7轧制中的摩擦与润滑

1、1第十一章第十一章 金属材料轧制加工工艺中的金属材料轧制加工工艺中的摩擦与润滑摩擦与润滑 轧制轧制：通过轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件：通过轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝间，使其产生平面压缩变形的过程，拖进辊缝间，使其产生平面压缩变形的过程，是是金属材料主要的成形方法之一。金属材料主要的成形方法之一。 轧制的产品类型主要有：轧制的产品类型主要有：板带材、型线材和管材板带材、型线材和管材。 摩擦摩擦对轧制过程对轧制过程既是有利的因素既是有利的因素，又有，又有不利的影响。不利的影响。 234511.1 轧件咬入与稳定轧制轧件咬入与稳定轧制 下图为板材轧制的变形区图示。下图为板材轧制的变

2、形区图示。 轧制变形区示意图轧制变形区示意图6 轧制过程可以分为四个阶段：轧制过程可以分为四个阶段： A、开始咬入阶段、开始咬入阶段 B、拽入阶段、拽入阶段 C、稳定轧制阶段、稳定轧制阶段 D、轧制终了阶段、轧制终了阶段 7一、轧件咬入条件一、轧件咬入条件 轧制过程受力分析图轧制过程受力分析图实现自然实现自然咬入的条件咬入的条件为：为：摩擦角大于或等于咬入角摩擦角大于或等于咬入角 8下表是可以看出摩擦系数对轧件咬入的影响。下表是可以看出摩擦系数对轧件咬入的影响。 热轧时最大咬入角与入口摩擦系数的关系热轧时最大咬入角与入口摩擦系数的关系 9 冷轧时最大咬入角与入口摩擦系数的关系冷轧时最大咬入角与

3、入口摩擦系数的关系10 凡是影响摩擦系数的因素原则上都对轧凡是影响摩擦系数的因素原则上都对轧件咬入产生影响，如材质、表面状态、轧件咬入产生影响，如材质、表面状态、轧制温度、轧制速度等。制温度、轧制速度等。 轧制生产中通常要低速咬入、高速轧制。轧制生产中通常要低速咬入、高速轧制。 11二、稳定轧制二、稳定轧制 稳定轧制的稳定轧制的咬入条件（摩擦条件）咬入条件（摩擦条件）： /2 当当= = /2时的摩擦系数是最小允许的摩擦时的摩擦系数是最小允许的摩擦系数。系数。 定量估计计算最小摩擦系数对确保轧制定量估计计算最小摩擦系数对确保轧制过程的稳定进行具有重要的理论意义。过程的稳定进行具有重要的理论意义

4、。12三、改善咬入的措施三、改善咬入的措施 从前面的分析可知：稳定轧制时所需的从前面的分析可知：稳定轧制时所需的摩擦条件仅为开始咬入时的一半。另一半摩擦条件仅为开始咬入时的一半。另一半时多余的，多余的摩擦称为时多余的，多余的摩擦称为剩余摩擦剩余摩擦。 剩余摩擦剩余摩擦必须以另一种方式消耗掉，其必须以另一种方式消耗掉，其中推动前滑区金属流动速度大于轧辊线速中推动前滑区金属流动速度大于轧辊线速度，即产生度，即产生前滑前滑，还有是在后滑区用来平，还有是在后滑区用来平衡前滑区的摩擦力。衡前滑区的摩擦力。 13 由此可得出改善轧件咬入的措施：由此可得出改善轧件咬入的措施：增加咬入时增加咬入时的摩擦系数；

5、减小咬入时压下率；利用剩余摩的摩擦系数；减小咬入时压下率；利用剩余摩擦擦。具体的做法有：具体的做法有：（1）改变轧辊表面状况，在轧辊上刻槽、焊点、）改变轧辊表面状况，在轧辊上刻槽、焊点、滚花等；滚花等；（2）咬入时不润滑或恶化润滑，稳定轧制后再润）咬入时不润滑或恶化润滑，稳定轧制后再润滑；滑；（3）清除氧化铁皮和表面污物；）清除氧化铁皮和表面污物；（4）轧件小头咬入；）轧件小头咬入；（5）低速咬入、高速轧制；）低速咬入、高速轧制；（6）带钢压下；）带钢压下；（7）增加轧辊直径；）增加轧辊直径；（8）增加后推力。）增加后推力。14 四、前滑与后滑四、前滑与后滑 前滑前滑轧件的出口速度大于轧辊线速

