润滑在金属加工过程中的作用

金属加工过程中润滑的作用

为了了解润滑在金属加工过程中的作用，了解润滑的摩擦学非常重要。摩擦学由边界摩擦组成，几乎与金属加工的所有操作相关。它是由两个相邻表面在压力下的相对运动引起的。在金属加工过程中，轧辊与工件之间的相对运动通过轧辊的表面速度差来改善

摩擦

摩擦在金属加工过程中起着重要作用。它被定义为两个接触物体之间相对运动的阻力。这是一个能量耗散过程，会导致界面温度升高，如果过高，可能会导致表面损坏。它还影响金属加工过程中发生的变形。根据最早的理论，摩擦是互锁的两个粗糙表面相互滑动的结果。摩擦力实际上是由载荷、速度、温度、滑动副所涉及的材料以及流体和气体在界面处的各种影响等大量变量引起的。

最普遍接受的摩擦理论是基于接触体的严重程度之间产生的附着力。可以看出，无论表面多么光滑，它们彼此接触的只是其表观接触面积的一小部分。因此，金属加工过程中的负载几乎没有接触的严重程度。因此，严重连接处的法向应力很高。在轻载荷下，接触应力只能是弹性的。然而，随着负载增加到金属加工过程中涉及的某些水平，可能会发生严重程度的弹性变形，并且连接处会形成粘合（微焊缝）。

粘合剂的性质和强度取决于许多因素。其中包括 (i) 接触的两个表面的互溶性和扩散，(ii) 接触的温度和时间，(iii) 界面处存在的氧化膜或污染物的性质和厚度，以及 (iv)润滑膜。

对于干净的新生表面（例如通过切割产生的表面，或在表面延伸较大的金属加工操作中产生的表面），并且没有任何污染物或润滑膜，由于冷压焊接，接合处的强度很高。因此，接合部的剪切强度高，因此摩擦也高。随着污染物或润滑剂的引入，或随着氧化层的形成（在某些情况下可能只需要几秒钟），结的强度会降低，因为在这些条件下，无法形成牢固的结合。因此，摩擦力较低。

摩擦力使表面温度升高。温度随着 (i) 速度、(ii) 摩擦系数和 (iii) 降低材料的热导率和比热而增加。导热率越高，进入工件主体的热传导就越大。此外，比热越高，温升越低。温升可能足够高以熔化界面或导致相变、残余应力和表面损伤（冶金烧伤）。

穿

磨损定义为表面材料的损失或去除。磨损可以在不同的条件下发生。由于这些条件造成的磨损可以是 (i) 干磨损或润滑磨损，(ii) 滑动或滚动接触磨损，以及 (iii) 断裂磨损，或 (iv) 塑性变形磨损。有四种基本的磨损类型。这些是 (i) 粘着磨损，(ii) 磨粒磨损，(iii) 疲劳磨损和 (iv) 腐蚀磨损。通常，在金属加工过程中，前三种磨损类型是令人感兴趣的。最后一种磨损也可能是由于在各种液体和气体存在下轧辊和工件相互作用的结果。特别是在这种情况下，应根据轧辊成分选择适当的润滑化学成分，以避免过度腐蚀轧辊磨损。

