D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.04.008 第35卷第4期 北京科技大学学报 Vol.35 No.4 2013年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2013 纳米TO2轧液对硅钢冷轧性能的影响 武元元，孙建林，王冰，肖湘涛 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 通信作者，E-mail:sjl@ustb.cdu.cn 摘要分别采用传统冷轧轧制液和纳米TO2的冷轧轧制液，对无取向硅钢板进行了四辊冷轧实验.重点研究两种冷 轧轧制液的轧制润滑性能和对轧后硅钢薄带表面质量和耐蚀性能的影响.通过场发射电子显微镜和能谱仪对使用两种轧 制液轧后得到的硅钢薄带表面形貌和成分进行了分析.给出了轧制液中TO2纳米粒子在轧制过程中的抗磨减摩机理. 在轧制载荷较高时，纳米TO2轧制液具有优良的轧制润滑性能并能显著改善轧后硅钢薄带的表面质量.同时在高载荷 作用下，TO2纳米粒子被压入硅钢薄带基体，形成一个滑动系来支撑载荷，从而使润滑膜的耐磨性提高 关键词硅钢；冷轧：润滑：二氧化钛：纳米颗粒 分类号TG335.5 Effect of nano-TiO2 rolling liquid on the cold rolling properties of silicon steel WU Yuan-yuan,SUN Jian-lin.WANG Bing,XIAO Xiang-tao School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:sjl@ustb.edu.cn ABSTRACT Non-oriented silicon steel strips were rolled on a four-high cold rolling mill lubricated by a traditional cold rolling liquid and a nano-TiOz cold rolling liquid,with emphasis on studying the rolling lubrication performance of both the liquids and their effect on the surface quality and corrosion resisting property of the silicon steel strips.The surface micrograph and composition of the silicon steel strips after being rolled with both the liquids were characterized by field emission scanning electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy.The anti-wear and friction-reducing mechanism of TiOa nanoparticles in cold rolling was given on the basis of experimental results.The nano-TiO2 cold rolling liquid has excellent lubricant performance and can improve the surface quality of the silicon steel strips remarkably when rolled with heavy load.Meanwhile,TiO2 nanoparticles are compressed into the silicon steel matrix by high load and a sliding system is formed to bear the load.leading to a higher wear resistance of the lubricant film. KEY WORDS silicon steel;cold rolling:lubrication;titanium dioxide;nanoparticles 无取向硅钢因其晶粒粗大、脆性较高，采用传 型高效无污染的硅钢冷轧轧制液提供了新思路，即 统乳化液润滑轧制的方式生产冷轧无取向硅钢薄带 把纳米粒子作为添加剂应用到冷轧轧制液中，在降 时容易裂边、断带等)，轧后表面常出现孔洞、划痕 低环境污染的同时，提高其冷轧润滑性能6).Chang 等缺陷②，影响硅钢表面质量；而且传统冷轧乳化 和Ye等7-8剧分别研究了TiO2纳米粒子添加剂在 液中含有大量S、P等非环境友好元素，易造成环境 润滑油中的摩擦学性能，认为在接触压力较大的摩 污染.