（机械设计及理论专业论文）快速铸轧工作界面隔离剂对粘着和冷却能力的影响研究.pdf

摘要 铝合金超薄快速铸轧技术，因其生产工艺流程短、产品质量优良 成为金属板带坯生产的一种主要技术。粘辊在快速铸轧中十分常见， 而其对产品质量有不良影响，严重时甚至危及铸轧生产的连续性。因 此减少粘辊的发生，对持续稳定地生产高质量的板材有极其重要的意 义。国内外已对快速铸轧中粘辊等现象做了一些研究工作，但关于隔 离剂对冷却能力和粘辊的影响均缺乏深层次的研究。本文既是针对这 一问题展开的。 本文从微观机理上，利用可肯达尔效应建立的扩散模型对铝铜、 铝钢之间的扩散系数进行了估算，获得了新型铸轧辊更易粘辊的合理 解释。得出必须喷涂隔离剂来防止粘辊的发生。而对选择石墨溶液作 为隔离剂的原因也从理论高度进行了解释说明。隔离剂对轧辊与轧件 之间的导热能力有较大影响。本文在第二章中讨论了隔离剂喷涂量对 冷却能力的影响。得出随着喷涂量的增加，接触热导先升高后下降。 由m t 接触热导分形网络模型和r o s s 与m i k i c 的模型的理论建立 了一个含隔离剂的接触热导计算模型，从理论上解释了喷涂量对接触 热阻的影响规律。为了保证不粘辊的情况下获得更好的导热能力，本 文利用复合材料面内剪切强度计算模型及接触热导模型得出了粘着 与接触热导之间的关系，从而判断出此时的导热能力是否良好，提出 解决方案。 关键词：隔离剂接触热阻粘辊 a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s t r o l l i n go fa l u m i n u ma l l o y , b e c a u s eo ft h es h o r tl i n e o fp r o d u c t i o na n dt h eg o o dq u a l i t y , b e c o m ea ni m p o r t a n tt e c h n i q u eo f p r o d u c t i o no fp l a t ea n ds t r i p r o uc o a t i n gi sv e r yc o m m o n , a n dw i l lb ea b a de f f e c to nq u a l i t y i fi t i ss e r i o u s t h ep r o d u c ew i l l s t o p s o i ti s i m p o r t a n tt or e d u c er o l lc o a t i n g b o t hh e r ea n da b r o a d af e ws c h o l a r sd o s o m er e s e a r c ho nc o n t i n u o u sc a s t - r o l l i n go fa l u m i n u ma l l o y , s u c ha sr o l l c o a t i n g b u tt h er e l a t i o nb e t w e e nc o o l i n gc a p a c i t ya n dr o l lc o a t i n gh a s n o ts t u d i e di n - d e p t h f r o mt h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s m , lc a l c u l a t et h ed i f f u s i v i t yb e t w e e n c o p p e ra n da l u m i n u m ，a n dt h ed i f f u s i v i t yb e t w e e ns t e e la n da l u m i n u m , t h e n 西v et h er e a s o no fw h yt h ec o p p e rr o l l e ri sm u c he a s i e rt oa d h e r e t h a nt h es t e e lr o l l e r ，l l e nw eu s ec o p p e ra sr o l l e r , w em u s tu s en e u t r a l m e d i u mt o s t o pa d h e r i n g 1 1 1 eo b j e c tm a r e ri ss o m es t u d yo nt h e i n f l u e n c eo fn e u t r a lm e d i u mt ot h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ic h a n g et h e i n g r e d i e n t so fl i q u o ro rt h ed e n s i t yo fl i q u o r ，a n d 如s a m er e s e a r c ho nt h e c h a n g eo f t h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e