• 粘着磨损——这种类型的磨损是由于接合处在滑动过程中被剪切造成的。如果接合处具有牢固的结合（例如具有干净的界面，在高负载下，并且有足够的时间在两个主体之间接触），则接合处的断裂发生在严重程度的界面上方或下方。通常，裂纹是通过较软的金属形成和传播的。在反复循环下，转移的颗粒变成松散的磨损颗粒。在严重的粘着磨损情况下，该过程称为擦伤、擦伤或咬合。为了发生粘着磨损，两个滑动表面之间必须具有粘合和焊接的亲和力（反应性）。最严重的磨损情况发生在两个干净的表面之间，在高正常负载下和在真空中。有效润滑剂的基本作用是通过用一层润滑剂分隔表面或通过通过化学反应形成低剪切强度化合物来降低界面的剪切强度来降低严重程度焊接的趋势。表面薄膜在粘着磨损中非常重要。除润滑层外，表面几乎总是被氧化层、污染物和吸附的气体或流体覆盖。这些薄膜显着降低了界面的剪切强度。因此，在实践中观察到的磨损通常低于其他情况。氧化膜在摩擦和磨损中起重要作用。这种影响取决于滑动过程中氧化层被破坏的相对速率以及它们形成的速率。如果破坏率很高，则说明表面没有得到很好的保护，磨损也很大。
• 磨料磨损 - 在磨料磨损过程中，材料会通过刮擦以及产生细条和微芯片而从表面去除。因此，材料越软，磨粒磨损率越高。此外，负载越高，磨损率越高。磨料磨损可以是二体型和三体型。在后者中，第三个物体由磨损颗粒或任何其他硬污染物（如润滑剂中的污染物）组成，它们被困在两个滑动表面之间。这种机制也称为侵蚀磨损。这种类型的磨损在金属加工过程和设备维护中很重要。为了减少氧化物、金属碎屑或其他金属颗粒的堆积，需要定期检查、过滤或更换润滑剂。
• 疲劳磨损 - 疲劳磨损通常称为表面疲劳或表面断裂磨损。这是轧辊和工件之间界面循环加载的结果。由于机械力或热应力（热疲劳）导致的疲劳机制，在一段时间内会在表面上产生裂纹。在这两种情况下，材料通过剥落或点蚀从表面（通常是金属加工工具）上去除，从而裂纹通过在表面下方相互连接而合并。在疲劳磨损中润滑起着复杂的作用。润滑剂可减少摩擦，从而降低可导致疲劳失效的应力水平。另一方面，如果裂缝由于某种机制或原因而发展，流体会通过表面张力渗透裂缝。在随后的加载循环中，流体被截留，并且由于它是不可压缩的，因此在裂缝开口中会产生高静水压力。反过来，这会将裂纹进一步传播到金属加工工具的主体中。例如，点蚀不会发生在未润滑的界面中，除非发生化学侵蚀。

润滑机制

很明显，通过保持滑动表面彼此分开可以减少或消除摩擦和磨损。另一方面，由于金属加工过程中涉及的载荷和速度以及金属加工工具和工件界面的几何形状，在机械元件中，例如润滑轴颈轴承和空气轴承，可以很容易地满足这一要求通常是这样的，它们不容易允许润滑剂膜的存在。润滑剂也用作冷却剂，以消散摩擦或滚动产生的热量。它也适用于冲走诸如氧化铁和银条等颗粒。然而，应用流体的主要功能是润滑，因此通常不使用“冷却剂”一词。下面给出了轧制过程中主要的润滑机理。

