銅鋁復(fù)合板軋制油潤滑性能實(shí)驗(yàn)研究

葛成林，孟二超，孫建林，黃 瑛，姜 偉

(北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

銅鋁復(fù)合板帶是以鋁及鋁合金為基層，在其一面或兩面連續(xù)復(fù)合一定厚度的銅合金板帶得到的復(fù)合材料，復(fù)合界面為冶金結(jié)合[1-2]。銅鋁復(fù)合板兼具銅的高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和鋁的耐腐蝕、低成本等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、能源、電器、石化、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域[3-4]，對(duì)于化解我國銅資源短缺困境、解決鋁產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩具有重大意義[5]。

由于異種雙金屬的變形抗力不同，銅鋁復(fù)合板軋制時(shí)金屬流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致兩側(cè)的變形不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)彎曲等成形缺陷[6]。因此，軋制時(shí)的彎曲現(xiàn)象是必須解決的問題。此外，軋制過程中同時(shí)存在銅-鋼與鋁-鋼摩擦副[7-8]，從鋁軋制油與銅軋制油中選擇適合銅鋁復(fù)合板軋制的潤滑油具有重要的研究意義和應(yīng)用前景。本文作者選擇鋁軋制與銅軋制基礎(chǔ)油并輔以醇和酯為主的添加劑，制備了4種軋制油，并進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)和軋制實(shí)驗(yàn)，研究在不同軋制油潤滑條件下，銅鋁復(fù)合板的最小可軋厚度及其表面、界面質(zhì)量，為銅鋁復(fù)合板軋制潤滑劑的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 基礎(chǔ)油

實(shí)驗(yàn)以兩種輕質(zhì)礦物油作為基礎(chǔ)油，其基本理化性能如表1所示。

表1 基礎(chǔ)油的理化性能參數(shù)Table 1 Physical and chemical parameters of the base oil

1.2 添加劑

所用兩組添加劑分別為CT-1和CT-2，主要組成見表2。

表2 CT-1和CT-2添加劑的主要組成Table 2 Major component of CT-1 and CT-2 additives

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器：MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，Φ130 mm×200 mm二輥冷軋機(jī)，EXXON標(biāo)準(zhǔn)退火盒(Φ70 mm×2 mm)，OLYMPUS激光共聚焦顯微鏡，ZEISS光學(xué)顯微鏡。

1.4 摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)

軋制油的摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)在MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過GB/T 3142-2019標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定軋制油的最大無卡咬負(fù)荷(PB)。測(cè)試材料為直徑為12.7 mm的GGr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，其HRC硬度為61～63，在25 ℃，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min下持續(xù)10 s，以評(píng)價(jià)軋制油的極壓性能。在載荷為196 N±5 N，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，溫度為25 ℃，進(jìn)行30 min的長(zhǎng)磨實(shí)驗(yàn)，獲取摩擦因數(shù)以研究軋制油的減摩性能。

1.5 銅鋁復(fù)合板冷軋實(shí)驗(yàn)

軋制實(shí)驗(yàn)在Φ130 mm×200 mm二輥冷軋機(jī)上進(jìn)行，所用板材為某廠提供的厚度為1.0 mm的銅鋁復(fù)合板。軋前及更換軋制油時(shí)，使用石油醚清洗軋輥并用脫脂棉擦拭輥面，確保輥面的清潔，防止不同軋制油對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾。冷軋實(shí)驗(yàn)采用固定壓下量的軋制規(guī)程，每道次壓下量0.2 mm，共8個(gè)道次，最后4道次軋輥壓靠，得到銅鋁復(fù)合板在不同潤滑條件的最小可軋厚度。

1.6 退火清凈性實(shí)驗(yàn)

退火前使用丙酮和酒精對(duì)EXXON標(biāo)準(zhǔn)退火盒進(jìn)行徹底清潔。在鋁箔上滴0.125 mL的軋制油，放入退火盒中，置于350℃的退火爐，保溫1 h后取出空冷，觀察鋁片表面污染情況并進(jìn)行評(píng)級(jí)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 軋制油的制備

將適當(dāng)比例兩種添加劑CT-1和CT-2分別加入兩種基礎(chǔ)油中，配制成銅鋁復(fù)合板軋制油，各組軋制油的組成如表3所示。

表3 軋制油的組成Table 3 Composition of rolling oil

2.2 摩擦學(xué)性能分析

不同軋制油的摩擦學(xué)性能如表4所示。使用同種添加劑時(shí)，隨著基礎(chǔ)油黏度的增大，軋制油的油膜強(qiáng)度得到提升，但其摩擦因數(shù)升高，減摩效果減弱。當(dāng)使用相同基礎(chǔ)油時(shí)，醇酯復(fù)合的添加劑相較于單酯添加劑，其對(duì)油膜強(qiáng)度提升的貢獻(xiàn)較小，而對(duì)軋制油減摩性能的影響較大。綜合油膜強(qiáng)度和摩擦因數(shù)分析，1#軋制油具有較優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。