o nt h eb a s eo f m - tm o d e la n dr - m m o d e l ，ip r o p o s eam o d e lo ft h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e iu s et h e i n t e r f a c i a ls h e e r i n gf o r c em o d e lo fc o m p o s i t em a t e r i a lt oj u d g ew h e t h e r t h es t r i pa d h e r e st ot h er o l l e rv i at h es h e e r i n gf o r c eo f v a l u e t h e nw ec a l l k n o wt h ec o o l i n gc a p a c i t yi sg o o do rn o ta tt h em o m e n t k e y w o r d s ：n e u t r a lm e d i u m ，t h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ，r o l lc o a t i n g 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 我国是铝材生产和消费大国，2 0 0 2 年铝材消耗已增至2 3 0 万吨年。2 0 0 3 年 底，我国已有铝及铝合金铸轧机1 2 3 台，总产能力达到9 0 万吨年。其中从国外 引进铸轧机1 2 台，2 0 0 4 年全国新增铝铸轧生产线2 5 条，产能2 l 万吨年；新 增四辊冷轧生产线3 0 条，合计产能4 9 万吨l 在建热轧生产线l l 条，冷轧生产 线2 8 条2 0 0 5 年j 我国铝加工材和铝型材产量将分别达到3 7 0 一4 0 0 万吨和1 9 0 2 2 0 万吨，市场对铝材的需求还在迅速增长铝合金快速铸轧技 术以其投入少( 相同产量的生产线建设投入仅为单机架热轧的1 2 0 ) 、建设快而 获得更多的发展机会。与国外相比我国快速铸轧面临的主要难题有；l 成分偏析 组织不均匀各向异性严重，产品的应用受到限制；2 可铸轧合金品种少i3 粘辊 现象严重。这些都是衡量快速铸轧水平的关键技术。 在铝合金超薄快速铸轧中，新型铸轧辊材料为铍青铜，与以往的钢辊相比， 铸轧辊的导热能力得到了提高，但由于与铝合金互溶性很好，粘辊现象较以i ；茸更 容易发生了粘辊对铝材表面质量造成一定影响，在超薄快速铸轧中，对铝材质 量的影响将不可忽略，严重粘辊时甚至会中断生产。为了解决粘辊问题，国内外 均采用喷涂石墨胶体溶液的方法来防止粘辊的发生，但石墨覆盖层过厚，会增加 接触热导，降低轧辊的导热能力；石墨层过薄，无法起到防止粘辊的作用。本文 即是针对这一实际问题展开的，可为实际生产提供一个理论参考 本课题来源于国家“九五”攻关项目：铝及铝合金铸轧技术与设备 1 2 快速铸轧的发展 在铝材板带坯加工行业中，连续铸轧成型技术以其独特的优势，发展成为铝 材板带坯的主要生产加工方式，目前已占生产总量的2 0 左右随着国民经济 的飞速发展，军工和民用都对铝材板带坯的性能质量和品种规格提出了更多和更 高的要求。因此，深入开展铝材快速铸轧成型技术的理论探索和机理研究，具有 十分重要的意义。 1 2 1 国外研究概况 快速铸轧的发展始于1 8 4 6 年，英国人亨利贝西默【1 1 首先提出了双辊铸轧材 硕七学位论文 第一章绪论 料成型方法的设想，即从两旋转辊上方倾倒金属液，从两辊下方得到金属铸坯的 方法，但由于当时技术条件的限制，这种设想未能获得成功。5 0 年代时美国亨 特一道格拉斯公司首先研制出了倾斜式双辊铝带材连铸机并投入生产运行，随 后，法国彼希涅公司研制的3 c 水平式双辊铸轧机也获得成功，从那时以来，铝 带坯双辊连续铸轧技术和设备得到了迅速的发展1 2 - ”。据f r i s h c h k n e c h t 和 m a l i w a i l d 统计现在世界上约有2 0 的铝轧材的坯料由双辊连续铸轧法生产，大 约有1 7 0 多台双辊铸轧机在工业生产中应用，其中约6 0 是在北美和欧洲。 在7 0 年代以前，铸轧机多为标准形，铸轧辊直径为m 6 0 0 一7 0 0 咖，铸轧带 坯的厚度为7 m 左右，铸轧速度小于1 5 m m i n 。8 0 年代以后出现了超型铸轧机， 铸轧速度3 m m i n 左右，铸轧合金已由纯铝扩大到3 0 0 0 系列、5 0 0 0 系列软合金。 9 0 年代初出现了改进型的超型铸轧机，铸轧出的带坯厚度为3 m ，铸轧速度 5 m m i n 。由于铸轧带坯尺寸薄和铸轧速度快能进一步发挥快速凝固的特点，使铸 轧带坯的晶粒细化，从而获得更好的带坯质量，使这一生产方式为人类带来更大 的效益。