• 厚膜（流体动力）润滑——在这种类型的润滑（也称为全流体膜）中，两个表面被连续的流体膜完全隔开。该薄膜的厚度约为配合面表面粗糙度的 10 倍。流体膜可以通过流体静力（通过截留润滑剂）或更一般地通过在界面处存在粘性流体时滑动表面的楔形效应来形成。因此，在这种类型的润滑中，润滑剂的整体性能（尤其是粘度）很重要，润滑剂对金属表面的化学作用并不显着。在厚膜润滑中，负载通常较轻且速度较高。摩擦系数非常低，通常在 0.001 到 0.02 的范围内。没有磨损，除了可能进入润滑系统的任何异物（第三体）。这种类型的润滑通常不会出现在金属加工过程（包括轧制过程）中，除了在具有高粘度润滑剂和高运行速度的模具-工件界面处的孤立区域。
• 混合润滑 - 厚膜润滑中的油膜厚度可通过 (i) 降低粘度（例如由于温度升高）、(ii) 降低滑动速度或 (iii) 增加负载来减少.表面变得彼此靠近，金属加工工具和工件之间的法向载荷部分由表面的金属与金属接触支撑，部分由界面表面粗糙度中流体动力袋中的流体膜支撑。这通常称为混合润滑，也称为薄膜或准流体动力状态。膜厚低于表面粗糙度的三倍。摩擦系数可高达约 0.4（因此，力和功耗会显着增加），并且磨损可能很严重。对于有效截留润滑剂有一个最佳粗糙度，推荐的粗糙度通常为 15 微米。流体动力袋还用作向界面处缺乏润滑剂的区域提供润滑剂的储存器。
• 边界润滑——在边界润滑的情况下，一层薄薄的润滑膜通过分子力（例如范德华力）或化学力（化学吸附）物理粘附在表面上。通常的边界润滑剂是油、脂肪油、脂肪酸和肥皂。边界膜可以在干净的表面上迅速形成，即使在钛和不锈钢等某些材料上的反应性非常低。在这种情况下，可以通过在金属加工工具表面上而不是在工件表面上形成边界膜来增强润滑。一个重要的区别是，与全流体膜润滑中润滑剂的整体特性（例如粘度）很重要不同，在边界润滑中，润滑剂的化学方面及其与金属表面的反应性很重要，并且粘度具有次要作用。在边界润滑区，摩擦系数通常在 0.1 到 0.4 的范围内，取决于边界膜的强度和厚度。在轧制等金属加工操作中经常观察和实践边界润滑。这种润滑方式的磨损率取决于金属加工过程中因摩擦或脱附而破坏薄膜的速度。如果保护边界层被破坏，则摩擦和磨损通常很高。因此，这种薄膜的附着力和强度对于边界润滑的有效性来说是一个非常重要的因素。压力、速度和粘度对薄膜厚度的作用也需要得到认可。
• 极压 (EP) 润滑 - 在 EP 润滑的情况下，金属表面会通过不可逆的化学反应进行化学活化。这些反应包括金属加工液中的硫、氯化物和磷，在配合的金属表面上形成盐。即使在高金属加工工具-工件接触压力下，这些表面也能防止或减少界面处严重程度的焊接。因此，润滑被称为“极压”。此外，由于它们的低剪切强度，这些表面膜还可以减少摩擦。然而，随着温度的升高，这些薄膜可能会破裂，破裂的温度取决于特定的 EP 添加剂（单独使用或组合使用，例如硫和氯）和金属表面的成分。当薄膜破裂时，会发生金属与金属的接触，随后会增加摩擦和磨损。然而，硫酸盐和氯化物的保护膜相对容易再次形成，尤其是在干净的新表面上。空气、氧气、湿度和水对极压润滑起着重要作用。
• 弹性流体动力 (EHD) 和塑性流体动力 (PHD) 润滑 - 在金属加工过程中，由于金属加工过程中遇到的应力，金属加工工具可能会发生变形和变形。已经表明，由于钢的弹性模量有限，这些变形可以足够大，以改变金属加工工具-工件界面的几何形状，从而影响应力、接触面积和几何形状以及压力分布。因此，使用了术语“弹性流体动力学”。另一个适用的因素是润滑剂在压力下的粘度增加（甚至凝固）。这反过来又有助于形成流体动力膜，导致膜厚度增加。 EHD 的延伸是“塑性流体动力”润滑。在该系统中，在带材轧制等工艺中，润滑剂会被夹带或夹带在轧辊工件界面的会聚间隙处。因此，形成了全流体膜，摩擦和磨损大幅下降。这些现象在集中接触的过程中尤其重要，例如薄带冷轧，因为相对界面尺寸的微小变化会对力和变形几何形状产生影响。

表面张力和润湿的作用

除了润滑剂的粘度及其与工件以及金属加工工具材料反应的化学性质外，表面张力和润湿性在润滑中也起着重要作用。润湿是一种与表面张力有关的现象，表面张力是表面能的一种表现形式。润滑剂的润湿特性取决于它作为连续薄膜在工件表面的扩散程度，因为它是润滑的一个重要方面。可能存在希望润滑剂留在金属加工工具和工件的界面的特定区域中的情况。例如，在手表中，需要用于枢轴点的非迁移（非润湿）润滑剂。固体金属表面上的一滴流体（如金属加工润滑剂）的形状取决于金属、流体和空气之间的界面张力。液滴外围与表面所成的角度称为接触角。接触角越小，流体的润湿特性越好。通过添加润湿剂（例如醇类和乙二醇）或通过提高温度来改善金属加工液的润湿性。还注意到通过增加表面粗糙度可以改善润湿性。

