李 巖，孫建林，陳婧玥

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

乳化液中鐵粉對(duì)軋后硅鋼表面質(zhì)量的影響

李 巖，孫建林，陳婧玥

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

通過MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)含有鐵粉的KD-1乳化液以及新制備的相同體積濃度的KD-2乳化液進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，采用LMS-30激光衍射散射式粒度分布測(cè)定儀測(cè)量KD-1乳化液中鐵粉的粒徑，最終通過四輥冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)檢驗(yàn)乳化液中的鐵粉顆粒對(duì)軋后硅鋼表面質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：在含有鐵粉顆粒的KD-1乳化液潤(rùn)滑下，鋼球的磨斑痕跡較深、磨斑直徑較大；KD-1乳化液的平均摩擦因數(shù)為0.100 7，比KD-2乳化液高22.34%，硅鋼試樣表面磨損量也比KD-2高出35%；KD-1乳化液潤(rùn)滑下冷軋硅鋼板的軋后表面有明顯的微裂紋及犁削缺陷。在高速冷連軋生產(chǎn)過程中，乳化液中鐵粉濃度應(yīng)小于150 mgL，鐵粉粒徑應(yīng)低于3 μm，當(dāng)鐵粉含量過高時(shí)，可通過磁性過濾器或撇油方法來降低鐵粉含量。

冷軋硅鋼 摩擦磨損 乳化液 工藝潤(rùn)滑

電工鋼也被稱為硅鋼，是制造電機(jī)、變壓器和鎮(zhèn)流器鐵芯以及各種電器元件的最重要金屬功能材料，是發(fā)展電力、家用電器、電訊、國(guó)防等工業(yè)不可缺少的鐵芯材料。冷軋無取向硅鋼是用冷軋工藝生產(chǎn)的一種軟磁材料。其基板內(nèi)部的晶粒位向在各方向上是均勻分布的，理想的無取向硅鋼產(chǎn)品織構(gòu)為{100}，即在各方向上的磁性分布是均勻的[1-2]。為保證冷軋硅鋼產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，因此軋制過程中的工藝潤(rùn)滑變得越來越重要。

冷軋無取向硅鋼主要采用乳化液進(jìn)行工藝潤(rùn)滑，乳化液潤(rùn)滑作用主要體現(xiàn)在軋制過程中硅鋼和軋輥之間形成一層油膜，使得硅鋼表面和軋輥之間的潤(rùn)滑處于液體潤(rùn)滑狀態(tài)，有助于改善軋后硅鋼表面質(zhì)量，延長(zhǎng)軋輥使用壽命，降低軋機(jī)能耗等[3-6]。在軋制過程中，硅鋼表面殘留的氧化鐵皮以及軋制過程中斷裂的晶粒會(huì)被夾帶到乳化液中，這些鐵粉會(huì)導(dǎo)致變形區(qū)內(nèi)的摩擦因數(shù)發(fā)生變化，最終影響軋制工藝參數(shù)和軋后硅鋼表面質(zhì)量[7-8]。

本課題通過MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)含鐵粉乳化液進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試分析，同時(shí)結(jié)合冷軋工藝潤(rùn)滑試驗(yàn)，考察乳化液中的鐵粉含量及其粒徑大小對(duì)軋制過程中摩擦因數(shù)的影響，最終通過控制鐵粉含量及其粒徑大小來保證軋制過程中穩(wěn)定性及軋后帶鋼表面質(zhì)量。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 乳化液 KD-1乳化液：取自5機(jī)架6輥冷連軋機(jī)組，循環(huán)使用時(shí)間為半年，呈灰黑色懸濁液。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中乳化液被循環(huán)利用，因此硅鋼表面殘留的氧化鐵皮以及軋制過程中斷裂的晶粒會(huì)被夾帶到乳化液中，此外雜油及灰塵也會(huì)導(dǎo)致乳化液的顏色發(fā)生改變。KD-2乳化液：新制備的與KD-1相同體積濃度的乳化液，為乳白色液體。兩種乳化液的主要參數(shù)見表1。

表1 乳化液的主要參數(shù)

1.1.2 MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)能在一定接觸壓力下，對(duì)滾動(dòng)、滑動(dòng)或滑滾復(fù)合運(yùn)動(dòng)的摩擦形式進(jìn)行摩擦因數(shù)及磨損量的測(cè)試，具有無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，可在極低速或高速條件下，模擬硅鋼在冷軋潤(rùn)滑條件下的摩擦及磨損。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 四球機(jī)摩擦學(xué)性能試驗(yàn) 在MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，采用GBT 12583—1998方法，評(píng)價(jià)KD-1和KD-2乳化液的最大無卡咬負(fù)荷PB。在載荷為392 N、轉(zhuǎn)速為1 200 rmin的條件下，進(jìn)行60 min的長(zhǎng)磨試驗(yàn)，確定摩擦因數(shù)，用于比較乳化液的摩擦學(xué)性能[9-10]。在軋制過程中油膜強(qiáng)度和摩擦因數(shù)不僅可反映乳化液在一定工況下的承載能力和減摩防黏效果，而且可反映吸附膜的特性。本試驗(yàn)中所采用鋼球?yàn)樯虾ｄ撉驈S生產(chǎn)的一級(jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，硬度為HRC 61～65，直徑為12.7 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦學(xué)性能測(cè)試