从9 0 年代以来，国际上开展了对超薄快凝铸轧技术的研究i ”1 ，主要 有意大利的法塔一亨特( f a t a h u n t e r ) 公司、法国的彼希涅公司、英国的戴维 ( d a v y ) 公司以及挪威的海德洛( h y d r o ) 公司，他们共同的做法是先在研究开 发中心与大学合作进行小型试验，取得一定成果和经验后，进行中型和大型工业 试验，英国d a v y 公司和牛津大学合作，于1 9 9 t 年推出了第一台快速超薄铝带坯 铸轧试验机。1 9 9 6 年以来，意大利f a t a - - h u n t e r 公司、英国d a v y 公司以及法 国p e c h i n e y 公司都相继研制出快速超薄铸轧的工业样机，能铸轧出l m 厚的铸 带坯，铸轧速度达1 5 m m i n ，应该说这是铸轧技术中的又一次飞跃。但总体来说 都还处在工业实验阶段 1 0 - 1 4 i 。目i i ，世界上已有3 条高速薄带坯生产线投入商 业生产，最具代表性的新一代铝合金带坯的双辊超薄快速连续铸轧机组( s p e e d c a s t e r ) 铸轧宽度2 1 8 4 m ，铸轧速度3 8 m m i n ，带坯最薄厚度0 6 3 5 哪，带坯最 大卷重1 9 t ，生产率6 5 t h t ”l 。 1 2 2 国内研究概况 我国铝带坯连续铸轧技术研究开发工作始于2 0 世纪6 0 年代【l ”，1 9 6 4 年初 进行了双辊下注式铝带坯连续铸轧模拟实验，并于同年铸轧出厚1 0 m ，宽2 5 0 舢 和4 0 0 m 的铝板，1 9 6 5 年铸轧出宽7 0 0 硼的铝带坯，1 9 7 1 年由东北轻合金加工 厂研制成我国第一台8 0 0 m 水平式下注式双辊铸轧机，1 9 7 5 年，用铝带坯生产 的冷轧板基本上满足了一般深冲制品和箔材毛料的性能要求1 9 7 9 年由华北铝 加工厂研制成6 5 0 咖1 3 0 0 m m 我国第一台亨特式倾斜铸轧机，并于1 9 8 1 年和 1 9 8 3 年相继研制成6 5 0 m 1 6 0 0 m m 和9 8 0 m m 1 6 0 0 咖铸轧机，并通过部级鉴 定，这标志着我国铸轧技术进入成熟阶段。1 9 8 4 年中日诼神有色金属加工专用 2 堡主兰笪堡窒。蔓二童丝堡 设备有限公司成立，并于1 9 9 3 年诼神公司为其母公司华北铝业有限公司试制成 功我国第一台超型铸轧机至此国产铸轧机发展成为具有标准型和超型这两种 机型，而且铸轧机逐步实现标准化、系列化就整体水平来看，中国铝带坯双辊 式连续铸轧技术与工业发达国家相比，还存在较大差距，尤其是在自动化控制技 术方面的差距更大一些。截至1 9 9 6 年底i ”l ，中国共有双辊式连续铸轧机5 0 台， 其中从法塔一亨特公司引进5 台，法国彼希涅公司的3 c 型铸轧机4 台，从英国 戴维国际公司引进一台，设计总生产能力4 5 5 k t a ，高于世界平均水平。我国双 辊式连续铸轧带坯的生产能力仅仅次于美国。在钟掘院士带领下的“铝及铝合金 铸轧新技术及设备研制开发”作为国家计委的重大科研项目于1 9 9 9 年初启动， 经过以钟掘为首的科研课题组一年多的攻关，于2 0 0 0 年7 月在实验机上以 - 1 3 2 m m i n 的铸轧速度铸轧出厚度为2 m 的铸坯，并开发了铜基合金铍青铜新型 辊套材料、具有在线布流控制技术的新型铸咀、新型复合外冷润滑技术等一系列 相关的新技术、新装置、新材料l ”l ，这些都标志着我国在快速超薄铸轧技术领 域已经达到世界领先水平，填补了国内空白。2 0 0 1 年5 月，涿神公司与中南大 学等合作研制开发的第四代铸轧机薄带坯高速铸轧机的首台原型机在华北 铝业有限公司投入试生产1 1 ”。2 0 0 3 年，我国已有铝及铝合金铸轧机1 2 3 台，板 带总生产能力达到9 0 万吨年，其中从国外引进的双辊式连续铸轧机1 2 台，总 生产能达到1 4 2 万吨年。 1 3 快速铸轧中粘辊研究的发展概况 1 3 1 国外发展概况 国内外大多数铸轧生产线均采用向铸轧辊面喷涂一层胶体石墨作为隔离剂 来保证铸轧辊与板顺利分离，提高板面光洁度。 早在1 9 8 3 年发表的英国专利申请g b 2 ，1 1 9 ，2 9 4 中描述了一种防止粘结的 方法，是把铸轧区置于氧化性气氛中来。论文中提到还可以通过添加一种其它合 金元素到铝合金中的方法来防止粘结。 在r c o o k 等人的双辊铸造中归纳概括了几种粘辊的解决方案。( 1 ) 改善喷 涂系统，使得润滑剂均匀铺开。( 2 ) 选择合适的铸轧辊轴线的角度，这样可以保 证板材的速度始终比轧辊的速度大，粘着将不会发生。( 3 ) 化学方法。即在金属 中添加适量的合金元素。( 4 ) 铸轧速度的改变。在铸轧4 - - 6 r a m 厚度的板材时， 可以通过逐步降低速度直至粘着现象的消失来解决。( 5 ) 单辊驱动，此时另一个 辊由板材驱动，这个辊的速度就会低于板材的速度，实验证明该辊不会发生粘辊 现象，但通过外界驱动的那个轧辊的粘辊现象并没有得到改善。 堡堂堡垒壅 ，簦二童丝丝 1 3 2 国内发展概况 谷吉存和谷兰成在连铸机铸轧辊粘铝的成因及对策中探讨了粘辊的倾向性、 粘辊的特点和成因，他们认为轧辊粘铝主要是因为铝本身的粘附特性再加上局部 温度过高而引起的1 2 “。 王爱民在铸轧生产中的粘辊现象研究中论述了粘辊产生的原因，并设计出预 防粘辊发生的电器控制线路f 2 ”。 