可以看出，金属加工中的润滑涉及不同的机制，这些机制取决于 (i) 金属加工工具-润滑剂-工件界面的化学成分，(ii) 润滑剂应用的方法，(iii) 工艺的几何形状， (iv) 运作机制。此外，润滑方式在金属加工循环期间经常变化，这取决于轧制过程速度的变化以及变形量以及所涉及的随之而来的压力和应力。

润滑油的选择

目前有五种不同类别的金属加工润滑剂用于在各种表面和材料上进行金属加工操作。选择的润滑剂是为了提供良好的生产力，同时也是为了满足法定机构对工厂运营施加的环境限制。不同类型的金属加工润滑剂是（i）蒸发化合物，（ii）化学溶液（合成），（iii）微乳液（半合成），（iv）宏观乳液（可溶物）和（v）石油基润滑剂。每组润滑剂的反应性物理和化学性质如下所述。这些不同润滑剂的比较见表1。

• 蒸发性化合物 - 蒸发性润滑剂也称为挥发油。这些是金属加工过程中广泛使用的润滑剂。该组的物理特性非常灵活。润湿能力可以调整或修改，以适应金属加工过程的严重性。还可以控制润滑剂的干燥速率（取决于蒸发载体）。在重型蒸发应用中，可以添加极压添加剂，为工具和工件提供额外的保护。蒸发性润滑剂通常不会从工件上清除，通常不需要脱脂。使用辊涂法可以很容易地涂抹蒸发润滑剂。它们也可以通过使用适当类型的无气喷涂方法来应用。然而，蒸发的化合物不能再循环。该系列润滑剂是涂漆、涂层、乙烯基和镀锌表面以及有色金属和黑色金属材料的理想选择。在许多情况下，同一种专用金属加工润滑剂不仅可以用于产品，还可以为所涂的润滑膜提供长期防锈保护。
• 化学溶液（合成） - 化学溶液（合成）是金属加工润滑剂中发展最快的系列之一。这些润滑剂经济、环保、易于处理，非常适用于涂层、镀锌、冷轧钢，在某些情况下，还适用于不锈钢。化学溶液无需事先清洁即可轻松焊接，并可用于其他二次操作，例如冲压、切断，甚至钻孔和攻丝。化学溶液是均匀的混合物，当固体、液体和气体完全溶解在称为溶剂的液体中时形成。这些溶液（也称为合成液或化学液）不含油，仅含有水溶性缓蚀剂、润湿剂、润滑剂（复合酯）、杀菌剂（杀菌剂）、消泡剂，有时还含有极压剂。有几种不同类型的化学溶液可供选择。有用于重型金属加工的肥皂型解决方案。极压型解决方案用于高强度合金，非离子型非常适合铝和涂层钢部件的金属加工。化学溶液可以通过辊涂、喷涂或用于适当设计的再循环系统。
• 微乳液（半合成） - 有时，金属加工操作需要润滑剂，以提供出色的冲洗、冷却和改进的润滑质量。微乳液非常适合用于镀锌、热轧、冷轧和不锈钢。微乳液通过结合乳化剂、水溶性缓蚀剂、润湿剂、有机和无机盐，有时还包括极压剂来提供一定的膜强度。微乳液是其中分散颗粒在0.01mm至0.06mm范围内的乳液。这些乳液在外观上通常是半透明或透明的。它们的小粒径为各种类型的金属加工提供了出色的渗透和冷却效果。微乳液可以喷涂、辊涂或用于溢流式冷却剂系统。
• 大乳液 - 大乳液（有时称为“可溶性油”）包含油基润滑剂，例如悬浮液滴形式的矿物油或复合油，它们已在特殊化学品的帮助下分散称为乳化剂的试剂。乳化油滴大到足以使制成的润滑剂外观呈乳白色（或有时半透明）。乳液作为润滑剂的作用可以接近分散相的作用。乳液也可以配制为包含更高水平的极压剂或阻隔膜（聚合物、脂肪等），用于重型操作。大乳液外观通常为乳白色。它们通常用于重型金属加工工艺，例如结构构件、货架、汽车和家具部件的滚压成型。
• 石油基金属加工润滑剂 - 该系列金属加工润滑剂为用户提供了最广泛的各种润滑剂特性选择，包括化学性质和物理性质。构成该系列润滑油的主要载体是调和油（可以具有不同的粘度）。为了获得额外的物理特性，还可以添加脂肪、聚合物和润湿剂等添加剂。如有必要，配方中可加入化学极压剂，如硫、氯和磷。在特殊情况下，可加入添加剂进行防锈。此外，可以包括清洁诱导器以提供更容易的清洁。石油基润滑剂选择性地用于金属加工过程。不锈钢的装饰性零件和一些重型成型部件可能需要石油基润滑剂。

