納米潤(rùn)滑對(duì)波紋軋制鋁合金板材表面質(zhì)量的影響研究

馬麗楠，趙敬偉，齊艷陽，王 琛，王 濤，萬善宏

(1.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué) a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，b.先進(jìn)金屬?gòu)?fù)合材料成形技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，太原 030024；3.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，市場(chǎng)對(duì)板帶產(chǎn)品的質(zhì)量要求日益提高。潤(rùn)滑因其對(duì)軋制板帶產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響而越來越受到重視[1-2]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軋制過程中的潤(rùn)滑開展了廣泛研究。王一助等[3]利用二輥軋機(jī)進(jìn)行了納米潤(rùn)滑下的板帶鋼冷軋實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)軋制潤(rùn)滑劑進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，由于納米顆粒的使用，納米潤(rùn)滑劑能提高軋輥-軋件的抗磨性能、降低摩擦系數(shù)，同時(shí)改善軋件的表面質(zhì)量。朱廣平等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑劑添加納米顆粒后能明顯降低帶鋼冷軋時(shí)的最小可軋厚度。朱作鑫等[5]通過開展不同潤(rùn)滑條件下的熱軋實(shí)驗(yàn)，得出采用納米潤(rùn)滑能降低軋制力、減小終軋厚度結(jié)論。WU et al[6]對(duì)水基納米潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能和機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的TiO2納米顆粒可顯著改善潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能，并將潤(rùn)滑機(jī)理概括為納米顆粒的“滾珠”效應(yīng)以及修復(fù)、填充機(jī)制。XIA et al[7]研究了TiO2納米顆粒對(duì)高速鋼表面氧化后的摩擦學(xué)行為的影響，結(jié)果顯示TiO2濃度越高，納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯。此外，趙敬偉等[8]闡述了水/油基納米潤(rùn)滑劑的制備方法、潤(rùn)濕性、摩擦學(xué)特性以及熱軋潤(rùn)滑性能，其研究對(duì)促進(jìn)熱軋潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的軋制工藝上下軋輥均采用平軋輥，因此學(xué)者對(duì)軋制過程中潤(rùn)滑的研究大多也是基于平軋。黃慶學(xué)等[9-10]提出一種新型的波紋軋制工藝，而納米潤(rùn)滑對(duì)于波紋軋制影響的研究目前未見相關(guān)報(bào)道。基于此，本文開展了納米潤(rùn)滑對(duì)波紋軋制鋁合金板材表面質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原材料為1060鋁合金板材，其規(guī)格為200 mm×60 mm×3 mm，化學(xué)成分如表1所示。所用軋機(jī)為二輥波紋輥軋機(jī)，其中上輥為波紋輥，下輥為平輥[11]，輥徑均為150 mm.波紋輥的輥型曲線為正弦曲線[12]，振幅為0.4 mm，周期為60 s.將鋁合金板材在室溫下進(jìn)行單道次軋制，壓下率為40%，軋制速度為0.1 m/s.選用30 nm的TiO2顆粒、水和油按照一定比例混合后在高速攪拌器中攪拌均勻并進(jìn)行超聲振動(dòng)，制成納米潤(rùn)滑劑，軋制過程中向波紋輥均勻噴灑納米潤(rùn)滑劑，待其分散均勻后進(jìn)行鋁合金板材軋制。為了便于比較，在相同條件下分別進(jìn)行5組無潤(rùn)滑和納米潤(rùn)滑軋制實(shí)驗(yàn)。波紋軋制示意圖、軋后鋁合金板材形貌及取樣觀測(cè)位置、波峰波谷示意圖如圖1-圖3所示。

表1 1060鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of 1060 aluminum alloy %

圖1 波紋軋制示意圖Fig.1 Schematic diagram of corrugated rolling

圖2 軋后鋁合金板材形貌Fig.2 Morphology of rolled aluminum alloy sheet

圖3 波峰波谷示意圖Fig.3 Schematic diagram of peak and trough

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

運(yùn)用基恩士形狀輪廓激光測(cè)量系統(tǒng)(VK-X)觀察波紋軋制后的板材形貌并對(duì)波峰、波谷表面質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.1 波峰表面形貌

圖4和圖5分別是無潤(rùn)滑和納米潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材的波峰形貌圖。由圖可以明顯看出，未進(jìn)行納米潤(rùn)滑的軋制板材的波峰凹凸不平，表面粗糙，板材表面隨著軋制方向魚鱗狀缺陷明顯，而采用納米潤(rùn)滑后板材的波峰表面質(zhì)量得到了明顯改善，表明納米顆粒通過切削和填充作用，使軋后板材表面變得更加平滑。

圖4 無潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材的波峰形貌圖Fig.4 Morphology of peak without lubrication

圖5 納米潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材的波峰形貌圖Fig.5 Morphology of peak with nano-lubrication

圖6為與圖4對(duì)應(yīng)的無潤(rùn)滑條件下的波峰表面高度圖及曲面矯平圖，圖7為與圖5對(duì)應(yīng)的納米潤(rùn)滑條件下的波峰表面高度圖和曲面矯平圖。由圖可以看出，未經(jīng)潤(rùn)滑的板材表面高度色差較大，粗糙度較大，而經(jīng)過納米潤(rùn)滑后的板材表面高度色差相對(duì)較小，粗糙度明顯減小。

圖6 無潤(rùn)滑條件下板材的波峰表面高度云圖(a)及曲面矯平圖(b)Fig.6 Surface height cloud map of peak without lubrication(a) and surface leveling map(b)

