全合成水基軋制液鋁板表面潤(rùn)滑性能測(cè)試方法與現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)性研究

周鑫,蘭奕,孫曉婷

(1.無(wú)錫中國(guó)石油潤(rùn)滑脂有限責(zé)任公司，江蘇 無(wú)錫214000;2.中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧 大連 116021)

0 引言

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研究是目前學(xué)術(shù)界進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)的主要載體，國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者都做過(guò)相關(guān)研究。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以較為貼近地模擬實(shí)際工況環(huán)境，對(duì)于探索和驗(yàn)證實(shí)際工程機(jī)械當(dāng)中的摩擦機(jī)理及其影響因素，從而采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減緩摩擦磨損現(xiàn)象具有重大意義。

目前，用于潤(rùn)滑性能分析常用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)有四球式、環(huán)塊式、銷盤式、往復(fù)式，而這些方法普遍存在的問(wèn)題是實(shí)際工況的摩擦副材料與測(cè)試用摩擦副材料不同，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)冷軋機(jī)生產(chǎn)參數(shù)無(wú)法建立相關(guān)性，因此并不能與實(shí)際軋制建立相關(guān)性，而本試驗(yàn)所采用的球?qū)Σ煌X板表面往復(fù)式摩擦試驗(yàn)?zāi)芨玫胤磻?yīng)實(shí)際工況。首先，由于試驗(yàn)所需鋁板可以更換，因此可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軋制合金種類選擇相應(yīng)鋁板進(jìn)行試驗(yàn)。其次，用圓球底面微小的弧面區(qū)域在鋁板表面進(jìn)行往復(fù)式摩擦，能夠更貼切地模擬軋輥的弧面在鋁板表面的軋制狀態(tài)。因此該往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)更適合于評(píng)價(jià)水基軋制液軋制過(guò)程中鋼輥對(duì)鋁板表面的摩擦磨損性能。

1 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的工作原理

往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)該試驗(yàn)機(jī)，主要可獲得試驗(yàn)中產(chǎn)生的摩擦力、摩擦系數(shù)和試件的磨損量，其工作結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

變頻電機(jī)經(jīng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)托架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，試件安裝在托架上并隨托架一起運(yùn)動(dòng)，試件固定在活動(dòng)基座上。工作載荷由砝碼的重力產(chǎn)生，彈性支撐臂在摩擦力的作用下水平擺動(dòng)，在小幅度情況下，位移與摩擦力成正比。支撐臂的另一端與位移傳感器靠近，其垂直方向的位移量反映出試件磨損量的變化。工作時(shí)，托架導(dǎo)軌中必須加注潤(rùn)滑油。

該往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)通過(guò)變頻器的頻率調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)摩擦速度的任意調(diào)節(jié)，方便模擬實(shí)際工況的使用速度；通過(guò)加熱、檢測(cè)及溫度控制器實(shí)現(xiàn)各種材料在不同溫度下的摩擦性能試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的溫度任意設(shè)定和恒溫自動(dòng)控制；通過(guò)試驗(yàn)，可建立摩擦系數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)；另外，還可進(jìn)行不同材料摩擦副在不同潤(rùn)滑狀態(tài)(所加潤(rùn)滑劑的量)下的摩擦磨損性能試驗(yàn)。

該往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是利用在彈性臂上貼應(yīng)變片的方法測(cè)試摩擦力，即通過(guò)彈性臂的變形而使貼在上面的應(yīng)變片伸長(zhǎng)或縮短，將應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，然后將電壓變化的峰值經(jīng)標(biāo)定后轉(zhuǎn)化為摩擦力的數(shù)值。

2 潤(rùn)滑性能測(cè)試來(lái)源及目的

試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，即將在現(xiàn)場(chǎng)軋制過(guò)程中潤(rùn)滑性能良好和現(xiàn)場(chǎng)因潤(rùn)滑存在問(wèn)題不能軋制的油品來(lái)用做試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有在這兩種油品上能夠體現(xiàn)出明顯區(qū)別，從而認(rèn)為該方法存在實(shí)際參考意義。

為了和現(xiàn)場(chǎng)建立相關(guān)性，分別在試驗(yàn)室以及軋制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同系列和不同狀態(tài)的合金進(jìn)行潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)，并聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)各合金在現(xiàn)場(chǎng)軋制過(guò)程中軋制力的變化情況，從而評(píng)價(jià)試驗(yàn)室模擬與現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)性，驗(yàn)證了該全合成水基軋制液鋁板表面潤(rùn)滑性能測(cè)試方法為現(xiàn)場(chǎng)提供重要的指導(dǎo)依據(jù)。

2.1 往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 技術(shù)路線

(1)掌握試驗(yàn)儀基本原理和測(cè)量參數(shù)的意義；

(2)選定不同基線樣品，不同系列的鋁合金板，不同試驗(yàn)溫度，統(tǒng)一試驗(yàn)條件，進(jìn)行試驗(yàn)；

(3)通過(guò)比較試驗(yàn)中摩擦系數(shù)、摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系、摩擦系數(shù)與合金的關(guān)系來(lái)評(píng)估基線試驗(yàn)的好壞。

2.1.2 試驗(yàn)儀器、耗材

(1)試驗(yàn)儀器：往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、微量注射器；

(2)有機(jī)溶劑：異丙醇、丙酮等；

(3)鋁板：1XXX、3XXX、5XXX冷軋合金板若干；

(4)基線試樣：火油軋制油、火油基礎(chǔ)油、第一代水基液、第二代水基液、第三代水基液。

2.1.3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)載荷、滑移頻率、加熱溫度以及加注油量。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 基線試驗(yàn)1

