不同類型基礎油在金屬軋制油中的性能對比研究

郭春梅,馬丙水,姜鵬飛,劉偉康,劉銳,徐林勛,祝偉

(山東京博新能源控股發展有限公司,山東 濱州 256500)

0 引言

軋制油是金屬成型加工潤滑油的一種。在金屬軋制過程中, 將軋制油直接噴淋或涂抹到軋輥與軋件上, 起潤滑和冷卻作用[1-2]。軋制過程中,在變形區壓力的作用下,軋輥會產生彈性變形,帶材會產生塑性變形[3-4]。軋制油通過帶材的楔入作用進入變形區,黏附在板帶及軋輥上,以滿足潤滑和冷卻需要[5-7]。

金屬軋制油屬于油基型或含油乳化液產品,與合成型水基軋制液相比具有潤滑效果好、軋件表面質量好等特點,廣泛應用于鋁材、銅材和不銹鋼等對表面質量要求較高的有色金屬及合金鋼的軋制[8-10]。應用中要求軋制油具有良好的潤滑性、抗磨性、冷卻性、高溫清凈性等,因此基礎油的乳化性對添加劑的溶解性能和配伍性能以及可清洗性能等都對軋制油的性能有很大影響[11-12]。

潤滑油基礎油按照原油的類別分為石蠟基基礎油、中間基基礎油、環烷基基礎油等。不同類型的基礎油所含烷烴、環烷烴、芳香烴不同,其化學和物理性質如傾點、黏度指數、殘炭、氧化安定性、溶解能力、顏色穩定性、表面張力、乳化性能、與金屬和皂類的親和力、揮發性等方面有顯著差異[13-14]。在金屬加工領域,人們更多關注的是添加劑的發展[15],重點解決基礎油和添加劑的配伍問題,而對金屬加工液基礎油的選擇更多的是考慮其成本,對不同類型基礎油的技術性能優勢和特點認識不足,相關的應用研究報道也較少。

文章從三種基礎油的理化性能,摩擦學性能以及不同類型基礎油制備乳化液的摩擦學性能,分散穩定性、高溫清凈性等方面,系統闡述不同類型基礎油在金屬軋制油中的應用,為金屬加工液制造商合理選擇基礎油,以及金屬加工生產廠對軋制油類型的選擇提供參考。

1 三種不同類型基礎油的理化性能對比

基礎油是金屬軋制油的主要成分,直接影響到油品的高溫殘留、黏度、對添加劑的溶解性、乳化性、清潔性、氧化性,在進行配方設計時應盡量選擇各項指標能直接滿足或接近產品要求的基礎油,而避免使用大量添加劑。試驗選取了黏度相近的三種基礎油,具體理化性能分析如表1所示。

表1 不同類型三種基礎油理化性能分析

由表1可看出:(1)在相近黏度下,環烷基基礎油的密度大于石蠟基基礎油,密度越接近水越容易乳化,乳化穩定性更優。同樣的配方,環烷基基礎油所需的乳化劑是石蠟基基礎油的60%～70%,而且配方調整彈性大而穩定。(2)環烷基基礎油的黏度指數遠低于石蠟基基礎油,黏溫性能不好,從而高溫下黏度下降快,流動性好,對軋輥和軋件能起到優良的冷卻作用。(3)環烷基基礎油的傾點普遍低于石蠟基基礎油,具有更好的低溫流動性。(4)環烷基基礎油的苯胺點低于石蠟基基礎油,苯胺點越低,對各種添加劑的溶解性能越好,形成的乳化液穩定性也越優良,尤其是含芳烴的環烷基基礎油B對各種添加劑的溶解性更強。(5)環烷基基礎油B雖然含有芳烴,但稠環芳烴較低(小于3%),屬于環保型基礎油。

2 三種不同類型基礎油的摩擦學性能對比

使用四球摩擦磨損試驗機,對三種基礎油的摩擦學性能進行測定,參考GB/T 3142-2019《潤滑劑承載能力的測定(四球法)》,采用最大無卡咬負荷PB值來反映油膜強度,在載荷392 N、轉速1200 r/min、溫度25 ℃條件下,進行60 min長磨試驗,得到乳化液的平均摩擦系數,并測量磨斑直徑,觀察磨斑形貌,測得產品性能如表2、圖1～3所示。

