潤滑油抗氧化劑作用機理［J］.潤滑油，1998，13（1）:55-58.

［4］武治平，張旭，王士庭.合成酯在不銹鋼軋制油中的潤滑特性研究［J］.中北大學學報（自然科學版），2013（2）:208-213.

［5］吳國容.半合成型不銹鋼軋制油的開發(fā)和應用研究［C］//第二屆軋制潤滑技術學術研討會論文集，2009:23-29.