軋制現(xiàn)場(chǎng)火油基礎(chǔ)油為不滿足軋制潤(rùn)滑需求的產(chǎn)品，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用基礎(chǔ)油復(fù)配添加劑變?yōu)榛鹩蛙堉朴陀糜谏a(chǎn)各系合金的產(chǎn)品。因此以本組樣品作為基本參比，建立基線，采集試驗(yàn)所測(cè)得摩擦系數(shù)，如表1所示。

表1 火油軋制油、火油基礎(chǔ)油摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知室溫下在1、3、5系鋁板表面，火油基礎(chǔ)油和火油軋制油的摩擦系數(shù)存在明顯差別，其差值分別為：

Δ(1070)=0.273；

Δ(3003)=0.198；

Δ(5052)=0.626。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)附著火油基礎(chǔ)油的鋁板表面，測(cè)定的摩擦系數(shù)會(huì)驟然變大，接近或超過(guò)0.3時(shí)，鋁板表面甚至出現(xiàn)劃破現(xiàn)象，而火油軋制油樣品表面保持良好，如圖2、圖3所示。

圖2基礎(chǔ)油鋁板表面劃破

圖3軋制油鋁板表面劃痕輕微

另外，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)可知，火油基礎(chǔ)油潤(rùn)滑性能根本無(wú)法滿足軋制要求，因此，在試驗(yàn)中認(rèn)為摩擦系數(shù)≤0.3時(shí)作為潤(rùn)滑臨界點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑無(wú)法滿足正常軋制。

3.2 基線試驗(yàn)2

通過(guò)基線試驗(yàn)1可以得知，火油軋制油摩擦系數(shù)滿足生產(chǎn)各類合金軋制要求，并且現(xiàn)場(chǎng)得知鋁板溫度對(duì)軋制潤(rùn)滑要求隨溫度升高而變高，火油軋制油可完全適應(yīng)軋制需求。因此，測(cè)試不同時(shí)期水基液在適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)軋制溫度條件下的潤(rùn)滑性能好壞可以以火油軋制油作為參照，如表2所示。

表2 各時(shí)期水基液和火油軋制油的潤(rùn)滑比較(室溫，頻率=AHz，加樣量=BμL，載荷=Ckg)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著溫度升高，火油軋制油潤(rùn)滑性能變差，但差異變化范圍≤0.036。水基液的配方體系從第一代調(diào)整至第三代，潤(rùn)滑劑實(shí)際濃度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果進(jìn)行調(diào)整，第三代作為最接近火油軋制油潤(rùn)滑特性的產(chǎn)品，通過(guò)往復(fù)式摩擦磨損機(jī)實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)差異變化范圍≤0.036。

3.3 重復(fù)性試驗(yàn)

以火油軋制油、二代水基液為試驗(yàn)樣品， 80 ℃時(shí)在1XXX鋁板上進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行8次，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表3所示。

表3 摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算

計(jì)算得火油軋制油在1XXX上的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.010，計(jì)算得二代水基液在1XXX70上的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0159，由此可知，同一操作者重復(fù)測(cè)得的試驗(yàn)誤差<0.02，遠(yuǎn)小于基線試驗(yàn)1中不同合金系列潤(rùn)滑破裂的最小差值，說(shuō)明此方法用于評(píng)價(jià)水基液潤(rùn)滑好壞的差異性的精確度是完全滿足現(xiàn)場(chǎng)軋制需求的。

4 相關(guān)性軋制數(shù)據(jù)采集以及分析

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用全合成水基軋制液分別軋制某系列熱軋卷和鑄軋卷時(shí)，軋機(jī)記錄的軋制力在兩合金上存在明顯區(qū)別，即鑄軋卷每一道次的軋制力在相同厚度、相同壓下率下明顯高于熱軋卷，如圖4所示。

圖4 冷軋機(jī)合金壓延道次軋制力分布

在現(xiàn)場(chǎng)軋制的基礎(chǔ)上，取現(xiàn)場(chǎng)不同時(shí)間段全合成水基軋制液，分別在鑄軋板及熱軋板冷軋軋制至一定厚度的鋁板上進(jìn)行潤(rùn)滑試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 水基潤(rùn)滑液熱軋及鑄軋板表面摩擦系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

從表4數(shù)據(jù)中可以看出，無(wú)論在室溫還是高溫下，鑄軋板表面摩擦系數(shù)明顯大于熱軋板表面，這與現(xiàn)場(chǎng)軋制過(guò)程中鑄軋卷各道次的軋制力明顯高于熱軋卷是一致的。另外，通過(guò)試驗(yàn)室模擬高溫(80 ℃)下試驗(yàn)得知在高溫下摩擦系數(shù)數(shù)值變低，也就是說(shuō)材料在高溫下對(duì)潤(rùn)滑性能的要求有所降低。因此，認(rèn)為往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)全合成水基潤(rùn)滑液潤(rùn)滑性能提供重要的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)完善了利用往復(fù)式測(cè)試系統(tǒng)中載荷、頻率、溫度、油量對(duì)鋁板表面摩擦性能測(cè)試的研究，證明利用該法測(cè)得的水基潤(rùn)滑液軋制鋁板時(shí)潤(rùn)滑性能具有較好的相關(guān)性。通過(guò)研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)本研究采用的是球面摩擦頭，因?yàn)榍蛎婺Σ令^接近于點(diǎn)摩擦，可以嵌入鋁板的表面并引起一定的變形量，能模擬軋制過(guò)程中輥縫區(qū)的情況，可以更敏感地感知材料的材質(zhì)及表面對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。

(2)本研究的結(jié)果表明，利用往復(fù)式摩擦測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試鋁板的表面摩擦性能可行，它可以從合金的類別、狀態(tài)，軋制液的狀態(tài)等方面來(lái)測(cè)試鋁板與軋輥間表面摩擦性能，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。