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铝材轧制润滑剂的摩擦化学研究内容及进展 周亚军　周立　毛大恒　 （中南大学机电工程学院，湖南长沙，410083） 摘要：本文从轧制过程中金属表面化学效应、润滑剂在金属表面吸附机理、润滑吸附膜的结构和润滑剂的摩擦化学反应等几方面评述了铝材轧制润滑剂的摩擦化学研究内容和必威体育精装版进展，对其存在的问题及发展趋势也作了讨论。 关键词：摩擦化学　铝材轧制　润滑剂　金属表面化学效应　摩擦 铝材轧制过程因摩擦发热和金属塑性变形热，轧制变形区产生的高温容易造成铝材与轧辊之间粘结，严重影响产品的表面质量。为此，铝材轧制需使用轧制润滑剂。润滑剂一方面能冷却轧辊和轧件，降低轧制界面温度，另一方面能在轧辊和轧件之间形成隔离润滑层，减少表面接触处微凸体的初始接触点，防止表面粘接，提高产品的表面质量，并能起到节能降耗的功效。这些作用取决于在轧制力和摩擦力作用下润滑剂与金属(铝材及轧辊)表面发生摩擦化学反应：包括润滑剂与金属表面的物理吸附、化学吸附与化学反应，以及生成的表面润滑膜在边界润滑条件下起到降低摩擦、减少磨损的作用。润滑剂摩擦化学往往是在机械能、热能、电能等共同作用下产生的化学变化，它与相对运动的摩擦表面所产生的各种物理与化学效应直接相关，并且由磨损和金属塑性变形而引起的表面晶格缺陷和金属新生面对化学反应还具有催化作用，有时还可以激发某些反应的发生 [1,2] 。 1　轧制过程中金属表面产生的化学效应 铝材轧制是一种金属塑性加工，其摩擦与润滑有别于一般的机械传动，在轧制、摩擦等机械能的作用下，其摩擦界面（接触变形区）具有高速、高压、高温的特点，并不断产生新生金属表面。铝材轧制时接触变形区界面压力高出金属屈服强度数倍，可达500~2500MPa，而即使在负荷较大的滑动轴承中，接触面压力通常只有20~50MPa。在巨大的机械应力作用下，原子间的距离、价角和键的自然频率都会发生改变，从而影响化学反应的一些参数，化学活化能随着机械应力的增加而降低[2]。铝材轧制使新生金属表面依次袒露，表面不断更新。新生表面处于暂时的高能不平衡状态，向外发射出低能光子电子，这种现象称为Kramer效应。在润滑、摩擦、磨损的研究中，发现一些添加剂的作用与表面电荷或表面放出电子有关，卡日达斯提出了润滑剂与金属界面作用的阴离子机理[2]。 铝材轧制过程的摩擦和不均匀变形，使铝合金加工表面层的位错显著增加。一般金属或合金中的位错密度约为104~107根/cm2，经冷加工后可增加至约1012~1013根/cm2[20]。位错是引发金属表面化学反应的极重要活泼因素之一，过剩能量在表面层位错区积聚，从而也减少了摩擦化学反应所需的活化能。即位错积聚的能量越大，摩擦化学反应的活化能越小[21]。此外，由于变形热和表面摩擦热使轧制变形区产生较大的温升，并产生局部瞬间高温。高温一方面使吸附的润滑剂分子解附，润滑膜变薄；另一方面，还使润滑剂分子和表面金属原子的热运动增加，界面层化学活性增强。以上这些效应都将很容易激发某些化学反应，摩擦化学反应所需要的自由能仅为热化学反应活化自由能的1％~10％[1]，并在摩擦表面形成新的化学产物，而这些摩擦化学产物又将导致材料某些机械物理性能的变化。Rehbinder发现某些脂肪酸、醇等有机物对金属表面有软化作用，这种被称为Rehbinder效应的原理导致了含脂肪酸、醇等有机物的加工润滑剂在铝材压力加工过程中的普遍使用。 润滑剂在金属表面的吸附作用 铝材轧制加工因加工工艺的特殊性，润滑剂由基础油和添加剂组成，添加剂多为碳原子数为10~18的脂肪酸、醇、酯及其衍生物复配而成[3]。边界润滑是塑性变形区主要的润滑方式之一，它与润滑剂的吸附作用密切相关。有机分子在金属界面间形成的吸附膜能有效降低金属界面间的接触力，因此金属表面吸附层的特性决定了边界润滑的有效性。长链脂肪酸、醇、酯在金属表面吸附行为作了不少的研究，但实验结果并不相同。如Bowden F P和Moore AC将具有放射性的金属薄板浸在含有酸、醇、酯的苯的稀溶液中，然后用苯清洗去薄板上的有机分子吸附膜，测定溶液的放射性，结果表明酸在活泼金属表面发生化学吸附，醇、酯则发生物理吸附[4]。Smith H A和A11en K A使用放射性同位素标定的有机酸分别吸附到金属的新生表面和氧化表面上，结果表明正十九酸在新生表面上的吸附量迅速达到最大值后保持不变，而在氧化物表面上，吸附量则随时间推移而缓慢升高；十九酸在金属表面的吸附量按下列顺序递减：铜、镍、铁、铝。Daniel S G采用膜天平法研究了金属粉末(如Fe，Ag，Ni，Cu，A1)从苯溶液中吸附十八烷醇、硬脂酸、硬脂酸乙酯、油酸的吸附等温线。实验表明：吸附在前5min内完成了约90％的吸附量，一般在1—4h内便能达到完全平衡；实