倪时城在铸轧铝合金粘辊形成机理与较少粘辊的措旌中提出粘辊是由于在 铝液表面的氧化铝过于疏松造成的，并提出可以通过使用清辊器、石墨喷涂、降 低速度或使用大直径的铸轧辊来减小粘辊的可能性1 2 3 | 。 何慧刚圳在自制棒式清辊器在连续铸轧生产过程中的应用中提出采用帆布 作为清辊材料，合理的安装清辊器，对新辊采用钝化处理或选择合适的清辊器压 力是简便易行、威本低廉的有效的消除粘辊的) 猫如 王成国嘲在浅析双启动铸轧机轧件粘辊时丙辊传动力矩的分配与控制中计 算了正常轧制和粘辊时两辊的传动力矩。通过力矩的不同来判断是否发生粘辊并 进行预防。 朱庆明1 2 6 1 在平整机防粘结机构的探讨中从理论上分析了防枯辊装置的工作 原理，并认为平整机可以降低粘结的发生率。 但是无论是国外还是国内的研究中，都没有对粘辊的防止措施喷涂隔离 剂对接触热导和粘辊之间的关系给出一个定性定量的分析。对于喷涂隔离剂防止 粘辊的措施中，涉及到接触热导，热导与粘辊是相互关联的。隔离剂喷涂量过多， 将会导致接触热导下降，冷却能力下降，过少则无法起到防止粘辊的作用。因此 隔离剂喷涂量的研究对实际生产是非常有必要的。 1 4 本文的研究内容及意义 评价铝合金超薄快速铸轧技术的优劣在于铸轧速度的大小，随着铸轧速度的 提高，对铸轧辊的冷却强度的要求也相应提高。为进一步改善铸轧辊的导热能力， 我校用铍青铜铸轧辊代替以前的钢辊，但新型轧辊与轧件之间固溶度高，更易发 生粘辊。发生粘辊后，轻则影响表面质量，蕈则使得生产中断。为了解决这一问 题，国内外进行了大量的研究工作，普遍认为在轧辊表面涂抹隔离剂是有效解决 这一问题的最佳方法。但隔离剂的添加会影响铸轧和轧件之间的导热能力。大多 数人认为隔离剂的喷涂量越多，接触热导越大，轧辊和轧件之间的导热能力越差。 但隔离剂量过小，又无法起到防止粘辊的作用。这两者是相互关联的，对超薄快 速铸轧技术有着重大影响。但在国内外几乎没有文献对此进行深入的研究。本文 4 硕十学位论文 第一章绪论 针对这个问题是如下展开的： l 、从微观机理上对镀青铜比钢辊更易粘辊做出合理的解释。能对提出的解 决方案给出合理的解释。 2 、隔离剂对轧辊和轧件之间的导热能力的影响。为估计隔离剂不同喷涂量 的情况下的导热能力提供一个对比参考。 3 、寻找接触热导与粘着程度之间的关系。最终获得合适的喷涂量，即保证 不粘辊的同时又有较好的导热能力。 硕士学位论文 第二章隔离荆对接触热导的影响研究 第二章粘着机理分析及对策 采用铍青铜铸轧辊后，在铝合金快速铸轧过程中发现，更容易发生粘辊。本 章从微观角度上建立了两种固体之间的扩散系数的计算公式，对粘辊现象给出了 一个合理的解释，以期采用相应的对策。 2 1 粘着产生的条件 在连续铸轧的轧制区，与轧辊接触的是已经结晶的铝壳，在一定程度1 - 可以 认为是固固接触。当金属表面相互压紧时，由于表面从微观上来看总是粗糙的， 在载荷作用下，最先接触的是第一个表面的微凸体和对应的第二个表面微凸体高 度两者之和为最大的部位。随着载荷的增加，其它较高的成对的微凸体也相应地 逐渐发生接触。每一对微凸体进入接触时，开始是弹性变形，然后，当载荷超过 某一临界值时，则发生塑性变形。微凸体发生了变形，才能产生运动，而运动过 程中的摩擦系数可表示为“= t 。p ，其中t 。是平均摩擦剪切应力，p 为正压力。 摩擦系数不变时，正压力p 的增加使得f ，也呈线性增加。当pp 乘积达到工件的 屈服强度时( 或剪切强度k 时) 就在工件内部发生剪切变形，而界面没有运动。 这时就发生了粘着摩擦。粘着的条件是tt = up k 1 2 ” 2 2 界面性质对粘着的影响 表面就是金属晶体与周围介质的界面。表面原子的配位数少， 表面原子少了在表面上层原子对它的约束，这就使得表面原子处于高能状态。由 于表面原子受力的不对称性，表面原子的结构与晶体内部原子的结构发生偏差， 表面整个完整的周期性受到破坏。而且，晶体表面具有表面能和表面张力，容易 吸附外来原子，也容易被外来介质腐蚀。 再者，在表面层以下，存在着一层不断运动着的自由电子云这种自由电子 不断从金属中逸出，又重新回到金属中去。由于存在这个过程，金属表面将被一 种偶电层( 负极是电子云，正极是逸出自由电子后的金属) 覆盖着。温度越高自 由电子越容易挣脱金属离子，而固体金属材料之间的粘着根据齐曼提出的“胶 体模型”，金属里的自由电子云类似于粘着液，能够使两个金属表面上靠得很近 6 硕士学位论文第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 的正离子结合起来，形成金属键，粘着的强度基本上取决于界面上的自由电子密 度i ”。 在铝合金的快速铸轧中，存在着很大的温度梯度，热量是通过电子的运动来 进行传递的。电子的运动方向与温度梯度的方向一致，故界面处有较多的自由电 子粘着强度较大。 当改用铍青铜时，由于它的导热能力比钢的高，因此它的温度梯度更大。自 由电子也更多，粘着强度也更大些。 2 3 外界条件对粘着的影响 2 3 1 载荷对粘着的影响 铝合金快速铸轧是大载荷下的大塑性变形，由于实际接触面积很小，微凸体 的顶峰受到很大的压应力，当达到了流动压力时，就发生塑性变形。当表面洁净 时，两固体表面上的粒子随着距离的缩短，将先后出现物理键与化学键，当两个 表面的距离在l n m 以下时，各种形式的短程力就会起作用。