表2 基礎油摩擦學性能對比

圖1 三種基礎油的油膜強度對比

圖2 三種基礎油的摩擦系數對比

由表2、圖1～3可看出:(1)相近黏度條件下,石蠟基基礎油的油膜強度、摩擦系數和磨斑直徑普遍優于環烷基基礎油,也就是分別在極壓、減摩能力和抗磨方面表現優異。這與基礎油的分子結構有關,直鏈正構烷烴的分子結構在潤滑性能方面優于支鏈烷烴以及環烷烴的結構;(2)含芳烴的環烷基基礎油B與不含芳烴的環烷基基礎油A相比,其油膜強度高、磨斑直徑小,由此推測環烷基基礎油中含有一定芳烴有助于其提高極壓性能和抗磨性能。

3 三種不同類型基礎油的高溫清凈性能對比

金屬熱軋過程一般處于400 ℃以上的高溫環境,噴射在高溫金屬板表面的乳化液會有一部分蒸發殘留在表面,影響板面外觀。對于冷軋而言,殘留在表面的乳化液若清凈性不佳,容易形成黑斑,影響表面質量。因此需要對基礎油的高溫殘留情況進行研究。

使用熱重分析儀對三種基礎油進行熱重分析,加熱溫度25～500 ℃,升溫速率10 ℃/min,環境氣氛為空氣,記錄樣品質量隨溫度的變化曲線。熱重曲線以試樣的質量變化(損失)為縱坐標,溫度變化為橫坐標。曲線的斜率越大,揮發速度越快,殘余量越少,油品的清凈性越好,如表3和圖4所示。

表3 熱重曲線分析數據

圖4 三種基礎油高溫殘留情況對比

由表3和圖4可看出:(1)相近黏度下,與石蠟基基礎油相比,環烷基基礎油(包括含芳烴的環烷基基礎油)的起始分解溫度更低,且最終殘余量更小,說明環烷基基礎油的清凈性優于石蠟基基礎油;(2)含芳烴的環烷基基礎油B比不含芳烴的環烷基基礎油A在283 ℃之前,分解速度要更快,283 ℃之后最終殘余量稍大,說明其高溫清凈性稍遜色。

4 三種不同類型基礎油的添加劑配伍感受性對比

為探究三種基礎油的溶解性和添加劑感受性能,選用相同質量的石蠟基基礎油A、環烷基基礎油A和環烷基基礎油B,均加入0.5%相同劑量的極壓劑,并攪拌10 min使添加劑充分溶解。依照GB/T 3142-2019《潤滑劑承載能力的測定(四球法)》,采用MS-10A四球摩擦磨損試驗機,測定所配油品的油膜強度PB。三種基礎油加入極壓劑前后的油膜強度PB及其增幅如表4和圖5所示。

表4 三種基礎油加入極壓劑前后的油膜強度PB對比

圖5 三種基礎油加入極壓劑前后的油膜強度和增幅對比

加入極壓劑后,三種油品的油膜強度均有明顯提升。雖然石蠟基基礎油的油膜強度更高,但從增長幅度看,環烷基基礎油加入極壓劑后,油膜強度可提升至原來的2倍左右,而石蠟基基礎油加入等量添加劑后,油膜強度提升至原來的1.6倍。環烷基基礎油加入極壓劑后油膜強度增長效果更加明顯,尤其是含芳烴的環烷基基礎油對極壓劑感受性更好,因此可以得出環烷基基礎油具有與添加劑優良的配伍性能,且優于石蠟基基礎油;同時油品中含有適量芳烴有利于提升油品與添加劑的配伍性能。

5 相同配方不同類型基礎油乳化液的分散穩定性對比

選擇不同類型的基礎油制備不同親水疏水平衡值(HLB值)的銅冷軋乳化液進行分散穩定性實驗,同時為方便觀察分層情況提高了乳化液濃度。圖6為不同HLB值下10%乳化液靜置30 min后的外觀。