6、轧件的出口速度大于轧辊线速度。度。 后滑后滑-轧件的入口速度小于轧辊入口轧件的入口速度小于轧辊入口线速度的水平分量。线速度的水平分量。 前滑区和后滑区的交界面称为前滑区和后滑区的交界面称为中性面中性面，对应的角度称为对应的角度称为中性角中性角。 前滑前滑在轧制过程中起重要作用。在轧制过程中起重要作用。15轧制过程速度示意图轧制过程速度示意图16 五、前滑与摩擦系数的关系五、前滑与摩擦系数的关系 前滑与轧辊直径、轧件厚度和中性角有关。 前滑值越小，摩擦系数越小，此时中性角也越小。因此，在轧制过程中保持适当的前滑是非常重要的。17 11.2 轧制过程中的摩擦与磨损轧制过程中的摩擦与磨损 一、轧制变

7、形区的摩擦条件一、轧制变形区的摩擦条件 1、滑动摩擦条件、滑动摩擦条件 如冷轧和润滑条件的热轧变形的摩擦可如冷轧和润滑条件的热轧变形的摩擦可以认为是滑动摩擦，满足库仑摩擦条件。以认为是滑动摩擦，满足库仑摩擦条件。 18 2、粘着摩擦条件、粘着摩擦条件 热轧过程中在无润滑条件下，轧制变形热轧过程中在无润滑条件下，轧制变形区有可能表现为粘着摩擦状态。区有可能表现为粘着摩擦状态。3、流体摩擦条件、流体摩擦条件 在冷轧工艺润滑条件下，当轧制速度在冷轧工艺润滑条件下，当轧制速度高、压下率低以及润滑剂粘度大时，变高、压下率低以及润滑剂粘度大时，变形区油膜厚度较厚，易形成流体摩擦条形区油膜厚度较厚，易形成流

8、体摩擦条件。件。19 二、摩擦对轧制压力的影响二、摩擦对轧制压力的影响 采用的摩擦条件不同，计算的摩擦力与轧制采用的摩擦条件不同，计算的摩擦力与轧制压力差别不同。如下图所示：压力差别不同。如下图所示： 不同摩擦条件单位压力与摩擦力沿接触弧长的分布不同摩擦条件单位压力与摩擦力沿接触弧长的分布（a）滑动摩擦条件（）滑动摩擦条件（b）粘着摩擦条件（）粘着摩擦条件（c）流体摩擦条件）流体摩擦条件 20 同样，在摩擦条件相同的情况下，摩擦系数对轧制同样，在摩擦条件相同的情况下，摩擦系数对轧制压力的影响也很明显。压力的影响也很明显。 滑动摩擦条件下摩擦滑动摩擦条件下摩擦 系数对轧制压力的影响系数对轧制压力

9、的影响计算的轧制单位压力中性点处出现一个峰值，被称为摩擦峰。摩擦峰的大小与形状除与计算选用的模型有关之外，还与摩擦系数密切相关。摩擦系数较高时，轧制压力成倍增加。21 其实，摩擦沿接触弧长分布是不均匀的，其实，摩擦沿接触弧长分布是不均匀的，摩擦机制也不相同。摩擦机制也不相同。 由于变形区长高比不同，整个变形区会出由于变形区长高比不同，整个变形区会出现不同的区域，单位摩擦力和单位压力的现不同的区域，单位摩擦力和单位压力的分布会发生变化。分布会发生变化。22单位摩擦力和单位压力沿接触弧长分布规律单位摩擦力和单位压力沿接触弧长分布规律(a) 长高比大于长高比大于5 (b)长高比等于长高比等于2-5