纳米科技的发展研究表明，纳米粒子具有 擦副间，TO2纳米粒子表现出优良的极压抗磨性 量子力学上的强关联性，能够在摩擦表面以纳米颗 能，并具有表面修饰功能.少量钛元素分布在硅钢 粒或纳米膜的形式存在，具有良好的润滑性能和减 表层基体中，能够改善硅钢板的耐蚀性能 摩抗磨性能，可以用作新型抗磨剂4-).这为研制新 本文选用TO2纳米粒子作为添加剂制备了新 收稿日期：2011-12-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274037)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 纳米 轧制液对硅钢冷轧性能的影响 武元元孙建林网王 冰肖湘涛 北京科技大学材料科学与工程学院北京 困 通信作者 一 卜 摘 要 分别采用传统冷轧轧制液和纳米 的冷轧轧制液对无取向硅钢板进行了四辊冷轧实验 重点研究两种冷 轧轧制液的轧制润滑性能和对轧后硅钢薄带表面质量和耐蚀性能的影响 通过场发射电子显微镜和能谱仪对使用两种轧 制液轧后得到的硅钢薄带表面形貌和成分进行了分析 给出了轧制液中 纳米粒子在轧制过程 中的抗磨减摩机理 在轧制载荷较高时纳米 轧制液具有优 良的轧制润滑性能并能显著改善轧后硅钢薄带的表面质量 同时在高载荷 作用下 纳米粒子被压入硅钢薄带基体形成一个滑动系来支撑载荷从而使润滑膜的耐磨性提高 关键词 硅钢 冷轧 润滑 二氧化钦 纳米颗粒 分类号 一 儿 朋 一、 一 网 似 及 曰￥工刁。 为 叮 一 。、。 入 三 〔 一 、 一 一 飞 一 一 一 仆 饰 无取 向硅钢 因其 晶粒粗大 、脆性较高 采用传 统乳化液润滑轧制的方式生产冷轧无取 向硅钢薄带 时容易裂边 、断带等 ‘轧后表面常出现孔洞 、划痕 等缺 陷 影 响硅钢表面质量 而且传统冷轧乳化 液中含有大量 、 等非环境友好元素 易造成环境 污染网 纳米科技 的发展研究表 明纳米粒子具有 量子力学上 的强关联性 能够在摩擦表面 以纳米颗 粒或纳米膜的形式存在 具有 良好的润滑性能和减 摩抗磨性能可 以用作新型抗磨剂 一“ 这为研制新 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 型高效无污染的硅钢冷轧轧制液提供 了新思路 即 把纳米粒子作为添加剂应用到冷轧轧制液 中在 降 低环境污染的同时提高其冷轧润滑性能 和 等 一 分别研究 了 纳米粒子添加剂在 润滑油中的摩擦学性能认为在接触压力较大的摩 擦副 间 纳米粒子表现 出优 良的极压抗磨性 能 并具有表面修饰功能 少量钦元素分布在硅钢 表层基体 中能够改善硅钢板的耐蚀性能 本文选用 纳米粒子作为添加剂制备了新 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．04．008
,460 北京科技大学学报 第35卷 型水基纳米轧制液，利用四球摩擦磨损试验机和四 形貌多呈球形，平均粒度约50nm.图1(b)显 辊冷轧试验机研究其摩擦学性能和冷轧时的润滑性 示，Ti0O2纳米颗粒成分含有Ti和0元素，能谱中较 能，并探讨其减摩抗磨机理.从工艺润滑的角度，研 高的C峰可能是因为轧制液中包含的有机分子产 究提高冷轧无取向硅钢的轧制稳定性和轧后无取向 生的. 硅钢薄带的表面质量的技术，并为新型冷轧无取向 1.2水基纳米轧制液配置 硅钢的轧制液研发提供实验依据. 利用超声波分散仪将经油酸表面修饰的纳米 TiO2粒子分散到棕榈油中，然后添加TWEEN、 1 实验部分 SPAN等系列表面活性剂，以蒸馏水作为稀释剂， 1.1二氧化钛纳米粒子表征 配制成体积分数为5%的硅钢薄带冷轧实验用轧制 取少量含T02纳米粒子的轧制液，干燥后液，其中纳米粒子的质量分数为0.25%4.00%.同 采用JEM-2010型高分辨透射电镜(TE)及能时选用某厂冷轧轧制油，采用蒸馏水对其进行稀 谱仪(EDS)对TiO2纳米粒子进行表征，结果如 释，配制成体积分数为5%的乳化液作对比实验， 图1所示.由图1(a)可以看出纳米Ti02粒子 编号为DB. a (b) 6000 4000 2000 0 Ti Ti Cu 50 nmg 2 10 能量/keV 图1TiO2纳米粒子的透射电镜形貌(a)和能谱(b) Fig.1 TEM image (a)and EDS spectrum (b)of TiO2 nanoparticles 1.3四球机测定轧制液摩擦学性能 参数为中95mm/φ200mm×200mm,轧制功率35 利用MRS-10A四球摩擦磨损试验机，采用 kW,轧制速度60 r.min-1.试样为某厂生产提供 国标GB/T12583-1998测定轧制液的最大无卡咬 的无取向硅钢板，规格为2001mm×50m1×1mm. 负荷P值9，以此来评价各轧制液的承载能力. 轧制前用乙醇、丙酮浸渍医用棉擦洗辊面，然后 将轧制液倒入四球摩擦试验机的油盒内，在载荷 用风机吹干轧辊.