纳米润滑粒子与轧制变形表面交互作用及模型研究

Rolling fluid with nanoparticles which has been ahead of theoretical research is applied in plate and strip rolling production. But the mechanism of nanoparticles is yet not clear in rolling deformation zone and rolling lubrication model with nanoparticles has not been established, which becomes the key scientific problems of hindering the further development and application of nano-lubricating technology. The research object of this project is rolling liquid with nanoparticles. Rolling lubrication model with nanoparticles is built for the first time and nanoparticles lubrication mechanism is researched from tribological viewpoint. Firstly, identify the work form of nanoparticles in rolling deformation zone and analyze the size, morphology and structure of nanoparticles. And then clear the interaction mechanism between nanoparticles and new deformed surface of metal in the rolling process and study various physical, chemical interactions of nanoparticles on metal newborn surface. Lastly, build the rolling lubrication model with nanoparticles on the basis of traditional emulsion oil film thickness, pressure model and analyze the change of nanometer film thickness, concentration of nanoparticles, and nanometer film pressure in rolling deformation zone. Discuss the formation mechanism and acting action mode of nanometer film and reveal nanoparticles lubrication mechanism. The project on study of the nano-lubricating technology has direct significance and role, and has the huge economic efficiency in energy conservation and emission reduction, and has the extremely high theory and application value.

添加纳米粒子的轧制液已先于理论研究尝试在板带钢轧制生产中使用，但纳米粒子在轧制变形区的作用机理尚未明确，纳米轧制液润滑模型还未建立，成为阻碍纳米润滑技术进一步发展及应用的关键科学问题。本项目以纳米轧制液为研究对象，首次建立纳米轧制液润滑模型，从摩擦学角度研究纳米粒子的润滑机理。首先确定纳米粒子在轧制变形区的工作形态，分析纳米粒子的粒径、形貌和结构；接着明确轧制过程中纳米粒子同变形金属新生表面的交互作用机制，研究纳米粒子在金属新生表面发生的各种物理、化学相互作用；然后借鉴传统乳化液润滑油膜厚度、压力模型，建立轧制变形区纳米轧制液润滑模型，分析纳米膜厚度，纳米粒子浓度、纳米膜压力等在轧制变形区的变化，探讨纳米膜形成机理及作用形式；揭示纳米粒子的润滑机理。该项目对研究纳米润滑技术具有直接的指导意义与推动作用，而且在节能减排方面也潜在着巨大经济效益，具有极高的理论及应用价值。

随着轧制过程向高温、高负荷、高速方向的发展趋势以及对产品质量要求的不断提高，作为轧制关键技术之一的工艺润滑也面临着新的挑战。传统的润滑剂已不能满足市场的需求。随着纳米技术的出现，纳米润滑剂应运而生，纳米轧制液已先于理论尝试板带钢轧制生产中使用。然而纳米粒子在轧制变形区的机理尚不明确，润滑模型尚未建立。在此背景下，本课题首先进行了一系列的基础性实验，筛选出TiO2，MoS2，ZnO以及BN等纳米粒子作为研究对象，通过FT-IR红外光谱仪、Zeta电位仪、分光光度计和润湿角测量仪等对纳米粒子在轧制液中的分散稳定性及理化性能进行了探讨，明确了纳米粒子在轧制液中稳定分散、润湿转变以及“增黏”机制；使用MR-S10A四球摩擦磨损实验机、MM-W1A型万能摩擦磨损试验机、Gleeble1500热压缩实验机及四辊轧机对纳米粒子在轧制液中的摩擦学性能进行了研究，确定了纳米粒子在变形区的存在形式以及抗磨减摩机理；同时，运用SEM、TEM、XPS等手段对变形区进行了表征和分析，探明了纳米粒子在轧制变形表面的交互作用机制：一方面纳米粒子在未直接接触区域提高了水基轧制液的流体润滑性能和承载性能；另一方面纳米粒子能够沉积在氧化层表面，减少了氧化铁皮微凸体与轧辊的直接接触；基于雷诺方程，通过理论计算，得到了纳米轧制液在入口区以及变形区的纳米膜厚度模型，并提出了流/固两相协同润滑模型。项目资助执行期间，项目组共发表论文13篇，其中SCI收录7篇，EI收录5篇；申请专利6项，3项已授权；培养博士研究生4名，硕士研究生4名，其中2名博士研究生和4名硕士研究生已顺利毕业。