表4 不同軋制油摩擦學(xué)性能Table 4 Tribological properties of different rolling oil

圖1為不同軋制油的摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線。由圖1可見，在初始磨損階段，使用CT-2添加劑的2#和4#軋制油的摩擦因數(shù)迅速上升，而使用CT-1添加劑的1#和3#軋制油的摩擦因數(shù)則是緩慢上升。在穩(wěn)定磨損階段，4種軋制油對(duì)摩擦副減摩作用的影響由大到小依次為1#軋制油、3#軋制油、2#軋制油、4#軋制油。其中，使用添加劑CT-1的軋制油摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)較小，說明其在發(fā)揮減摩作用的同時(shí)還具備一定的潤滑穩(wěn)定性。

圖1 不同軋制油的摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間變化曲線Fig.1 Friction coefficient as a function of wearing time of different rolling oil

2.3 銅鋁復(fù)合板冷軋實(shí)驗(yàn)

在銅鋁復(fù)合板的冷軋過程中，潤滑劑的添加能夠在銅鋁復(fù)合板與軋輥之間形成潤滑膜，避免了軋輥與軋件的直接接觸，減小了摩擦，有效降低了軋制壓力，進(jìn)而保證設(shè)備在已有的條件下實(shí)現(xiàn)更大的壓下量。根據(jù)軋制的Stone公式[9]可知，軋輥彈性壓扁時(shí)的最小可軋厚度與摩擦因數(shù)、軋輥直徑和軋輥材料性能等參數(shù)有關(guān)，最小可軋厚度hmin的計(jì)算公式：

(1)

式中：

μ—摩擦因數(shù)；

D—軋輥直徑；

K—變形抗力；

E—軋輥彈性模量。

從式(1)可以得出，在不改變軋機(jī)等工藝參數(shù)的情況下，通過改善軋制區(qū)域的潤滑狀態(tài)，減小摩擦因數(shù)，能夠降低銅鋁復(fù)合板的最小可軋厚度。實(shí)驗(yàn)中加入軋制油潤滑時(shí)，能夠有效降低銅鋁復(fù)合板的最小可軋厚度。

表5為采用不同軋制潤滑油時(shí)復(fù)合板的最小可軋厚度。圖2為不同軋制油對(duì)銅鋁復(fù)合板各道次軋制厚度的影響。綜合分析表5與圖2可知，使用了醇酯復(fù)合添加劑的1#軋制油的軋制效果最佳，能夠有效降低軋最小可軋厚度。與之相比，僅添加了酯類油性劑的4#軋制油的軋制潤滑效果較差，最小可軋厚度達(dá)到了0.176 mm。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)，使用相同添加劑時(shí)，基礎(chǔ)油ALD130的軋制潤滑效果優(yōu)于基礎(chǔ)油CUD130的，即低黏度基礎(chǔ)油與醇酯復(fù)合添加劑構(gòu)成的軋制油能獲得較小的最小可軋厚度。

圖2 不同軋制油對(duì)銅鋁復(fù)合板各道次軋制厚度的影響Fig.2 The rolled thicknesses of Cu-Al composite plate in different rolling passes with different rolling oil

表5 采用不同軋制潤滑油時(shí)復(fù)合板的最小可軋厚度Table 5 The minimum rolling thickness of composite plate with different rolling oil

2.4 銅鋁復(fù)合板軋后表面形貌

銅鋁復(fù)合板對(duì)表面質(zhì)量有較高的要求，因此軋制油不僅需要降低最小可軋厚度，還需要保證軋后板材的表面形貌。圖3為不同軋制油潤滑銅鋁復(fù)合板軋到最小可軋厚度后的表面形貌。由圖3可以看出，磨損的機(jī)制主要是犁削磨損和粘著磨損[10]，其中在2#與4#軋制油潤滑條件下，犁削磨損的溝槽較深且分布密集，粘著磨損的區(qū)域數(shù)量較多，并且鋁表面質(zhì)量不如銅表面的，存在更嚴(yán)重犁削與粘著磨損(圖3c、d、g、h)。表6數(shù)據(jù)顯示，2#與4#軋制油潤滑的粗糙度較高，用4#軋制油潤滑的復(fù)合板粗糙度最大，銅鋁兩面分別達(dá)到了0.341 μm和0.377 μm。在1#和3#軋制油潤滑下，磨損主要為犁削磨損(圖3a、b、e、f)，且犁削磨損的溝槽較淺，幾乎沒有粘著磨損，用1#軋制油潤滑的復(fù)合板粗糙度最低，銅鋁表面分別為0.313 μm和0.334 μm。綜上，用1#軋制油潤滑，復(fù)合板的軋后表面質(zhì)量最佳。