圖1 不同乳化液潤(rùn)滑下鋼球表面的磨斑形貌

由圖1可知：在KD-1乳化液潤(rùn)滑下，磨斑的磨痕較深，磨斑直徑較大，磨斑邊緣不規(guī)整，出現(xiàn)了許多鋸齒狀劃痕；在KD-2乳化液潤(rùn)滑下，磨斑的磨痕均勻平整，磨斑直徑較小，磨斑形貌規(guī)整；KD-2乳化液的潤(rùn)滑穩(wěn)定性比KD-1乳化液好。

圖2 不同乳化液潤(rùn)滑下鋼球表面的磨斑三維形貌

由圖2可知：在KD-1乳化液潤(rùn)滑下，磨斑表面起伏明顯，有明顯犁削劃傷痕跡，磨斑邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀，這是由于乳化液中存在鐵粉顆粒，且鐵粉粒徑大小不一，較大粒徑的鐵粉在高速摩擦過程中不僅造成鋼球表面犁削劃傷，而且影響乳化液的成膜能力，造成乳化液潤(rùn)滑穩(wěn)定性變差；在KD-2乳化液潤(rùn)滑下，磨痕均勻平整，無明顯犁削劃傷缺陷。說明乳化液中鐵粉含量及粒徑分布對(duì)乳化液潤(rùn)滑穩(wěn)定性有較大影響。

2.2 乳化液中鐵粉粒度分析

在高速冷軋硅鋼過程中，由于軋制環(huán)境較為復(fù)雜，硅鋼在軋制變形區(qū)內(nèi)進(jìn)行塑性變形時(shí)，會(huì)造成大量鐵粉脫落，并被夾帶進(jìn)入到潤(rùn)滑系統(tǒng)中造成乳化液污染。此外，乳化液在循環(huán)使用過程中灰塵等雜質(zhì)也會(huì)混入其中[11-14]。采用LMS-30激光衍射散射式粒度分布測(cè)定儀對(duì)KD-1乳化液中鐵粉顆粒的大小及分布情況進(jìn)行定量分析，結(jié)果見圖3。由圖3可知，KD-1乳化液中鐵粉顆粒的最小粒徑為0.36 μm，最大粒徑為5.97 μm，乳化液中鐵粉的粒度分布近似于正態(tài)分布，乳化液樣品中有10%的顆粒直徑在1.09 μm以下，峰值出現(xiàn)在1.53～2.55 μm，其平均粒徑為2.028 μm，鐵粉濃度為300.5 mgL。當(dāng)KD-1乳化液的鐵粉含量過高時(shí)，較大粒徑鐵粉容易在軋制變形區(qū)內(nèi)與新生帶鋼表面發(fā)生劃傷，此外鐵粉顆粒還使摩擦副之間很難形成完整的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致乳化液的潤(rùn)滑性能變差。

圖3 KD-1乳化液中鐵粉顆粒的粒徑分布

2.3 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)在MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用盤-盤摩擦副形式，主軸轉(zhuǎn)速為300 rmin，接觸壓力選擇200 N，摩擦副材料選用45號(hào)鋼為基座，上面通過黏合劑粘貼厚度為2.6 mm的無取向硅鋼片。摩擦因數(shù)根據(jù)傳感器檢測(cè)的摩擦力矩和施加的試驗(yàn)力獲得，即：

(1)

式中：M為摩擦力矩，N·mm；R為摩擦半徑，mm；F為施加在盤試樣上的軸向力，N。

材料的耐磨性采用磨損率來表示，通過測(cè)量盤試樣摩擦前后的質(zhì)量損失，按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：ΔW為磨損質(zhì)量損失，mg；F為施加在盤試樣上的軸向力，N；l為磨損行程，m；ρ為材料的密度，gmm3。

通過立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量硅鋼試樣在不同潤(rùn)滑介質(zhì)中的摩擦磨損，研究在相同載荷條件下摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)，分析鐵粉顆粒對(duì)乳化液潤(rùn)滑性及穩(wěn)定性的影響。圖4為在相同載荷下，不同乳化液的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)。由圖4可知：KD-1乳化液的摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍較大，平均摩擦因數(shù)較大，為0.100 7；KD-2乳化液的平均摩擦因數(shù)為0.078 2，比KD-1的摩擦因數(shù)降低了22.34%。造成KD-1摩擦因數(shù)波動(dòng)大的原因是乳化液中的鐵粉顆粒，鐵粉顆粒的混入不僅降低了乳化液的成膜能力，而且在載荷的作用下容易對(duì)軋件表面造成犁削劃傷。采用式(2)對(duì)試樣磨損量進(jìn)行計(jì)算可知，在相同載荷條件下，與KD-2乳化液相比，KD-1乳化液潤(rùn)滑下試樣的磨損量增加了35%。