圖6 不同HLB值下10%乳化液靜置30 min后的外觀

由圖6可看出:(1)隨著HLB值的提高,乳化液呈現出不同的失穩狀態,當HLB值較低時,乳化劑在油中的溶解度遠高于水中,上層析出的油皂為白色的油包水型乳化液,而下層的水相含油量較低,呈現出清澈透明的狀態;(2)當HLB值較高時,乳化劑在水中的溶解度遠高于油中,上層油相含水量較少析出透明油液,這一現象在石蠟基基礎油A中尤為明顯,下層為白色的水包油乳液;(3)石蠟基基礎油A在HLB值為10時乳化效果最好,環烷基基礎油A在HLB值為11時乳化效果最好,含芳烴環烷基基礎油B在HLB值為11時乳化效果最好;(4)對比乳化效果最佳時的含三種基礎油的乳化液,石蠟基基礎油A乳化液的分散穩定性最差,環烷基基礎油A以及含芳烴環烷基基礎油B能使添加劑分散的更均勻,乳化液分散穩定性更好。因此,含環烷基基礎油乳化液分散穩定性好,更便于存放,同時有助于節約乳化劑的使用劑量。

6 不同基礎油的金屬軋制乳化液摩擦學性能對比

當把基礎油以及添加劑制備為乳化液使用時,基礎油的摩擦學性能不能代表金屬軋制乳化液的真實性能。一方面,乳化液中含有多種功能添加劑,會對摩擦學性能造成顯著影響。例如基礎油可能由于精制程度不同含有微量的S、P元素,導致測試基礎油時體現出一定的極壓性能,而制作為乳化液后,含量更高、活性更強的極壓劑超過了基礎油中微量S、P元素的活性。另一方面,乳化液發揮潤滑作用需要經歷離水展著以及動態濃縮的復雜過程。金屬軋制乳化液被噴射到金屬軋板表面后,其中的油滴需要吸附在金屬表面形成油膜,在進入軋制變形區的過程中,乳化液由水包油(O/W)轉變為油包水(W/O)結構,如圖7所示。因此,乳化液的乳化狀態也極大影響了其潤滑能力。

圖7 乳化液的離水展著與動態濃縮過程

以石蠟基基礎油A、環烷基基礎油A和環烷基基礎油B分別作為基礎油,采用相同配方制備銅冷軋乳化液。采用MS-10A四球摩擦磨損試驗機,測定三種銅冷軋乳化液的油膜強度、摩擦系數和磨斑直徑,試驗結果如表5、圖8～10所示。

表5 不同基礎油銅冷軋乳化液的摩擦學性能分析

圖8 不同基礎油銅冷軋乳化液的油膜強度對比

圖9 不同基礎油銅冷軋乳化液的摩擦系數對比

圖10 使用不同基礎油制備的銅冷軋乳化液磨斑形貌

由表5、圖8～10可看出:(1)石蠟基基礎油A銅冷軋乳化液仍具有最高的油膜強度,說明其抗極壓性能最好;含芳烴環烷基基礎油B銅冷軋乳化液的油膜強度高于不含芳烴環烷基基礎油A銅冷軋乳化液的油膜強度;(2)環烷基基礎油B銅冷軋乳化液具有最低的摩擦系數,說明其潤滑性能最好;石蠟基基礎油A銅冷軋乳化液的摩擦系數最大;(3)環烷基基礎油A銅冷軋乳化液的磨斑直徑最小,說明其抗磨性能最好,環烷基基礎油B銅冷軋乳化液的抗磨性能稍遜色,石蠟基基礎油A銅冷軋乳化液的磨斑直徑最大,抗磨性能最差。綜合所有摩擦性能分析對比,環烷基基礎油B銅冷軋乳化液的摩擦學性能較優。

7 不同基礎油的金屬軋制乳化液高溫清凈殘留性能對比

為了避免黏度影響,選用黏度更相近的石蠟基基礎油A和環烷基基礎油B兩種基礎油,驗證基礎油制備為乳化液后的高溫殘留情況,采用相同的配方制得鋁熱軋軋制乳化液。

高溫清凈性試驗參考EXXON退火法。在鋁板表面滴加不同基礎油組分的乳化液進行模擬退火試驗,加熱至450 ℃保溫1 h,并空冷至室溫,觀察鋁板表面殘留情況。EXXON退火盒法試驗:使用一個Ф70 mm×2 mm鋁盒,盒蓋表面距邊緣2 mm處呈等邊三角形頂點有三個Ф2 mm的通孔,滴入盒中0.125 mL乳化液,在450 ℃保溫1 h后,觀察鋁盒底面顏色的變化。試驗結果如圖11所示。