圖3 不同軋制油潤滑下銅鋁復(fù)合板的軋后表面Fig.3 The rolled surface of Cu-Al composite plate with different rolling oil

2.5 軋后銅鋁復(fù)合板界面分析

使用不同軋制油軋制銅鋁復(fù)合板的界面如圖4所示。由圖4可以觀察到，原始銅鋁界線明顯、平直且光滑，無縮孔等缺陷。由于鋁的變形抗力比銅的小，局部變形不均勻[11]，導(dǎo)致了軋制后銅鋁結(jié)合面分界線不再平直光滑。對(duì)比4種軋制油潤滑的銅鋁結(jié)合面可知，使用1#軋制油潤滑后的結(jié)合面分界線較為平直，變形相對(duì)均勻，軋制潤滑效果最優(yōu)。

圖4 不同軋制油潤滑對(duì)銅鋁復(fù)合板界面的影響Fig.4 The interface of Cu-Al composite plate lubricated with different rolling oil

表6 不同潤滑條件下銅鋁復(fù)合板的表面粗糙度Table 6 Roughness of Cu-Al composite plate with different rolling oil

表7為軋后銅鋁復(fù)合板銅層與鋁層的壓下率變化。分析發(fā)現(xiàn)，在使用相同軋制油的潤滑條件下，鋁層比銅層的壓下率更大，這是由于鋁具有更小的變形抗力，軋制過程中易于變形。其中，使用1#軋制油潤滑時(shí)，復(fù)合板總壓下率最大，而銅層與鋁層的壓下率之差最小，僅為為0.3%，此時(shí)復(fù)合板中銅層與鋁層的變形相對(duì)均勻。而使用4#軋制油潤滑時(shí)，銅鋁復(fù)合板的整體壓下率最小，其銅層與鋁層的壓下率之差較大，達(dá)到了0.8%。這表明復(fù)合板不僅壓下率較小，而且銅鋁兩層變形不均勻，軋制油的潤滑效果不理想。

表7 不同潤滑條件下銅鋁復(fù)合板的壓下率Table 7 Reduction rate of Cu-Al composite plate with different rolling oil

2.6 退火清凈性分析

軋后對(duì)板材進(jìn)行退火，一方面是為了改善板材的性能，另一方面是為了清除軋后殘留在表面的軋制油。復(fù)合板的軋制過程中，要求軋制油不僅具有良好的潤滑性能，而且在軋后光亮退火時(shí)不存在殘油。軋制油由于添加了不同的添加劑，倘若使用不當(dāng)可能會(huì)在軋后退火時(shí)產(chǎn)生油斑污染。

退火實(shí)驗(yàn)按EXXON鋁盒法進(jìn)行，退火溫度350 ℃，保溫1 h空冷。4種軋制油的退火清凈性總體較好，在高溫退火后鋁片表面未生成油斑，殘油基本全部揮發(fā)，表面光亮清潔，屬于“未見漬”，清凈性等級(jí)評(píng)價(jià)為Ⅰ級(jí)。

3 結(jié) 論

1)摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，1#軋制油(基礎(chǔ)油ALD130+7%添加劑CT-1)在具有較高油膜強(qiáng)度的同時(shí)還擁有最低的摩擦因數(shù)，并且摩擦曲線波動(dòng)較小，具備一定的潤滑穩(wěn)定性。

2)銅鋁復(fù)合板冷軋時(shí)，采用鋁軋制基礎(chǔ)油與醇、酯復(fù)合添加劑配制的1#軋制油對(duì)銅鋁復(fù)合板的軋制具有更優(yōu)的潤滑效果，最小可軋厚度減小為0.136 μm，此時(shí)銅鋁表面粗糙度最低。并且在獲得最大壓下率的同時(shí)，銅、鋁壓下率之差僅為0.3%，軋制變形最均勻。

3)為解決軋制時(shí)復(fù)合板向銅側(cè)彎曲的問題，還可以采用加強(qiáng)銅表面潤滑的方法，如將銅側(cè)向上進(jìn)行軋制，或者增大銅側(cè)軋制油的噴射量，以提高復(fù)合板銅層的變形量，促使銅鋁協(xié)調(diào)變形。