轧制时，为保证精度，采用四个 (392±5)N、转速(1200士5)rmin-1条件下运行30 不同压下的辊缝轧制，轧制液均匀喷射到轧辊和试 min.采用式(1)计算在轧制液润滑条件下钢球间的 样表面，用螺旋测微器测量轧后试样厚度，计算压 摩擦因数().记录摩擦因数随时间变化曲线，并求 下率. 出其稳定摩擦阶段μ的平均值，分析各轧制液的摩 采用乙醇清洗硅钢带材表面轧制液，取带钢稳 擦学性能.本实验所用钢球为上海钢球厂生产的一 定轧制段的六个点，用TR200型粗糙度仪测定轧 级GCr15标准钢球，直径为12.7mm,HRC6165 后硅钢薄带表面粗糙度，求平均值，将轧后硅钢薄 =V2S R S roPo Po (1) 带进行制样，在石油醚溶液中超声清洗20mi,用 SUPRA55场发射扫描电子显微镜及能谱分析仪对 式中：rb为钢球半径，6.35mm:P为轴向实验 轧后硅钢薄带表面形貌和成分进行表征，研究TiO2 力，N:R为力矩轮半径，44.9mm;S1为实测摩 纳米粒子在轧制液中的减摩抗磨机理. 擦力的读数值，N:S=V2×44.9, ×S1≈10S1. 6.35 1.5电化学测定腐蚀性能实验 1,4冷轧润滑实验 为测定TO2纳米粒子对轧后硅钢表面耐蚀性 选择DB和摩擦学性能较好的纳米TiO2轧制 能的影响，将轧后硅钢片制样(1cm×1cm)后进行 液，在四辊冷轧试验机上进行冷轧润滑实验，轧机 浸泡腐蚀实验，实验在去离子水配制的质量分数为
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 型水基纳米轧制液 利用四球摩擦磨损试验机和四 辊冷轧试验机研究其摩擦学性能和冷轧时的润滑性 能并探讨其减摩抗磨机理 从工艺润滑 的角度 研 究提高冷轧无取 向硅钢的轧制稳定性和轧后无取向 硅钢薄带的表面质量的技术 并为新型冷轧无取 向 硅钢的轧制液研发提供实验依据 采用 谱仪 图 实验部分 二氧化钦纳米粒子表征 取少量含 纳米粒子 的轧制液 干燥后 一 型高分辨透射 电镜 及 能 对 纳米粒子进行表征 结果如 所示 由图 可 以看 出纳米 粒子 形貌多呈球形 平均粒度约 图 显 示 纳米颗粒成分含有 和 元素 能谱中较 高的 峰可能是因为轧制液中包含的有机分子产 生的 水基纳米轧制液配置 利用超声波分散仪将经油酸表面修饰 的纳米 粒子分散到棕搁油中然后添加 、 等 系列表面活性剂 以蒸馏水作为稀释剂 配制成体积分数为 的硅钢薄带冷轧实验用轧制 液 其 中纳米粒子的质量分数为 哭 同 时选用某厂冷轧轧制 油 采用 蒸馏 水对其进 行稀 释 配制成体积分数为 的乳化液作对 比实验 编号为 另 七 超 燃 互 气“ 能量 图 纳米粒子的透射 电镜形貌 和能谱 四球机测定轧制液摩擦学性能 利 用 一 四球摩擦 磨损试 验机 采用 国标 一 测定轧制液的最大无卡咬 负荷 几 值 回以此来评价各轧制液 的承载能力 将 轧制液倒入 四球摩擦试验机 的油盒 内在载荷 土 、转速 士 · 一‘条件下运行 采用式 计算在轧制液润滑条件下钢球间的 摩擦因数 记录摩擦因数随时间变化 曲线并求 出其稳定摩擦阶段 拜的平均值 分析各轧制液的摩 擦学性能 本实验所用钢球为上海钢球厂生产的一 级 一 标准钢球直径为 、 夜 芦一不石轰厂一瓦 式 中 、 为钢球半径 为轴 向实验 力 为力矩轮半径 为实测摩 擦力的读数值 冷轧润滑实验 梅 之 选择 和摩擦学性能较好的纳米 轧制 液 在四辊冷轧试验机上进行冷轧润滑实验 轧机 参数为 中 伸 以 轧制功率 轧制速度 · 一’ 试样 为某厂生产提供 的无取 向硅钢板 规格 为 川 川 轧制前用 乙醇 、丙酮浸渍 医用棉擦洗辊面 然后 用风机吹干轧辊 轧制 时 为保证精度 采用 四个 不同压下的辊缝轧制 轧制液均匀喷射到轧辊和试 样表面 用螺旋测微器测量轧后试样厚度 计算压 下率 采用乙醇清洗硅钢带材表面轧制液 取带钢稳 定轧制段的六个点 用 型粗糙度仪测定轧 后硅钢薄带表面粗糙度 求平均值 将 轧后硅钢薄 带进行制样 在石油醚溶液 中超声清洗 用 场发射扫描 电子显微镜及能谱分析仪对 轧后硅钢薄带表面形貌和成分进行表征 研究 纳米粒子在轧制液 中的减摩抗磨机理 电化学测定腐蚀性能实验 为测定 纳米粒子对 轧后硅钢表面耐蚀性 能的影响 将轧后硅钢 片制样 后进行 浸泡腐蚀实验 实验在去离子水配制的质量分数为