圖7 納米潤(rùn)滑條件下板材的波峰表面高度云圖(a)及曲面矯平圖(b)Fig.7 Surface height cloud map of peak with nano-lubrication(a) and surface leveling map(b)

為了進(jìn)一步分析納米潤(rùn)滑對(duì)波紋軋制鋁合金板材表面質(zhì)量的影響，對(duì)軋后板材進(jìn)行了表面粗糙度數(shù)值測(cè)量。圖8是截取5組軋后板材波峰全域的示意圖及表面粗糙度數(shù)據(jù)，圖9是截取5組軋后板材波峰局域示意圖及表面粗糙度數(shù)據(jù)。由圖可以看到：無潤(rùn)滑條件下的板材波峰全域表面粗糙度均值為2.24 μm，采用納米潤(rùn)滑時(shí)波峰全域表面粗糙度均值僅為1.68 μm.無潤(rùn)滑波峰局域表面粗糙度均值為2.12 μm，而潤(rùn)滑后的波峰局域表面粗糙度均值僅為1.60 μm.潤(rùn)滑后全域和局域表面粗糙度數(shù)值均明顯下降，波峰全域及局域的表面粗糙度數(shù)值較無潤(rùn)滑時(shí)分別降低25%和24%，全域和局域?qū)Ρ确治鼍?yàn)證了納米潤(rùn)滑對(duì)改善板材波峰表面質(zhì)量的有益作用。

圖8 軋后板材的波峰全域示意圖(a)及表面粗糙度數(shù)值(b)Fig.8 Schematic diagram of the whole area of peak(a) and surface roughness value(b)

圖9 軋后板材的波峰局域示意圖(a)及表面粗糙度數(shù)值(b)Fig.9 Schematic diagram of the local area of peak(a) and surface roughness value(b)

2.2 波谷表面形貌

圖10和圖11分別是無潤(rùn)滑和納米潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材的波谷形貌圖。可以看出，波谷呈現(xiàn)出與波峰不同的形貌，未進(jìn)行納米潤(rùn)滑的軋制板材的波谷凸起和凹坑明顯，缺陷數(shù)量多，表面粗糙嚴(yán)重。而納米潤(rùn)滑后的板材波谷表面形貌得到了明顯的改善，納米顆粒對(duì)凸起起到了明顯的切削作用，對(duì)部分凹坑進(jìn)行了填充，使軋后板材表面變得更加平滑，凸起幾乎消失，凹坑數(shù)量顯著降低。

圖10 無潤(rùn)滑條件下波紋軋制的材料波谷形貌圖Fig.10 Morphology of trough without lubrication

圖11 納米潤(rùn)滑條件下波紋軋制的材料波谷形貌圖Fig.11 Morphology of trough with nano-lubrication

圖12和圖13分別為無潤(rùn)滑和納米潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材的波谷表面高度圖。從圖中可以看出，未經(jīng)潤(rùn)滑的軋制板材波谷表面缺陷尺寸較大，數(shù)量較多。經(jīng)過納米潤(rùn)滑后的軋制板材波谷表面高度差值明顯減小，粗糙度降低。

圖12 無潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材波谷表面高度云圖(a)及曲面矯平圖(b)Fig.12 Surface height cloud map of trough without lubrication(a) and surface leveling map(b)

圖13 納米潤(rùn)滑條件下波紋軋制板材波谷的表面高度云圖(a)及曲面矯平圖(b)Fig.13 Surface height cloud map of trough with nano-lubrication(a) and surface leveling map(b)

圖14是截取5組軋后板材波谷全域示意圖及表面粗糙度數(shù)據(jù)，圖15是截取5組軋后板材波谷局域示意圖及表面粗糙度數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，無潤(rùn)滑的波谷全域表面粗糙度均值為2.11 μm，潤(rùn)滑后的波谷全域表面粗糙度均值降為1.64 μm.

圖14 軋后板材的波谷全域示意圖(a)及表面粗糙度數(shù)值(b)Fig.14 Schematic diagram of the whole area of trough(a) and surface roughness value(b)

無潤(rùn)滑的波谷局域表面粗糙度均值為2.16 μm，而納米潤(rùn)滑后的波谷局域表面粗糙度均值降為1.64 μm.納米潤(rùn)滑后波紋板的波谷全域及局域的表面粗糙度數(shù)值較無潤(rùn)滑時(shí)分別降低22%和24%，從數(shù)值上驗(yàn)證了納米潤(rùn)滑對(duì)波紋軋制的優(yōu)良作用。

圖15 軋后板材的波谷局域示意圖(a)及表面粗糙度數(shù)值(b)Fig.15 Schematic diagram of the local area of trough(a) and surface roughness value(b)

3 結(jié)論

1) 納米潤(rùn)滑后的波紋板波峰、波谷處表面光滑，缺陷較少。

2) 全域或局域的數(shù)據(jù)分析都表明：納米潤(rùn)滑后軋制波紋板波峰、波谷處的表面粗糙度數(shù)值明顯降低。波峰全域及局域的表面粗糙度數(shù)值較無潤(rùn)滑時(shí)分別降低25%和24%，波谷全域及局域的表面粗糙度數(shù)值較無潤(rùn)滑時(shí)分別降低22%和24%.

3) 納米顆粒在波紋軋制過程中對(duì)板材表面進(jìn)行了修飾，達(dá)到了降低表面粗糙度、改善表面質(zhì)量目的。