10、(c) 长高比等于长高比等于0.2-2 (d)长高比小于长高比小于0.523三、轧制过程的磨损三、轧制过程的磨损 粘附磨损、磨粒磨损与疲劳磨损粘附磨损、磨粒磨损与疲劳磨损在轧制过程在轧制过程磨损中起主要作用。磨损中起主要作用。 粘附磨损粘附磨损主要是在轧制粘附性强的金属发生。主要是在轧制粘附性强的金属发生。 磨粒磨损磨粒磨损主要是一些硬的杂质小颗粒混入接主要是一些硬的杂质小颗粒混入接触面、轧辊与轧件表面上一些硬的凸起物、氧触面、轧辊与轧件表面上一些硬的凸起物、氧化皮脱落、轧辊上的结疤脱落等造成。化皮脱落、轧辊上的结疤脱落等造成。 疲劳磨损疲劳磨损主要是轧辊剥落的结果。主要是轧辊剥落的结果。24

11、四、影响磨损的因素四、影响磨损的因素 速度、载荷、温度、环境因素、金属表面氧速度、载荷、温度、环境因素、金属表面氧化物、加工硬化、工模具与工件材质、润滑条化物、加工硬化、工模具与工件材质、润滑条件等都会对磨损产生影响。件等都会对磨损产生影响。25 11.3 热轧工艺润滑热轧工艺润滑 一、热轧工艺润滑的作用一、热轧工艺润滑的作用 1、减小轧制过程轧辊与轧件之间的摩擦系数；、减小轧制过程轧辊与轧件之间的摩擦系数； 2、降低轧制力；、降低轧制力； 3、减少轧辊消耗，提高作业率；、减少轧辊消耗，提高作业率； 4、改善轧后表面质量；、改善轧后表面质量； 5、改善制品内部组织性能。、改善制品内部组织性能。

12、二、热轧工艺润滑机理二、热轧工艺润滑机理 热轧润滑作用机理的研究远远落后于对冷轧热轧润滑作用机理的研究远远落后于对冷轧润滑的研究，其主要原因是温度的影响。润滑的研究，其主要原因是温度的影响。26 三、热轧工艺润滑剂三、热轧工艺润滑剂 由于热轧黑色金属和有色金属在轧制由于热轧黑色金属和有色金属在轧制温度、变形抗力、润滑机制不同，因此，温度、变形抗力、润滑机制不同，因此，对润滑剂的选择和使用也存在差别。对润滑剂的选择和使用也存在差别。27 1、板带钢热轧润滑剂、板带钢热轧润滑剂 由于热轧时高温、高压和大量轧辊冷却水由于热轧时高温、高压和大量轧辊冷却水喷淋的工作条件下，因此喷淋的工作条件下，因此工艺

13、润滑剂应具备以工艺润滑剂应具备以下功能下功能： （1）良好且稳定的润滑性能；）良好且稳定的润滑性能； （2）很好的润湿性和粘附性；）很好的润湿性和粘附性； （3）良好的抗氧化性和耐分解性；）良好的抗氧化性和耐分解性； （4）良好的抗乳化性和离水展着性；）良好的抗乳化性和离水展着性； （5）对环境无污染。）对环境无污染。 28带钢热轧油组成带钢热轧油组成29 2、铝及其合金热轧润滑剂、铝及其合金热轧润滑剂 由于轧制温度不高，且铝较软，极易粘辊，由于轧制温度不高，且铝较软，极易粘辊，因此润滑剂必须兼顾润滑和冷却性能要求。因此润滑剂必须兼顾润滑和冷却性能要求。 乳化液乳化液是热轧铝及其合金最好的工艺

14、润滑剂。是热轧铝及其合金最好的工艺润滑剂。几种有代表性的铝热轧乳化液几种有代表性的铝热轧乳化液30 3、铜及其合金热轧润滑剂、铜及其合金热轧润滑剂 其热轧润滑多使用乳化液或水。与热轧铝相其热轧润滑多使用乳化液或水。与热轧铝相比，乳化液使用的周期缩短。比，乳化液使用的周期缩短。国外铜轧制乳化液有关性能国外铜轧制乳化液有关性能31 四、热轧工艺润滑效果四、热轧工艺润滑效果 1、工艺润滑对力能参数的影响、工艺润滑对力能参数的影响 采用不同的热轧油轧制普碳钢，其轧制压力与采用不同的热轧油轧制普碳钢，其轧制压力与未采用工艺润滑的轧制压力比较结果如下表所示。未采用工艺润滑的轧制压力比较结果如下表所示。 不