第4期 武元元等：纳米TiO2轧制液对硅钢冷轧性能的影响 ·461 3.5%NaCl溶液中进行1o.试样为工作电极，辅助 TiO2纳米轧制液的4值略有升高：但当TO2纳米 电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极.测试温 粒子质量分数超过1.5%时，4值显著降低，最小平 度为25℃ 均摩擦因数值可达到0.046，比传统DB轧制液的μ 值约低36%.随Ti02纳米粒子的含量增大，Ti02 2结果及讨论 纳米轧制液的P3值的先增大后减小，在TiO2纳米 2.1轧制液的摩擦学性能 粒子质量分数为1.5%2.0%时，P3达到最大值755 采用四球摩擦试验机分别测定传统轧制液 N,明显高于传统DB轧制液.分析其原因为TiO2 (DB)和纳米粒子质量分数为0.25%~4.00%的纳米 纳米粒子在摩擦副上沉积，会形成抗磨的微区，因 TiO2轧制液的摩擦学性能，DB和纳米粒子轧制液 此会影响摩擦副的承载能力.当TO2纳米粒子质 的摩擦因数随时间变化曲线结果如图2所示.DB 量分数低于1.5%时，随纳米粒子含量增大，摩擦副 的摩擦因数变化趋势是随摩擦时间的增加先降低后 上沉积形成的抗磨微区增多，表现为PB值变大：当 升高，且升高到一定值后趋于稳定.纳米TO2轧 Ti02纳米粒子质量分数超过2%时，T02纳米粒子 制液的摩擦因数变化随轧制液中纳米粒子质量分数 易于团聚为较大尺寸粒子而诱发形成磨粒磨损，使 不同有两种变化趋势：当轧制液中的T02纳米粒 承载能力大大降低，表现为PB值降低. 子质量分数≤1.5%时，摩擦因数随摩擦时间增加的 0.09 变化趋势与DB相同，且随着纳米粒子含量增大， 750 -PR 相应轧制液的摩擦因数有增加趋势，表明此时纳米 0.08 TiO2轧制液的摩擦性能与DB轧制液的摩擦性能 002 0.07 相近：当Ti02纳米粒子的质量分数>1.5%时，随纳 米粒子含量增大，相同条件下轧制液的摩擦因数显 著降低，并逐渐趋于稳定.这表明当轧制液中TO2 纳米粒子的质量分数超过1.5%时，Ti02纳米粒子 0.05 能够有效降低四球摩擦过程中的摩擦因数，使纳米 0.04 550 0 2 TiO2轧制液表现出较好的摩擦学性能. TO质量分数/% 0.09 图3TO2纳米粒子含量对纳米TiO2轧制液的平均摩擦因 0.08 数和PB的影响 0.07 Fig.3 Effects of the concentration of TiO2 particles on the av- 数0.06 erage friction coefficient and PB values of the nano-TiO2 rolling liquid 0.05 0.04 2.2轧制液的冷轧润滑性能 0.03 冷轧润滑工艺能够降低轧机轧制压力和轧制 0.02 4.0%i0 400 800 1200 1600 功率，稳定轧制过程，并改善最后的轧板表面质量 摩擦时间/8 因此，为进一步研究纳米粒子在轧制液中的润滑性 图2摩擦时间对DB和纳米TO2轧制液摩擦因数的影响 能，选择综合摩擦学性能较好的2%纳米TO2轧制 Fig.2 Effects of friction time on the friction coefficients of 液和DB轧制液进行轧制润滑实验，测定轧制压力 DB and nano-TiO2 rolling liquids 和功率，分析轧后硅钢表面形貌、粗糙度等 采用两种轧制液进行轧制实验时得到的轧制 在稳定摩擦阶段，纳米TO2轧制液中TO2纳 压力和轧制功率随道次压下率的变化曲线分别如图 米粒子含量对平均摩擦因数和轧制液最大无卡咬负 4和图5所示.由图4可以看出，与DB轧制液相 荷P的影响如图3所示.传统DB轧制液的平均 比，随压下率的增大，采用纳米TO2轧制液轧制时 摩擦因数()和最大无卡咬负荷(P)经测定分别 得到的轧机轧制压力降低越明显.在轧机压下量最 为0.07229、696N,而纳米Ti02轧制液的4值和 大时，轧制压力降低约17.7%.在相同的辊缝下，经 PB值会随TiO2纳米粒子含量的变化而变化.由图 纳米TO2轧制液轧制所得硅钢板的实际压下量较 3可以看到：随TO2纳米粒子含量的增大，水基 传统轧制液的大.由图5可以看出，随轧机压下量
第 期 武元元等 纳米 轧制液对硅钢冷轧性能的影响 溶液 中进行 试样为工作 电极 辅助 电极为 电极 参 比电极为饱和甘汞电极 测试温 度为 ℃ 纳米轧制液的 月值略有升高 但当 纳米 粒子质量分数超过 时拜值显著降低 最小平 均摩擦 因数值可达到 。 比传统 轧制液的 赵 值约低 随 纳米粒子 的含量增大 纳米轧制液的 凡 值的先增大后减小 在 纳米 粒子质量分数为 时几 达到最大值 明显高于传统 轧制液 分析其原因为 纳米粒子在摩擦副上沉积 会形成抗磨的微区因 此会影响摩擦副的承载能力 当 纳米粒子质 量分数低于 时随纳米粒子含量增大 摩擦副 上沉积形成的抗磨微区增多表现为 几 值变大 当 纳米粒子质量分数超过 时 纳米粒子 易于团聚为较大尺寸粒子而诱发形成磨粒磨损 使 承载能力大大降低 表现为 几 值 降低 召镇瞥卒拭唱之袄必 质量分数 曰 纂举医赞公牛之。 