粘着就是短程力作用 的结果。由于这种界面闻吸引力的作用，当两个表面相互接近到原子作用力半径 以内时，就会形成金属键，使界面消失。 铝合金的铸轧时既有法向载荷又有切向应力，表面的微凸体更容易发生弹性 和塑性变形，枯着点的个数和紧密接触面积也更大一些。实验表明，室温时将两 试样洁净并加以载荷，便会形成接点，这种接点一般只要用四分之原载荷的力 就可以将他们分开。但若两试样间发生相互滑动时，情况就不一样了。如果两试 样在法向载荷和切向载荷的共同作用下，然后将两载荷都卸去，则此时破坏接点 所需的力将显著增大了，同时破坏表面的显微照相也表明，接点间的接触蕊积也 增大了。在生产中，新的铸轧辊由于机加工而造成的表面粗糙，使得开始接触时 表面的接触面积较小。在磨合阶段，由于相对运动使得表面被磨得平滑，软金属 表面发生塑性流动，真实接触面积增大，破坏接点所需的力将会增大，从而更容 易发生粘辊【”。 2 3 2 温度对粘着的影响 在相对运动的过程中，特别在局部微区中所产生的热量，可使得温度达到极 高的数值。当摩擦表面温度升高到一定值后，金属将会发生一系列的化学变化和 物理变化。例如，表面膜破坏，表面发生强烈的氧化，表面发生相变、硬化或软 化，甚至于熔化等等。相对运动的两表面的温度对粘着的影响主要通过三个方面： ( 1 ) 摩擦副材料的性能 金属的硬度通常与温度有关，温度越高则硬度越低，由于微凸体间发生粘着 7 硕士学位论文第二章粘着机理分析及隔离荆的选择 的可能性随着硬度的降低而增加，因此在无其它影响时，粘着将随着温度的升高 而增加。随着铸轧生产时间的推移，铸轧辊面的温度将相对于刚开始生产时要高 的多，一旦冷却能力下降，温度会更高，尤其是当局部导热能力低的地方温度更 高，铝还呈现液态，这将十分容易发生粘辊 ( 2 ) 表面沾染膜形成 大多数金属在普通大气中，都覆盖上一层氧化膜。氧化膜确切的厚度和形成 都取决于温度。 另外，不同的金属产生强烈粘着的温度也不同。为了说明这一现象，有关人 士对此进行了研究。因为室温下粘着受卸载时间的影响较小，在实验中为了排除 粘着和卸载时间的影响，采用室温下卸载的办法。即在某一规定温度下，将试样 表面加载至一定时间，然后冷却到室温，测其粘着力。如铂在2 0 r a i n 固定的加载 时间下，当加热温度超过6 5 0 1 2 时，粘着将迅速增加其它金属也表现出类似的 现象而且出现强烈粘着的温度t ，决定于金属本身的熔点表2 l 为彻底净化 金属发生强烈粘着的开始温度，t i 与金属的再结晶温度相当。( t l 为熔点，t i 为发 生强烈粘着的温度) 表2 - 1 在彻底净化的金属间开始发生强烈粘着的温度 金属l ( )t i ( )l 铂 8 8 02 0 4 60 4 4 金 5 2 01 3 1 5o 4 0 银4 8 01 2 3 3o 4 0 铝 3 0 0印0o 5 0 综上所述，铝合金铸轧过程中不可避免地会发生粘辊。但在新一代铸轧辊中， 如不采取任何措施的情况下，更易发生粘辊。 2 4 两种固体之间扩散系数的计算 在众多文章中均提到材料的配对对粘着有很大的影响。也有文章提到材料本 身的点阵形式对粘着有影响。本节将从微观角度，即材料本身的点阵形式来分析 不同材料配对的扩散系数。 金属的塑性变形产生于晶体滑移，即重叠原子平面的剪切。滑移是各相异性 的，滑移的方向总是沿着原子密排的方向，滑移面也是在金属原子最多的面上。 面心它方结构有1 2 个滑移系，而密排六方结构只有三个滑移系。因此面心立方 8 硕士学位论文 第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 更易发生粘着。如文献可知，在所有条件下，面心立方点阵的粘着系数大于 其它点阵的粘着系数。如图2 - 1 所示： 6 n ，l t 图2 - i 晶体结构对粘着系数的影响 2 4 1 轧辊与轧件之间的扩散机制 扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。 在固态晶体中，原子占据一定的平衡位置( 忽略其热振动) 。它们通过跳动 从一个平衡位置移到另一个位置。 ( 1 ) 、交换机制 交换机制包括直接交换机制和环形交换机制。直接交换机制是指两相邻原子 直接交换位置。这种机制不太可能在密堆结构中实现。环形交换机制要求原子集 体作有规则运动。 ( 2 ) 、点缺陷机制 晶体在平衡状态其内部常具有多种类型点缺陷，如间隙原子、空位等。晶体 中存在这种缺陷就使原子跳动时不出现太大的点阵畸变。点缺陷机制包括间隙机 制和空位机制。 1 、问隙机制 原子从一问隙位置移动到另- - n 隙位置，通常是小尺寸的溶质原子，如h 、 c 、n 、o 等。 间隙原子将其相邻阵点上的原子推入另一间隙位置，而自己却占据这一阵点 位置，或反之。在密排结构的金属和合金中，在热平衡状态下，形成自间隙的形 成能很大，因此，这种缺陷的浓度很低，可以完全不计。 2 、空位机制 在金属和合金中，在接近熔点时，空位浓度大约是1 0 。3 一1 0 。数量级。宅位 的存在使得原子很容易移动。在很多情况下，扩散是通过这种机制进行的。 晶体中除单空位外，还具有双空位、三空位等空位集团。都能对扩散做贡献。 