15、同类型热轧油的润滑效果不同类型热轧油的润滑效果32 除了热轧油的类型特征外，其使用浓除了热轧油的类型特征外，其使用浓度对热轧润滑效果也有较大影响。度对热轧润滑效果也有较大影响。 大量的生产实践证明，一般热轧油的大量的生产实践证明，一般热轧油的使用浓度在使用浓度在0.01-8%范围。范围。33 1450机组工作辊磨损断面图机组工作辊磨损断面图 2、工艺润滑对轧辊磨损的影响、工艺润滑对轧辊磨损的影响 降低轧辊磨损、减少换辊次数、改善轧后板降低轧辊磨损、减少换辊次数、改善轧后板形和表面质量是热轧工艺润滑的主要目的。形和表面质量是热轧工艺润滑的主要目的。 具体影响见下图。具体影响见下图。34润滑剂类型

16、和耗量与轧辊磨损降低率间的关系润滑剂类型和耗量与轧辊磨损降低率间的关系1-合成酯合成酯 2-油脂油脂 3-合成酯合成酯+水水 4-油脂油脂+水水 5-合成酯合成酯+水水 6-酯酯+水水3511.4 冷轧工艺润滑冷轧工艺润滑 工艺润滑是冷轧工艺过程中的重要环节。工艺润滑是冷轧工艺过程中的重要环节。 一、冷轧工艺润滑的作用一、冷轧工艺润滑的作用 1、润滑作用、润滑作用 可以减小或调控变形区摩擦系数。可以减小或调控变形区摩擦系数。 但摩擦并非越小越好。但摩擦并非越小越好。为什么？为什么？ 2、冷却的作用、冷却的作用 控制辊温和板形。控制辊温和板形。 相对于有色金属，黑色金属冷轧时轧辊温相对于有色金属

17、，黑色金属冷轧时轧辊温升更大，润滑剂的冷却作用更加重要。升更大，润滑剂的冷却作用更加重要。 36二、冷轧工艺润滑剂二、冷轧工艺润滑剂 对润滑剂除了一般的要求以外，还应满足以对润滑剂除了一般的要求以外，还应满足以下几方面的要求：下几方面的要求： A、润滑性能好；、润滑性能好； B、冷却能力强；、冷却能力强； C、性能稳定；、性能稳定； D、作为油基润滑剂，要使用方便；、作为油基润滑剂，要使用方便； E、作为乳化液，应无特殊要求；、作为乳化液，应无特殊要求； F、清净性强；、清净性强； G、防锈性好；、防锈性好； H、符合环保要求；、符合环保要求； I、使用的经济性。、使用的经济性。 37 现分材

18、料大类进行说明。现分材料大类进行说明。 1、钢铁材料、钢铁材料 板带钢冷轧工艺润滑板带钢冷轧工艺润滑主要采用乳化液主要采用乳化液，对，对表表面质量要求高面质量要求高的，在轧制速度不高时，也可以的，在轧制速度不高时，也可以采用采用全油润滑全油润滑轧制。轧制。表表12-7 板带钢轧制润滑剂的分类与用途板带钢轧制润滑剂的分类与用途 38 2、铝和铝合金、铝和铝合金 其板带箔冷轧润滑剂均为纯油型轧制油，一其板带箔冷轧润滑剂均为纯油型轧制油，一般不使用乳化液。般不使用乳化液。表表12-8 国内外铝板带箔冷轧油基础油理化性能比较国内外铝板带箔冷轧油基础油理化性能比较39 3、铜合金、铜合金 在铜材轧制过程