圖11 使用不同類型基礎油制備的乳化液進行退火試驗后的表面殘留情況

由圖11可看出,使用環烷基基礎油制備的乳化液,退火后表面殘留情況更好,比石蠟基基礎油制備的乳化液高溫殘留少。在鋁熱軋工況下,能夠保證軋件表面具備良好的高溫清凈性,有助于改善鋁制品表面質量。

8 不同基礎油的金屬軋制乳化液中試軋機結果對比

在Ф330 mm×200 mm二輥可逆熱軋試驗機組,在軋制速度為20 r/min的條件下,進行鋁板熱軋潤滑試驗。

試驗鋁板材質:1060鋁合金坯料,實驗室自購熱軋中間坯。試樣規格: 200 mm×100 mm×30 mm,化學成分如表6所示。鋁坯料升溫制度:升溫至450 ℃,保溫1 h,軋制制度如表7所示。

表6 1060鋁合金化學成分及占比 %

表7 七道次軋制制度

以石蠟基基礎油A、環烷基基礎油A和環烷基基礎油B分別作為基礎油制備鋁熱軋乳化液,按照統一的配方體系分別制得樣品1鋁熱軋乳化液、樣品2鋁熱軋乳化液和樣品3鋁熱軋乳化液。并與國內外知名品牌的鋁熱軋乳化液競品1和競品2進行對比。乳化液外觀及軋制現場如圖12、圖13所示。

圖12 乳化液油與乳化液外觀

圖13 不同潤滑條件下的軋后鋁板

由圖13可看出,潤滑條件下樣品1與樣品2鋁板表面都有蒸發殘留和較明顯的臺階狀結構,樣品3鋁板表面臺階狀結構不明顯,表面質量較好;潤滑條件下競品1鋁板表面臺階狀結構稍明顯,有較多的蒸發殘留,競品2鋁板表面臺階狀結構不太明顯,但鋁板表面有少量蒸發殘留。三個樣品鋁熱軋乳化液和兩個競品鋁熱軋乳化液,軋制過程中各道次后板帶厚度變化如表8和圖14所示。

表8 七道次軋制鋁板平均厚度

圖14 各道次軋制厚度變化

由表8和圖14可看出,各道次軋制厚度變化,按照軋板厚度從小到大的順序:樣品3鋁熱軋乳化液(環烷基基礎油B)<樣品2鋁熱軋乳化液(環烷基基礎油A)<樣品1鋁熱軋乳化液(石蠟基基礎油A)<競品2鋁熱軋乳化液<競品1鋁熱軋乳化液。由此說明,以環烷基基礎油為基礎油的鋁熱軋乳化液具有良好的潤滑性能,尤其是含芳烴的環烷基基礎油鋁熱軋乳化液其潤滑性能更為優異。

9 結論

(1)在相近黏度下,環烷基基礎油與石蠟基基礎油相比密度大、乳化穩定性更優;黏度指數和傾點低,對軋輥和軋件能起到優良的冷卻性,且便于儲存和運輸;苯胺點低,溶解性能好,形成的乳化液穩定性更優良。

(2)石蠟基基礎油的油膜強度、摩擦系數和磨斑直徑普遍優于環烷基基礎油,表現出更優異的極壓性能、減摩能力和抗磨性能。含芳烴的環烷基基礎油比不含芳烴的環烷基基礎油具有更好的極壓性能和抗磨性能。

(3)相近黏度下,環烷基基礎油的高溫清凈性優于石蠟基基礎油。含芳烴的環烷基基礎油比不含芳烴的環烷基基礎油高溫清凈性稍遜色。

(4)環烷基基礎油與添加劑的配伍性,優于石蠟基基礎油;油品中含有適量芳烴有利于提升油品與添加劑的配伍性能。

(5)與石蠟基基礎油乳化液相比,環烷基基礎油乳化液分散穩定性和高溫清凈性更好,更便于存放,退火后金屬表面質量更優。

(6)石蠟基基礎油銅冷軋乳化液抗極壓性能最好,但潤滑性能和抗磨性能不如環烷基基礎油銅冷軋乳化液。綜合所有摩擦性能分析,含芳烴環烷基基礎油銅冷軋乳化液的摩擦學性能較優。

(7)與石蠟基基礎油乳化液相比,以環烷基基礎油為基礎油的鋁熱軋乳化液具有良好的潤滑性能,尤其是含芳烴的環烷基基礎油鋁熱軋乳化液潤滑性能更為優異。