9 ， t l 硕士学位论文第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 双空位与单空位的浓度通常随着温度的升高而增加，从而双空位对扩散所起的作 用也增加。 3 、混合机制 即扩散是按几种不同的扩散机制进行的。 从以上的叙述中可以知道，铜、铁和铝的扩散均属于空位扩散铜、铝与石 墨之间的扩散则属于间隙扩散。 2 4 2 两种固体之间扩散系数的计算模型研究 该实验是由两种纯金属样品在高温条件下，经过足够长的时间来测定扩散系 数的。我们将利用该原理来求解在不同配对金属的扩散系数。 设两个半无限大扩散偶由纯金属样品a 和b 组成，其分界面( 也称为克肯 达尔面) 上有记号，选择和样品末端表面相联系的不动坐标系，以平行于扩散流 的方向为x 轴，样品的原始分界面即标记位于工= j 处，若a 、b 两种原子的扩 散速度是不相等的，假设a 原子的扩散系数小于b 原予的扩散系数，则a 原子 从样品a 进入样品b 中的原子数，小于b 原予从b 样品进入a 中的原子数。于 是，标记左边的体积将会增加，即在样品a 中增加新原子平面，其上分布着增 加的原子数。如果在样品b 中，保持无缺陷的晶格( 所有结点均有原子) 则它 因为丧失原子应当收缩，则造成扩散区中晶格的移动，移动的方向是朝向富有扩 散较快的b 的区域。晶面移动的速度v 是与分界面上标记移动的速度一样的例。 若以一、分别表示x = x 处a 、b 组元的原子密度，即单位体积中的原子 数，则在单位时间内通过垂直于x 轴，在x 处单位面积的a 原子扩散流为a 原子 相对于晶格的扩散流量一d a 挈和由于晶格的整体移动，单位时间内通过x 面的 原子一j - y 之和。 ( j a ) x d a 鲁扣一v ( 2 - 1 ) 通过工+ 出处的a 原子扩散流为 u 3 x 。k = j lj r d j a =一见挚+一v+昙(一见誓+v)(2-2)ox积l 掰 ， 由2 - 卜- 2 - 2 式之差得出在膏处的单位体积中a 原子在单位时间内的改变 数 誓习a ( d 。a 苏n , t 一”) ( 2 - 3 ) 西 苏l4 苏 4 j 同理，对b 原子有 l o 堡学位论文 第二章粘着机珲分析及隔离剂的选择 鲁飘0f d 百o n b v ) ( z 川 a 苏l9 融 o j 把2 - 3 一2 - 4 式相加，并假设一+ r l b = 常数，即单位体积中原子数一定， 得 昙o 。+ ) = 夏0l ( d o 知n j - + d b - 卺- - n a y - n b v = 。 g - s ) 其积分为 见鲁+ 以鲁一“n a + r i b ) = 妒( ，) - 选择表面得末端作为起始坐标，此处不产生扩散流动，即在z = o 处，全部 时间内无晶面移动，因而v = o ，暑= 警= o ，故妒( ，) = o ，即国劣 见鲁+ 岛誓一饥饥) = o 四积 一 由于! 塾：一荽，故由上式可得标记移动速度 傩盘 v = 击1 慨一现) 鲁 , 4 + 一 西 。 即标记速度y 与a 、b 原子得扩散系数之差及掣成正比。将v 之值代入2 - 3 6 霄 消去v 得 誓= 丢( 去见誓+ 去见誓 q - 叻 西 苏l 一+ 4 西。+ 一4 玉j ”， 因为= 气，卫：，因此，2 - 8 ，2 9 式可写为 玎+ “ 行一+ b 4 。 v = 慨一见) 掣 ( 2 1 0 ) 四 鲁= 昙陋+ 岛q ) 割 同理 鲁= 昙陋+ 仇割 c z - 1 2 ) 2 1 1 2 1 2 式具有一般扩散微分方稗得形曹 硕士学付论文 第二章粘着机理分析及隔离荆的选择 鲁= 丢( 西引 缸 苏k xj 鲁= 丢( 睁 缸 苏k善 其扩散系数为，西= d , 4 c 。+ q 即 西= d a 王l + 见兰l ( 2 1 3 ) 雄+ 月b甩+ l i b 其中i 、蜴为本征扩散系数。现在需要求解这两个本征扩散系数的大小 。 2 4 3 本征扩散系数的计算研究 d a r k e n 曾用热力学方法来推导扩散方程和因浓度差而发生扩散的菲克方程， 并从而确定合金中自扩散系数和本征扩散系数之间得关系。 在存在化学势剃度的情况，可以认为每个原子受到一个等效扩散力z ，z 一击警 这里o 为阿佛加德罗常数。在这个力的作用下，f 类原子以一定大小的平均 速度运动，运动的速度与原子在系统中其它原子的影响下所具有的性质及扩散机 制等因素有关。为此，引入一个称为动性( m o b i l i t y ) 的量m l ，若以e 表示类原 子沿x 方向迁移的平均速度，则 伊m z = 急警 ( 2 - ，5 ) 若以珥表示每单位体积内包含的f 类原子数，则j 类原子沿，方向的扩散流 以哪一珥等警 陋d 从热力学 f ，= ? + r t l n 7 q( 2 1 7 ) 这里为同样温度和压力下纯组元，的化学势，一q = q 为f 组元的活度， 为活度系数，q 为f 类原子的百分比浓度， = l 时为理想溶液， l 时为非理 想溶体只有极稀的固熔体才是理想溶体 将2 1 7 式代入2 1 6 式，得出 a t = - n , m , k t 1 + 百o l n y , 鼍 q 如各组元原子尺寸相近，竹。为常数，将q = 啊，啊代入2 - 1 8 式便可得 ! ! 