19、中主要采用光亮退火，这对在铜材轧制过程中主要采用光亮退火，这对轧制油提出了更高的要求。轧制油提出了更高的要求。 典型的适用于铜材轧制光亮退火的矿物油如典型的适用于铜材轧制光亮退火的矿物油如下表。下表。表表12-9 国外铜材冷轧矿物油有关性能国外铜材冷轧矿物油有关性能 40三、冷轧工艺润滑的应用三、冷轧工艺润滑的应用 1、酸洗涂油、酸洗涂油 在酸洗、清洗和烘干后，热轧带钢在卷取前在酸洗、清洗和烘干后，热轧带钢在卷取前要进行涂油，其目的是：要进行涂油，其目的是： A、防止酸洗后板带钢表面生锈；、防止酸洗后板带钢表面生锈； B、保护板卷在下一道工序开卷时相互擦伤；、保护板卷在下一道工序开卷时相互擦伤

20、； C、在冷轧时第一道次或前几道次起润滑作用。、在冷轧时第一道次或前几道次起润滑作用。 最新采用的涂油方法是干式涂镀或静电涂油。最新采用的涂油方法是干式涂镀或静电涂油。 412、薄板轧制润滑、薄板轧制润滑 当薄板较厚时，可以直接使用酸洗油进行润滑。当薄板较厚时，可以直接使用酸洗油进行润滑。若轧制成品厚度大于若轧制成品厚度大于0.4mm时，可以采用矿时，可以采用矿物油型乳化液。物油型乳化液。 轧制成品厚度小于轧制成品厚度小于0.3 mm 的镀锡原板和镀锌的镀锡原板和镀锌原板，常使用脂肪型乳化液并添加油性剂和极原板，常使用脂肪型乳化液并添加油性剂和极压剂。压剂。 3、硅钢轧制润滑、硅钢轧制润滑 采

21、用矿物油为基础油的低皂化值稳定型乳化液。采用矿物油为基础油的低皂化值稳定型乳化液。424、不锈钢轧制润滑、不锈钢轧制润滑不锈钢冷轧生产工艺的特点：不锈钢冷轧生产工艺的特点：（1） 不锈钢是高合金钢，变形抗力很高，因此不锈钢是高合金钢，变形抗力很高，因此多采用多辊轧机，因此必须采用润滑作用效果多采用多辊轧机，因此必须采用润滑作用效果好的轧制油进行工艺润滑。好的轧制油进行工艺润滑。（2）不锈钢冷轧带钢生产的一个特点是采用特）不锈钢冷轧带钢生产的一个特点是采用特殊的焊接工艺。殊的焊接工艺。（3）不锈钢生产中退火是重要环节，不同钢种、）不锈钢生产中退火是重要环节，不同钢种、不同生产流程热处理制度不同。

22、不同生产流程热处理制度不同。（4）冷轧不锈钢对表面质量有严格要求。）冷轧不锈钢对表面质量有严格要求。（5）不锈钢的精整不同于普通钢，要求改善板）不锈钢的精整不同于普通钢，要求改善板形的同时，保证不锈钢的表面光泽形的同时，保证不锈钢的表面光泽 不锈钢冷轧常采用纯油型轧制油。不锈钢冷轧常采用纯油型轧制油。43 5、平整用油、平整用油 平整是板带材精整线中最重要的工序。平整是板带材精整线中最重要的工序。 平整的目的是：平整的目的是： A、提高退火后带钢的平整度；、提高退火后带钢的平整度； B、消除退火板带屈服平台，调整其所要求的、消除退火板带屈服平台，调整其所要求的力学性能；力学性能； C、使带钢表

23、面达到所要求的粗糙度。、使带钢表面达到所要求的粗糙度。 平整有平整有干平整和湿平整干平整和湿平整。 湿平整用平整液。按其组成分为无机型、有湿平整用平整液。按其组成分为无机型、有机型和混合型三种。机型和混合型三种。44表表11-10 湿平整和干平整的比较湿平整和干平整的比较表表11-11 不同类型平整液的特征不同类型平整液的特征 45 6、铝合金轧制润滑、铝合金轧制润滑 影响铝合金轧制过程润滑效果的因素影响铝合金轧制过程润滑效果的因素很多，主要是轧制油粘度及添加剂对轧很多，主要是轧制油粘度及添加剂对轧制过程力能参数和轧后铝板表面质量的制过程力能参数和轧后铝板表面质量的影响。影响。 467、铜合金