结果及讨论 轧制液 的摩擦学性能 采 用 四球 摩 擦 试 验 机 分 别 测 定 传 统 轧 制 液 和纳米粒 子质量分数为 、 的纳米 轧制液的摩擦学性能 和纳米粒子轧制液 的摩擦 因数 随时间变化 曲线结果如图 所示 的摩擦因数变化趋势是随摩擦时间的增加先降低后 升高 且升高到一定值后趋于稳定 纳米 轧 制液的摩擦 因数变化随轧制液中纳米粒子质量分数 不 同有两种变化趋势 当轧制液 中的 纳米粒 子质量分数 簇 时摩擦因数随摩擦时间增加的 变化趋势与 相 同且随着纳米粒子含量增大 相应轧制液的摩擦 因数有增加趋势 表 明此时纳米 轧制液 的摩擦性能与 轧制液 的摩擦性能 相近 当 纳米粒子的质量分数 时随纳 米粒子含量增大 相 同条件下轧制液的摩擦 因数显 著降低 并逐渐趋于稳定 这表 明当轧制液中 纳米粒子 的质量分数超过 时 纳米粒子 能够有效降低 四球摩擦过程 中的摩擦 因数 使纳米 轧制液表现 出较好 的摩擦学性能 图 纳米粒子含量对纳米 轧制液 的平均摩擦 因 数和 几 的影响 瓜 曰口︸︹︺八戮 月 ︸ 摩擦时间 曰卜 钊目曰 皿 彭三鹭泄 图 摩擦 时间对 和纳米 轧制液摩擦 因数的影响 伟 一 在稳定摩擦阶段 纳米 轧制液 中 纳 米粒子含量对平均摩擦 因数和轧制液最大无卡咬负 荷 几 的影响如 图 所示 传统 轧制液 的平均 摩擦 因数 川 和最大无卡咬负荷 凡 经测定分别 为 、 而纳米 轧制液的 拼值和 几 值会 随 纳米粒子含量 的变化而变化 由图 可 以看到 随 纳米粒子含量 的增大 水基 轧制液 的冷轧润滑性能 冷轧润滑工艺能够 降低轧机轧制压力和轧制 功率 稳定轧制过程 并改善最后的轧板表面质量 因此 为进一步研究纳米粒子在轧制液中的润滑性 能选择综合摩擦学性能较好 的 纳米 轧制 液和 轧制液进行轧制润滑实验 测定轧制压力 和功率 分析轧后硅钢表面形貌 、粗糙度等 采用两种轧制液进行 轧制 实验 时得到的轧制 压力和轧制功率随道次压下率的变化 曲线分别如 图 和 图 所示 由图 可 以看 出与 轧制液相 比随压下率的增大 采用纳米 轧制液轧制时 得到的轧机轧制压力降低越 明显 在轧机压下量最 大 时轧制压 力降低约 在相 同的辊缝下 经 纳米 轧制液轧制所得硅钢板 的实际压下量较 传统轧制液的大 由图 可 以看 出随轧机压下量
,462 北京科技大学学报 第35卷 增大，轧制功率降低明显，轧机压下量最大时轧制 轧制液润滑后的表面轮廓曲线有较高的谷峰，且谷 功率降低约11.0%.由此可见，纳米Ti02轧制液在 峰与谷底有较大的间隙；而采用2%纳米T02纳米 轧制压力较大时，表现出较好的轧制润滑性能.分 轧制液润滑后得到的试样表面轮廓曲线的谷峰较前 析机理可能是当轧机压下量较大时，硅钢试样与轧 者明显细小且排列紧密.这与粗糙度测定的结果相 辊真实接触压力较大，使纳米粒子能有效地被轧辊 吻合，表明纳米粒子在轧制液中能够有效的改善轧 压入硅钢薄带表层，形成抗磨微区，起到减摩抗磨 制硅钢的表面质量。 作用. 0.7 o-DB 200 &-2%Ti02 o-DB -2%Ti02 0.6 160 c0.5 0.4 0 0.3 0.2 40 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 压下率/% 压下率/% 图6两种轧制液轧制时压下率对试样表面粗糙度的影响 图4两种轧制液中压下率对轧制压力的影响 Fig.6 Effect of reduction ratio on the surface roughness of Fig.4 Effect of reduction ratio on the rolling force for the two samples when rolled with the two rolling liquids rolling liquids 在较高的接触载荷下，2%纳米TO2轧制液的 0-DB-2%Ti02 润滑性能明显高于DB轧制液.为了分析TO2纳 米粒子在轧制液中的作用机理，使用场发射扫描电 子显微镜(FESEM)对采用两种轧制液轧后硅钢表 面形貌进行观察，使用能谱仪对采用纳米TO2轧 制液轧后硅钢表面成分进行表征，结果分别如图8 和图9所示.由图8可以看出，在相同的轧制工艺 2 下，两种轧制液润滑轧制得到的硅钢薄带表面形貌 有明显的差异，在较高的接触载荷下，经传统DB轧 10 2030 40 制液润滑轧制后，硅钢板表面有较明显的划痕，并 压下率/% 伴有较多的点坑等缺陷（图8(a)；水基纳米TiO2 图5两种轧制液中压下率对轧制功率的影响 轧制液润滑轧制得到的板面较光滑平整，表面上的 Fig.5 Effect of reduction ratio on the rolling power for the 划痕、点坑等缺陷较少（图8(b).图8(c)为硅钢表 面基体上TiO2纳米粒子的形貌及分布.从图中可 two rolling liquids 以看出，白色颗粒状TO2纳米粒子被压入基体组 图6为采用两种轧制液进行冷轧润滑实验后得 织，这些被压入基体的纳米粒子形成抗磨微区，在 到的硅钢试样表面粗糙度随压下率的变化曲线.两 摩擦副表面存在的这些抗磨微区能够起到支撑载荷 种轧制液轧制所得硅钢试样粗糙度R。与压下率的 作用，提高润滑油膜的减摩抗磨性能.