图1滚动润滑剂的种类

润滑油添加剂

润滑剂的性能经过改进，并通过添加剂使其适用于特定应用。添加剂除了具有其他几种功能外，还可以改善润滑性能，保护金属表面。防锈剂或腐蚀抑制剂通常是硝酸盐或磷酸盐。 EP 添加剂是硫、氯或磷化合物。 EP 添加剂可减少金属在压力下的冷焊并防止金属“堆积”，但会降低润滑性能。添加剂，如酯类、动物脂肪和脂肪酸被添加到油中以降低表面张力或使其更好地扩散。合成型润滑剂用磷化合物或其他化学物质改性，用作润滑清洁剂。降低的表面张力使润滑剂更均匀、更快速地到达接触区域。

应用方法

通常有四种方法用于润滑剂的应用。这些方法是 (i) 滴注、(ii) 辊涂机、(iii) 再循环系统和 (iv) 无气喷涂。每种方法都有自己的优势，如下所示。

• 滴灌 - 化学溶液、可溶性油和蒸发化合物可以通过将滴灌润滑器与某种类型的擦拭布（包括毡垫、开孔泡沫、地毯材料或填料）结合使用来涂抹。滴注润滑器本身不足以提供足够且连续的润滑剂膜。通常，供给滴注润滑器的容器要足够大，以容纳至少 1 到 2 小时的大量润滑剂供应。润滑剂可以涂在钢带或上下辊上。
• 辊涂机——这种方法由一个小型可移动油箱和泵送装置组成，它们为擦拭头或辊筒提供润滑剂。润滑剂的厚度和用量可以控制，多余的会流回油箱。使用辊涂机润滑预涂或抛光材料时，建议使用聚氨酯或氯丁橡胶辊，以确保工作表面没有划伤或标记。钢辊有时会导致涂层表面出现问题。在许多情况下，辊涂机本身不能产生足够的润滑膜来冲洗掉铝、镀锌和热辊产生的颗粒。有时，安装在可能发生堆积的金属加工关键区域的喷雾器可以冲洗掉不必要的颗粒。使用润滑剂（尤其是在宽条上）时可能发生的另一个问题是材料具有“冠部”。在这种情况下，滚子只能润滑高点，而外侧边缘没有润滑剂。波浪条上可能会出现类似的问题。柔软的滚轮可以帮助自己调整到这种凸度或波浪状的状态。
• 循环系统 - 在处理较厚的材料以及冷轧和热轧钢（尤其是带有氧化皮）时，应用润滑剂的循环系统通常是最佳方法。在这里，足够量的润滑剂不仅需要保护金属加工工具，而且工艺过程中产生的水垢和金属细屑也要从工具中冲走并进入油箱。挡板、沉淀池和过滤器的使用有助于收集大量污染物和金属细粉，有助于保持冷却液相对清洁。磁铁非常有助于将再循环的金属量降至最低。
• 无气喷涂机 - 无气喷涂系统被有效地用作特定金属工作站的辅助装置，用于在流程中的某个关键点重新涂抹润滑剂，并用于切断模具的润滑。这些系统适用于可溶物、轻油和蒸发化合物，并且非常可靠。使用无气喷涂获得的喷涂图案可以是圆形或扇形。由于可用的各种喷射模式，它是一种可靠的局部润滑方法，既可以在工件进入金属加工工具之前润滑工件，也可以在工具本身中润滑。现代的无气喷涂系统不会产生导致过度喷涂问题的薄雾或雾气。相反，它可以精确地对准金属加工工具中的目标区域，并与设备循环同步操作。






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