堂位论文第一- i t 粘着机理分析及隔离剂的选择 扣叫- + 矧誓 此为菲克第一方程，根据连续性方程誓：一孽，由2 1 9 式可得 讲o x 鲁= 舡小矧刳 z 。， 还可得到用q 表示的方程式 一鲁= 舢q - + 矧割 ， 又当合金沿x 方向存在着扩散原子浓度剃度时，单位时问内通过垂直于x 方向的 单位面积的物质的质量 ，与浓度剃度璺成正比，而方向相反，可以写成如下方 程式0 x j = - d 塞( 2 - 2 2 ) o a n _ _ l = 昙( 4 鲁) a 苏苏j 将2 - 1 9 与2 - 2 0 式分别与2 - 2 2 和2 - 2 3 式比较，便可得到本征扩散系数口的 表达式 口= m 十矧 ， 和日= 肘叶+ o a l h n y q , j i 在无限稀释莳情况，为理想固熔体， ：1 ，此时 q = m , k t = 研 ( 2 2 6 ) 其中研为自扩散系数。 2 4 4 自扩散系数的计算模型 对于具有无规行走性质的原子运动，e i n s t e i n 在1 9 0 5 年曾得出某种原子沿 x 方向的扩散系数为； d = 万2 r ( 2 2 7 ) 这里一x 2 是在时间f 内沿x 方向的均方位移。令以是k 个原子的位移，则 1 3 硕士学位论文 第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 万：吉兰研 v i - i ( 2 - 2 8 ) 这里n 是该种扩散原子的数目。在许多情况下，原子的跃迁运动并不是无规 的，但只要f o ，该式仍有效。 容易得出原子在f 时间平均位移 i ：窆i ( 2 - 2 9 ) l = l 而均方位移 f ：窆孑+ 2 n - ! n 丽 ( 2 3 0 ) i - i- lj - i + l ： 这里工。是沿x 方向第i 次位移，n 是f 时间内原子跃迁的平均次数，上横线 表示对大量原子求平均。 对真正无规行走性质的迁移，2 - 3 0 中末项，= 2 再变为零。当孑不为 零时，此项也不为零。当r o 时，x 对p 的贡献则可忽略。但是，由于扩散 机制的性质，即令x = 0 ，p 项也不必然为零。对于很多扩散机制来说，相继的 原子跃迁不是彼此无关的，因此，原子的跃迁运动并不是真正的无规行走的性质。 对于真正的无规行走性质跃迁，p = o ，可以得出 一 z x 2 = f y l 工： ( 2 - 3 1 ) 这里k 是跃迁方向的数目，l 是k 方向的平均原子跃迁频率， 沿x 方向的位移。于是比照2 - 2 7 式可得到扩散系数 z d = 昙l k = l 以是k 跃迁 ( 2 - 3 2 ) 对于立方晶体来说，所有频率l 均相等，于是 d = 扣2 ( 2 - 3 3 ) 这里r = z k v , 是总的跃迁频率，口是跃迁距离( 对于f c c 晶体，口= p ； 对于b c c 晶体，口= 妄) 3 口；口为晶格常数) 对大多数扩散机制来说，相继的原子跃迁不是独立的，因此2 - 3 0 式末项 p = 2 i i 不为零。定义相关因子 f = d 真震d e 规 ( 2 3 4 ) 则从2 3 0 式可得到 1 4 硕十学位论文 第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 = l + ( 2 n - i n - - _ ，n 历( 2 - 3 5 )= l + ( 2 _ ，砰) s = ij h + l 于是扩散系数的表达式2 - 3 3 变为 j d ：f 肇 ( 2 3 6 ) 对于自扩散的情况，在各向同性材料中，f 与温度无关( 对空位机制，b c c 晶体，厂2 0 7 2 ：对f e e 和h c p 晶体，f = o 7 8 。) 对于杂质扩散，则与温度有 关。 从2 3 3 或2 - 3 6 式可以看到，扩散系数d 与原子跃迁频率r 和跃迁距离口的 平方的乘积有关。扩散系数的差异主要是由于跃迁频率不同而造成的。从理论上 来计算r 还是一个完全没有解决的问题，作为近似可以认为 r = z p ， ( 2 3 z ) 这里z 为扩散原子近邻的位置数，p 是原子具有足够能量越过势垒跃迁的几 率，为原子跳向一个空位置的振动频率。 对于间隙扩散，设间隙原子数为n ，具有超越势垒g 。的能量的间隙原子为7 刀，则 p = 昙= 懿制kt c 糊， l 。j 从而 斗钏 c 蝴， 而扩散系数 。= 扣2 = 扣拙p ( 纠 锄 对于f c c 金属，由口= 孚口，口为晶格常数，z = 1 2 , 所以 d = a 啊懿p ( 剀麟p ( 一制 c z 刮 这里g 0 - - a h 一t a s m ，胡为激活能，a s 为激活熵，对于b c c 金属， 口= a 2 ，z = 4 ，于是 。= 弦咖p ( 剀e x p ( 一制 t z ， 1 5 硕士学位论文 第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 只= 等= “一等 d 钏e x p ( 一制 t s ， 这里g ，、哆和a 日，分别为空位形成能、形成熵和形成焓于是原子越 过势垒与近邻空位换位的几率 一竺镑等 = e x p ( 竺孝 e x 一笋 a a ， 对于f c c 金属，口：塑2 口，z = 1 2 ；对于b c c 金属，口= 鱼2 口，z ：8 ，它们的 d 均为下列形式 嘶2 矿麟p ( 竺竽 】c x 一、a h f + r a h m a s ， 即 。