能谱曲线如 关系曲线有明显不同.使用传统DB轧制液的硅钢 图9所示，表明白色颗粒成分为TO2纳米粒子，表 试样粗糙度随压下率增大先增大，随后略微降低， 1给出了纳米TiO2轧制液轧后硅钢表面成分.Fe 最后稳定在0.55um左右：而采用2%纳米Ti02轧元素占有较高含量是因为背底为硅钢基体，而二氧 制液轧后硅钢试样的粗糙度值随压下率增大逐渐减 化钛纳米粒子颗粒所占的区域过小的缘故 小，最后稳定在0.32μm左右.采用两种轧制液进 综上分析，TO2纳米粒子在轧制液中的作用 行冷轧润滑实验后得到的硅钢试样表面粗糙度轮廓 机理为：在大的接触压力下，纳米TO2轧制液润滑 曲线如图7所示，其中测量长度为5mm.采用DB 轧制时，TO2纳米粒子能够被压入硅钢基体表面
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 增大轧制功率降低明显轧机压下量最大时轧制 功率降低约 由此可见 纳米 轧制液在 轧制压力较大 时表现 出较好 的轧制润滑性能 分 析机理可能是当轧机压下量较大时硅钢试样与轧 辊真实接触压力较大 使纳米粒子能有效地被轧辊 压入硅钢薄带表层 形成抗磨微 区起到减摩抗磨 作用 轧制液润滑后的表面轮廓 曲线有较高的谷峰且谷 峰与谷底有较大的间隙 而采用 纳米 纳米 轧制液润滑后得到的试样表面轮廓 曲线的谷峰较前 者明显细小且排列紧密 这与粗糙度测定的结果相 吻合表明纳米粒子在轧制液中能够有效的改善轧 制硅钢 的表面质量 么 理彝邢刨匡吮二招卜 一︺日︵ 只露解田之名 占 图 压下率 两种轧制液中压下率对轧制压力的影响 图 · ‘ 占 “ ‘一 占 一二一 一 二 ‘ 曰 压下率 两种轧制液轧制时压下率对试样表面粗糙度的影响 、一 一 一 一 石 在较高的接触载荷下 纳米 轧制液 的 润滑性 能明显高于 轧制液 为了分析 纳 米粒子在轧制液中的作用机理 使用场发射扫描 电 子显微镜 对采用两种轧制液轧后硅钢表 面形貌进行观察 使用能谱仪对采用纳米 轧 制液轧后硅钢表面成分进行表征 结果分别如图 和 图 所示 由图 可 以看 出在相同的轧制工艺 下 两种轧制液润滑轧制得到的硅钢薄带表面形貌 有明显的差异 在较高的接触载荷下 经传统 轧 制液润滑轧制后 硅钢板表面有较 明显的划痕 并 伴有较多的点坑等缺陷 图 水基纳米 轧制液润滑轧制得到的板面较光滑平整 表面上的 划痕、点坑等缺陷较少 图 图 为硅钢表 面基体上 纳米粒子 的形貌及分布 从图中可 以看 出白色颗粒状 纳米粒子被压入基体组 织 这些被压入基体 的纳米粒子形成抗磨微区在 摩擦副表面存在的这些抗磨微区能够起到支撑载荷 作用 提高润滑油膜 的减摩抗磨性能 能谱 曲线如 图 所示 表 明 白色颗粒成分 为 纳米粒子 表 给 出了纳米 轧制液轧后硅钢表面成分 元素 占有较高含量是因为背底为硅钢基体 而二氧 化钦纳米粒子颗粒所 占的区域过 小的缘故 综上分析 纳米粒 子在轧制液 中的作用 机理为 在大的接触压力下纳米 轧制液润滑 轧制时 纳米粒子能够被压入硅钢基体表面 宾并曰解琴洲 压下率 图 两种轧制液 中压下率对轧制功率 的影响 图 为采用两种轧制液进行冷轧润滑实验后得 到的硅钢试样表面粗糙度随压下率 的变化 曲线 两 种轧制液轧制所得硅钢试样粗糙度 。与压下率的 关系 曲线有 明显不 同 使用传统 轧制液 的硅钢 试样粗糙度 随压下率增大先增大 随后略微 降低 最后稳定在 卜 左右 而采用 纳米 轧 制液轧后硅钢试样 的粗糙度值随压下率增大逐渐减 小最后稳定在 卜 左右 采用两种轧制液进 行冷轧润滑实验后得到的硅钢试样表面粗糙度轮廓 曲线如 图 所示 其 中测量长度为 采用
第4期 武元元等：纳米TO2轧制液对硅钢冷轧性能的影响 463· (a) 36 1 垂直于轧制方向上的距离/mm 垂直于轧制方向上的距离/mm 图7两种轧制液轧制后试样表面粗糙度轮廓曲线.(a)DB:(b)2%纳米TiO2 Fig.7 Surface profiles of samples after being rolled with the two rolling liquids:(a)DB;(b)2%nano-TiO2 b WD=8.3 mm Photo No,=7796 Time:9:48:40 WD=8.3 mm Photo No.=7790 Time 9:08:52 智v,四 图8两种轧制液轧后硅钢表面场发射扫描电子显微像.(a)DB:(b),(c)2%纳米TiO2 Fig.8 FESEM images of silicon steel strips rolled with the two rolling liquids:(a)DB;(b),(c)2%nano-TiO2 500 Fe 率降低，同时得到较好的硅钢板表面质量. 