24、轧制润滑、铜合金轧制润滑 冷轧铜的润滑剂要求达到减小摩擦和冷轧铜的润滑剂要求达到减小摩擦和降低轧辊磨损的目的。降低轧辊磨损的目的。 轧制油对铜板带的腐蚀和污染是铜板轧制油对铜板带的腐蚀和污染是铜板带轧制过程中的一个突出问题。因而对轧带轧制过程中的一个突出问题。因而对轧制油的基础油的粘度、馏程、闪点等受到制油的基础油的粘度、馏程、闪点等受到严格限制。严格限制。47 8、钛及其他稀有金属轧制润滑、钛及其他稀有金属轧制润滑 钛材在轧制过程中极易粘辊，为此应钛材在轧制过程中极易粘辊，为此应对坯料预先进行表面处理以及选择行之对坯料预先进行表面处理以及选择行之有效的工艺润滑剂。有效的工艺润滑剂。 表面处理

25、有：氧化膜、阳极氧化膜、表面处理有：氧化膜、阳极氧化膜、草酸盐膜、氯化与氟化膜等。草酸盐膜、氯化与氟化膜等。 润滑剂有：氟化润滑脂、羊毛脂、棕润滑剂有：氟化润滑脂、羊毛脂、棕榈油榈油4812.5 工艺润滑系统工艺润滑系统工艺润滑系统分为循环式和非循环式。工艺润滑系统分为循环式和非循环式。循环系统：循环系统：系统中的乳化液或润滑油可多次使用系统中的乳化液或润滑油可多次使用非循环系统：非循环系统：系统中的工艺润滑剂只能一次性使用，方系统中的工艺润滑剂只能一次性使用，方法较简单。法较简单。49一、热轧工艺润滑系统一、热轧工艺润滑系统热轧润滑系统组成示意图501. 油水预搅拌混合法油水预搅拌混合法 按

26、要求比例配好油水，通过搅拌混合成油水按要求比例配好油水，通过搅拌混合成油水机械混合液后送到轧辊表面。机械混合液后送到轧辊表面。2. 蒸汽雾化混合法蒸汽雾化混合法 将一定压力和温度的蒸汽通入混合器与油水将一定压力和温度的蒸汽通入混合器与油水混合液混合，通过蒸汽压力将油水混合液雾混合液混合，通过蒸汽压力将油水混合液雾化送入轧机。化送入轧机。3. 直接注入法直接注入法 轧制油直接注入轧机原有的轧辊冷却水管路轧制油直接注入轧机原有的轧辊冷却水管路系统中形成油水混合液，随冷却水喷射到轧系统中形成油水混合液，随冷却水喷射到轧辊表面。辊表面。51几种常用的油水混合供油系统示意图 (a) 油水预搅拌混合；(b

27、) 蒸汽雾化混合; (c) 直接注入轧辊冷却水52二、冷轧工艺润滑系统二、冷轧工艺润滑系统1. 乳化液系统乳化液系统（1）乳化液的循环）乳化液的循环（2）乳化液的过滤）乳化液的过滤（3）分段冷却）分段冷却（4）温度、浓度控制）温度、浓度控制532. 轧制油的循环系统轧制油的循环系统（1）过滤系统）过滤系统 高速轧机所使用的轧制油过滤装置主要高速轧机所使用的轧制油过滤装置主要有两种：有两种： a.平板式过滤器平板式过滤器 b.立管式过滤器立管式过滤器（2）温度控制系统）温度控制系统（3）压力控制系统）压力控制系统（4）喷射控制系统）喷射控制系统5412.6 润滑剂的维护与管理润滑剂的维护与管理一、乳化液使用与管理一、乳化液使用与管理乳化液及纯矿