嘶d 一剖 协 这里 d o = a 2 咖- ( 竺孝 t z ， 其中口为晶格常数 2 4 5 激活熵的估算 已有几种方法来预测自扩散系数，最常用的是z 锄盯和v a r o r s o s 经验关系式。 在此，为方便计算，选用z e n e r 公式。 蛾：掣。(2-48) 这里q 为激活能；其中鳓是o k 时的杨氏模量，l 是熔化温度；兄是与点 阵有关的常数，对f c c 金属，五- - - - 0 5 5 ，对d c c 金属a = 1 。 根据v a n l i e m p t 的关系式：q = 3 2 t ， 此时 铜：蛾= 警2 鼍产钔卵 协a 。， 钢：峨= 警。半删 p 5 0 ) 1 6 硕十学位论文第二章牯着机理分析及隔离剂的选择 其中肛制老等 其中巧钢= 1 0 8 3 0 ，z 桶= 1 5 3 9 c ，o 饲= o 1 7 ，风铜= 0 1 5 代入2 - 4 9 ，2 - 5 0 经比较a s 饲大于丛。铜。 ， 2 4 6 计算结果及分析 根据公式2 - 4 7 ，其中铜铁的a 、f 分别为0 3 6 1 4 7 ，0 2 8 6 6 4 和0 7 8 ，0 7 2 。 则有 铜：驷铀p ( 荆= 0 3 6 1 4 7 2 v 0 7 8d 剥 钢2 d o = a 2 l f d 剥鲋2 - v 0 7 2c ) 【p 荆 s ，1 ，均为温度的函数，温度高则大，但当温度恒定时，原子跃迁频率v 恒 定但由于铜的熔点低于钢，则丛用大于丛，_ ，大于。则铜的自扩散系 数大于钢的，又根据公式2 - 2 6 可知铜的本征扩散系数大于钢的本征扩散系数 则根据公式2 乏7 有 铜铝扩散系数： 。 西= 见焘+ 见击= 。而0 7 4 + 而0 7 4 = 0 5 d m + 0 5 d k 钢铝扩散系数： 6 = 见焘+ 岛焘= 而0 7 4 i - 丽0 6 8 = o 5 2 1 d 髑+ o 4 7 9d 错 有人测得铜的本征扩散系数为d 舅= 2 3 x 1 0 。1 0 ，d 饲= 2 x 1 0 一，由此可知铜 的本征扩散系数不仅大于钢的本征扩散系数，且约为l o 倍左右，故铜铝之问的 扩散系数要约为钢铝扩散系数的l o 倍。 由此可知，换用新型铸轧辊铍青铜后，若不采取任何措施，粘辊现象将会更 加严重。根据扩散系数的计算公式可知，我们可以通过减小两者之间的扩散系数 来降低界面粘着强度。 因此我们应该选择一种与铜铝之间的扩散系数很小，同时导热能力好的物质 来防止粘辊的发生。根据两种固体之间扩散系数的计算公式可知，如果一种物质 的激活能越大，扩散越不容易发生，而激活能与熔点成正比。在固体物质中，石 1 7 硕士学位论文第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 墨与金属相比，熔点最高，约为钢的两倍，铜的三倍，则它的激活能将会约为钢 的6 5 倍，铜的1 0 0 倍。与非金属相比，石墨导热能力最好，约高2 4 个数量级。 而通过公式估算石墨与铝、铜之间的扩散系数相对与铝钢、铝铜的扩散系数基本 可忽略不计，因此可选择石墨类溶液作为隔离剂。 2 5 隔离剂的选择 同时，铸轧工艺的隔离剂还应具备如下性能珊l ： 为了防止粘铝，隔离剂应能牢固地粘附于铸轧辊表面面；另外，对铝的 粘附性能应很差，以免污染铝； 隔离剂应能均匀地涂布于铸轧辊表面上，以确保铝熔体在带坯长度和宽 度上均匀地凝固； 要有相当高的抗压力，在6 0 0 7 0 0 c 的温度下能承受6 伽p a 的压力； 化学稳定性高，在高温下不会分解； 润滑性能强，摩擦系数低； 无毒，不污染环境与危害人体健康。 苏联的冶金工作者对一些固体润滑剂与液体润滑剂作过试验研究。他们根据 润滑剂对带坯表面的污染程度、机械化进行润滑的可能性、从铝中排除气体的可 能性、铸轧辊是否粘附金属以及对铝熔体凝固的影响等指标来判断其优劣。试验 结果如下表： 表2 - 2 工艺润滑剂的性能 润滑抗压捧气是否不污染凝固机械 润滑剂成分 性能性能作用 带坯质量 均匀性化涂布 c i i - 3 + 3 5 石墨 + ( 固态) 鳞片状石墨+ 石蜡( 固态)+ 股体石墨+ b o 液( 液态) + 胶体石墨( c + 1 ) + 羧基甲基 + 纤维素( 固态) 胶体石墨润滑剂的主要缺点是；不仅污染带坯表面，而且带坯表面的残留石 墨对冷轧润滑冷却剂有污染作用。由石墨和二硫化钼组成的固态润滑剂具有复杂 的分子结构，其缺点是：涂布层不均匀，同时还会显著降低铝与铸轧辊接触处的 1 8 硕士学位论文第二章粘着机理分析及隔离剂的选择 表面张力。因为不能形成均匀的隔离膜，所以在膜薄处，金属变形比较强烈，常 常在带坯表面留下斑痕和条纹。 效果最好的铸轧辊润滑剂如表2 3 所示，第一、二种是苏联采用的，而欧美 等国多采用后两种。b o 型胶体石墨润滑剂有很好的润滑性能，即使在温度高达 7 0 0 ( 2 时也能在铸轧辊表面形成薄的平滑的牢固的干膜，带坯表面无斑痕，而使 用其他矿物油时，带坯表面往往出现斑痕。不过，b o 型胶