圖4 乳化液KD-1和KD-2的摩擦因數(shù)變化曲線

2.4 軋制潤(rùn)滑試驗(yàn)

為了驗(yàn)證立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試結(jié)果，采用Φ170 mmΦ400 mm×600 mm四輥冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)，對(duì)乳化液進(jìn)行冷軋工藝潤(rùn)滑試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。由圖5可知：對(duì)于KD-1乳化液潤(rùn)滑下的冷軋硅鋼板，由于KD-1乳化液中含有鐵粉，導(dǎo)致其軋后表面有明顯的微裂紋及犁削劃傷，微裂紋主要是由于乳化液的潤(rùn)滑性能不佳所致，而犁削劃傷則是乳化液中粒徑較大的鐵粉顆粒在載荷作用下與硅鋼表面直接接觸所致；對(duì)于KD-2乳化液潤(rùn)滑下的冷軋硅鋼板，其軋制紋理清晰、劃痕較少，沒有發(fā)現(xiàn)微裂紋或犁削缺陷。

圖5 不同潤(rùn)滑條件下無取向硅鋼軋后表面形貌

乳化液中的鐵粉顆粒在軋制過程中對(duì)摩擦因數(shù)及軋后帶鋼表面質(zhì)量的影響程度主要受其含量及粒徑分布的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)回歸得出，在高速冷軋無取向硅鋼時(shí)乳化液中的鐵粉濃度不宜超過150 mgL，當(dāng)鐵粉含量過高時(shí)容易發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng)，使鐵粉顆粒的平均粒徑變大，而粒徑變大后的鐵粉顆粒會(huì)影響到乳化液的成膜能力，進(jìn)而導(dǎo)致其在軋制過程中對(duì)新生帶鋼表面產(chǎn)生犁削劃傷。此外，乳化液中鐵粉含量過高時(shí)，易造成帶鋼表面出現(xiàn)含鐵油層或使乳化液變黑，影響潤(rùn)滑性能，最終在軋后退火過程中產(chǎn)生黑斑缺陷。當(dāng)鐵粉濃度超過150 mgL時(shí)，可通過磁性過濾器或撇油方法來降低鐵粉含量。此外，從鐵粉粒徑分布可知，粒徑在1.53～2.55 μm范圍內(nèi)時(shí)其對(duì)摩擦因數(shù)的影響并不大，但當(dāng)鐵粉粒徑超過3 μm時(shí)，在軋制過程中不僅容易在新生帶鋼表面產(chǎn)生劃傷缺陷，而且還會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜的連續(xù)性，造成軋后帶鋼表面質(zhì)量變差。

3 結(jié) 論

(1) 高速冷連軋無取向硅鋼時(shí)，乳化液中的鐵粉濃度應(yīng)控制在150 mgL以下，對(duì)影響潤(rùn)滑穩(wěn)定性的鐵粉含量及其粒徑分布等參數(shù)的波動(dòng)要進(jìn)行快速調(diào)整，必要時(shí)可以通過磁性過濾器或撇油方法來降低鐵粉含量。

(2) 當(dāng)鐵粉粒徑在1.53～2.55 μm范圍內(nèi)時(shí)，其對(duì)軋制摩擦因數(shù)影響并不大，但當(dāng)鐵粉粒徑超過3 μm時(shí)，會(huì)對(duì)軋制摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大影響，使?jié)櫥€(wěn)定性變差，因此高速冷連軋無取向硅鋼時(shí)要保證乳化液中鐵粉粒徑不超過3 μm。

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INFLUENCE OF IRON PARTICLES IN EMULSION ON WEAR OF COLD-ROLLED SILICON STEEL SURFACE

Li Yan， Sun Jianlin， Chen Jingyue

(SchoolofMaterialScienceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083)

The tribological performance of emulsions with or without iron powder was tested by MRS-10A four-ball friction and wear testing machine and MM-W1A vertical universal friction-wear testing machine. The LMS-30 laser diffraction and scattering particle detection technology was applied in analyzing iron particle size in emulsions. The lubricating properties of the emulsions were conducted on a 4-high cold-rolling mill. The results show that the traces of steel ball grinding spot are deeper with a larger diameter using KD-1 emulsion containing iron powder. The average friction factor of KD-1 emulsion is 0.100 7， 22.34% higher than that of KD-2 emulsion. The wear loss of the silicon steel surface is 35% higher than KD-2 emulsion. Obvious abrasion wear and plough wear on the silicon steel surface with the KD-1 emulsion are observed. The experimental results indicate that the content of iron powder in emulsion should be less than 150 μgg with the particle size less than 3 μm in the high speed cold-rolled process. In addition， the content of iron can be reduced by magnetic filter or skimmers.

cold-rolled silicon steel； friction and wear； emulsion； process lubrication

2014-08-15； 修改稿收到日期： 2014-10-15。

李巖，在讀博士研究生，主要從事冷軋板帶鋼新技術(shù)研究、金屬軋制過程中的摩擦磨損與工藝潤(rùn)滑研究工作。

孫建林，E-mail：sjl@ustb.ebu.cn。