8400 表1纳米TO2轧制液轧后硅钢表面元素含量 Ti 200 Table 1 Element contents of the silicon steel strip surface 100 after being rolled with the nano-TiO2 rolling liquid 4 元素 质量分数/% 摩尔分数/% 能量/keV 0 18.00 42.83 图9纳米TO2轧制液轧后硅钢表面能谱 Ti 11,51 9.14 70.49 48.03 Fig.9 EDS spectrum of a silicon steel strip after being rolled 2.3 with the nano-TiO2 rolling liquid 轧后硅钢的耐蚀性能 采用新型水基纳米TO2轧制液轧制润滑时， 形成抗磨微区，构成类似膜润滑模型的滑动系，起 硅钢薄带表面会留有TO2纳米粒子，为了研究这 到减摩抗磨和保护硅钢板表层基体的作用，使相同 些硅钢表面残留纳米粒子对硅钢薄带耐蚀性能的影 辊缝下轧制得到硅钢板的实际压下量增大，轧制功 响，对采用两种轧制液轧后的两种试样分别浸泡在
·464 北京科技大学学报 第35卷 质量分数为3.5%的NaCl溶液中进行极化曲线测量 米粒子，该层纳米粒子能够提高硅钢薄带的耐蚀 表征，结果如图10所示.表2为轧后硅钢试样的极 性能 化曲线电化学参数拟合结果.由图10可以看出，使 用DB和2%纳米TO2轧制液润滑轧制后得到的 参考文献 硅钢试样的自腐蚀电位分别为-626和-573mV. 由表2可知，两者对应的自腐蚀电流密度(Ico)分 [1]Gao X H,Ye H Z,Qiu C L,et al.Development of non- 别为0.0093和0.0173Acm-2,表中ba和b。分别 oriented thin silicon steel strip.Iron Steel,2007,42(2):60 为极化曲线中阳极极化和阴极极化的斜率.由此可 (高秀华，叶何舟，邱春林，等，无取向硅钢薄带的开发.钢 见，表面有残留的TO2纳米粒子的硅钢试样的耐 铁，2007,42(2)：60) 腐蚀性能优于无残留硅钢试样 [2)Liu G B,Luo Z H,Liu L T,et al.Research on the surface defects on cold rolled silicon steel sheets /CSM 2001 -03 DB 2%Ti02 Annual Meeting Proceedings (II).Beijing,2001:631 -0.4 (李国宝，骆忠汉，刘良田，等.冷轧硅钢表面缺陷形成原 05 因研究//2001中国钢铁年会论文集（下卷）.北京，2001： 631) -0.6 [3]Huang Z J,Fei Y W,Shang Z F.The application of -0.7 nanoparticles as additives in lubricants and its develop- ment trend.Lubr Oil,2005,20(2):21 (黄之杰，费逸伟，尚振锋.纳米材料作为润滑油添加剂的 -09 应用与发展趋势.润滑油，2005,20(2)：21) -8 -6 -5 Ig Ior/(A.cm2) 4]Zhang X,Wang S T,Sun J L,et al.Tribological proper- ties of emulsions for strip cold rolling.J Univ Sci Technol 图10两种轧制液轧后硅钢试样的自腐蚀电位和极化曲线 Beijing,2010,32(5):622 Fig.10 Polarization curves and free-corrosion potential of sil- (张旭，王士庭，孙建林，等.板带钢乳化液摩擦学性能与轧 icon steel samples after being rolled with the two rolling liquids 制工艺特征.北京科技大学学报，2010,32(5)：622) [5]Hernandez Battez A,Gonzalez R.Viesca J L,et al.CuO, 表2两种轧制液轧后硅钢试样的极化曲线电化学参数拟合 ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiwear additive in oil 结果 lubricants.Wear,2008,265(3/4):422 Table 2 Fitting results of electrochemical parameters of sili- [6]Yang C J,Chen G X,Su B,et al.Self-repairing rule of con steel samples after being rolled with the two rolling liquids lubricant with nano-zinc as an additive under point con- 轧制液 Icorr/(A.cm-2) tact.Tribology,2010,30(4):350 ba/mV be/mV 2%纳米Ti02 0.0093 2.582 9.935 (杨长江，陈国需，粟斌，等.点接触方式纳米锌润滑添加剂 DB 0.0173 1.760 10.567 自修复规律的研究.摩擦学学报，2010,30(4)：350) [7]Chang H,Li Z Y,Kao M J,et al.Tribological property of TiO2 nanolubricant on piston and cylinder surfaces.J 3结论 Alloys Compd,2004,495(2):481 (1)水基纳米TiO2轧制液的摩擦学性能与纳 [8]Ye WY,ChengT F,Ye Q.et al.Preparation and tribolog- 米粒子添加量有关.在本实验中，当纳米粒子质量 ical properties of tetrafluorobenzoic acid-modified TiO2 分数为2%时，其综合四球摩擦学性能最好 nanoparticles as lubricant additives.Mater Sci Eng A, (2)在较高的轧制压力下，水基纳米Ti02轧 2003,359(1/2):82 制液具有出良好的轧制润滑性能，改善了轧后硅钢 [9]Sun J L,Wang L,Ma Y L,et al.Surface quality of cold rolling aluminum strips under lubrication condition.J 薄带的表面质量，有效地减少了孔洞、划痕等缺 Univ Sci Technol Beijing,2008,15(3):335 陷.分析其减摩抗磨作用机理为：在较高的轧制压 [10]Li Q D.Meng H M.Influence of nano-SiO2 particle com- 力下，TO2纳米粒子被压入硅钢带材表面，形成滑 positing on the anti-corrosion performance of polyurea 动系，起到减摩抗磨作用 coatings.J Univ Sci Technol Beijing,2011,33(6):745 (3)与传统DB轧制液相比，使用新型水基纳 (李全德，孟惠民.纳米SiO2粒子复合对聚脲涂层耐蚀性 米轧制液轧制的硅钢薄带表面会残留有TO2纳 能的影响.北京科技大学学报，2011,33(6)：745)
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 质量分数为 的 溶液中进行极化 曲线测量 表征 结果如 图 所示 表 为轧后硅钢试样的极 化 曲线 电化学参数拟合结果 由图 可 以看 出使 用 和 纳米 轧制液润滑轧制后得到 的 硅钢试样的 自腐蚀 电位分别为 一 和 一 由表 可知两者对应的自腐蚀电流密度 分 别为 和 · 一 表中 乙二和 。分别 为极化 曲线中阳极极化和阴极极化的斜率 由此可 见表面有残 留的 纳米粒子的硅钢试样的耐 腐蚀性能优于无残 留硅钢试样 米粒子 该层纳米粒子能够提高硅钢薄带的耐蚀 性能 参 考 文 献 一 一 一 一 八 时净﹂﹄。 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 五。 · 一 图 两种轧制液轧后硅钢试样的自腐蚀电位和极化曲线 一 表 两种轧制液轧后硅钢试样 的极化 曲线 电化学参数拟合 结果 轧制液 · 一 纳米 白 结论 水基纳米 轧制液的摩擦学性能与纳 米粒子添加量有关 在本实验 中当纳米粒子质量 分数为 时其综合 四球摩擦学性能最好 在较高的轧制压力下水基纳米 轧 制液具有出 良好的轧制润滑性能改善 了轧后硅钢 薄带 的表面质量 有效地减少 了孔洞 、划痕等缺 陷 分析其减摩抗磨作用机理为 在较高的轧制压 力下 纳米粒子被压入硅钢带材表面 形成滑 动系 起到减摩抗磨作用 与传统 轧制液相 比使用新型水基纳 米轧制液轧制 的硅钢 薄带表 面会残 留有 纳 【」 。。 高秀华叶何舟邱春林等 无取 向硅钢薄带的开发 钢 铁 」 忍 几几 夕尸口 乞。夕 李国宝骆忠汉刘 良田等 冷轧硅钢表面缺陷形成原 因研究 中国钢铁年会论文集 下卷 北京 【 、 · 。乙 黄之杰费逸伟尚振锋 纳米材料作为润滑油添加剂的 应用与发展趋势 润滑油 、 肠 几 几 几 承 ”夕 张旭王士庭孙建林等 板带钢乳化液摩擦学性能与轧 制工艺特征 北京科技大学学报 【 应 汽 、 ·叭 【 ·了 四 杨长江陈国需粟斌等 点接触方式纳米锌润滑添加剂 自修复规律的研究 摩擦学学报 【 肠 一 夕 哪 【 一 一 几 【 、 、 二 砂二夕 【 、 一 一 · ” 。甘 夕 李全德孟惠民纳米 粒子复合对聚脉涂层耐蚀性 能的影响 北京科技大学学报 续