作者：宋世远 姜伟 成崇远 黎勇 张杰
来源：后勤工程学院霞庆 西南铝业集团有限责任公司
铝及铝合金板材的加工质量，主要表现在尺寸公差和表面质量上，而表面质量直接受轧制乳化液的影响，所以性能良好的轧制乳化液对铝加工工业具有十分重要的意义。
我国铝及铝合金的轧制长期以来一直使用前苏联的59u乳化液作为工艺润滑剂，但其使用寿命短(7～14,t)、稳定性差、易析油析皂，特别是极易产生退火油斑，从而严重影响产品的外观质量。首先，为解决59u,乳化液润滑性不足、清洗能力差的问题，必须同时向轧辊上喷煤油和变压器油的混合油，这种工艺虽然改善了59u,乳化液的润滑性能和清洗性能，但是这会导致乳化体系破坏，乳化液稳定性变得极差，析皂、浮油严重，轧制过程中不得不从池中清除浮油浮皂；二是由于大量皂和油的析出，导致铝板上吸附的皂和油量增大，从而进一步加剧了退火油斑的生成；三是导致轧制工艺复杂化，增加了额外的轧制工艺程序。对此，我国将轧制润滑剂的研究列为“七五”攻关项目，从20世纪80年代开始研制新型轧制乳化液，并在热轧方面相继研制成功了100号，200号，1022号和84号产品，但在使用浓度和热分离性方面仍与国外产品有相当大的差距。至于冷轧工艺仍沿用前苏联的59u,乳化液。
1 铝冷轧乳化液的特殊性能要求
铝板冷轧乳化液长期以来未能研制出高质量新产品的原因，在于该乳液的特殊性能要求：①要有良好的润滑性，该性能要求乳化液热分离性好，油性润滑剂的极性要大，但这会导致乳化液稳定性变差，容易产生退火油斑；②良好的退火性能，该性能要求油性润滑剂在铝板上的吸附性要小，分子量不能太大，但这又导致润滑性变差；③乳化液常温下稳定性要好，但这又与工作时要求热分离性好相矛盾。由此可见，该乳化液的各项性能之间是相互矛盾的，如何解决润滑性与退火清净性，乳化液稳定性与热分离性之间的矛盾成为铝冷轧乳化液能否研制成功的关键。
(1)关于润滑性
铝板冷轧乳液润滑性的好坏直接影响轧制出来的铝板表面质量，就轧制过程而言，乳液润滑性差的典型表现就是粘铝。轧制时的高温、高压以及乳化液本身的化学活性使油从乳化液中分离出来，并在轧辊上形成一层均匀的油膜，它可防止工作辊与轧件之间的金属直接接触，轧辊通过这层极薄的油膜向轧件施加压力，使金属产生塑性变形，但同时，由于铝材轧制时的铝微粒从轧件向轧辊表面的转移，金属铝屑与油发生化学反应，在轧辊表面上形成一层细密的铝粉、铝的氧化物及极性添加剂的粘铝层。润滑性好，则粘铝层就薄。如果润滑控制不好，因轧辊频繁地接触和辗压轧材，会造成轧辊表面严重粘附的铝微粒显露在轧件上。继续轧制，整个辊面粘铝层变厚，铝微粒变得不稳定而渐渐脱落，同时，又将会有更多的新铝屑粘附上去。经无数次的辗压，粘附在轧辊表面上的粘铝层呈严重条痕，这就是形成轧材常见粘铝缺陷的原因。此时，粘铝层区域的铝微粒会从轧辊表面脱落，然后在继续加工的过程中被压入轧材，在轧材上产生另一缺陷，此种缺陷是由粘铝引发的金属压入轧材表面形成的[1]。
冷轧乳液的润滑性能是由基础油和润滑添加剂共同赋予的，但是基础油本身的润滑性能是十分有限的，所以冷轧乳液的润滑性能主要取决于油性添加剂的种类和加入量。润滑剂的作用主要体现在以下三个方面：
1)提高冷轧乳液的油膜强度：润滑剂在金属界面的定向吸附而形成的油膜的厚度和强度的大小是决定冷轧乳液润滑性能好坏的关键。油膜强度的大小一般用四球机试验测定，并采用最大无卡咬负荷PB来表示。试验证明，润滑剂的加入可以显著提高油膜强度，而且随着润滑剂添加量的增加油膜强度也增大，但增加的幅度会越来越小，同时添加量达到一定值后还会带来乳化液某些性能的下降，如退火性、乳液稳定性等，所以使用添加剂时并非含量越高越好，即油膜强度要适中，也就是说并非最大无卡咬负荷PB值越高越好。
2)降低轧制变形区的摩擦系数：轧制变形区摩擦系数的大小可以反映轧制液工艺性能的好坏，因为减小摩擦系数可以降低轧制压力，增加次道加工率。但摩擦系数太小，则会发生打滑现象。
3)影响轧后产品表面光亮度：在选择润滑剂时不仅要考虑其润滑性，而且还要考虑其轧后产品表面质量，在保证轧制润滑要求的前提下，产品表面质量是优先考虑的因素，为了保证产品表面质量，有时甚至要牺牲润滑性。试验证明，产品表面光亮度随添加剂含量的增加呈抛物线型变化。因为当添加剂含量较小时，其物理吸附膜尚未完全形成，油膜强度也较低，所以轧制过程中仍有粘铝现象发生，故轧后产品表面光亮度不高。随着添加剂含量的增加，形成了一层连续的且有一定厚度的油膜，油膜强度进一步提高，这样既防止了轧辊粘铝又保证了轧辊对轧件的“压碾”和“烫平”作用，此时产品表面光亮度最高。如果添加剂含量过大，则油膜过厚，使得油膜产生所谓的“屏蔽效应”，即过厚的油膜保护了轧件原始粗糙表面，阻碍了轧辊对轧件的辊光，所以造成了轧后产品表面光亮度下降。
由此可见，铝板的轧制过程为流体动压润滑与边界润滑的混合润滑体系。同时，冷轧乳化液的润滑性能要适中，若润滑性太好，则摩擦力小，铝板表面粗糙度小，但铝板与轧辊之间打滑，此时，铝板就不会移动；若润滑性太差，铝板表面粗糙度则达不到要求。因此，在铝材轧过程中必须在摩擦与润滑之间进行平衡。
(2)关于退火油斑
退火抗污染性是指在金属压力加工中使用工艺润滑剂之后不使制品脏化的能力。由于润滑油中含有酸、碱、硫、机械杂质等物质，以及基础油或添加剂本身的性质等原因，都可能在加工或其后的热处理过程中，使制品表面出现腐蚀斑以及油迹斑等。
退火油斑的本质：退火油斑是轧制液中的基础油或添加剂发生化学反应后形成的褐色或黑色物质，它
不是残油，而是聚合物或者残碳，它的挥发温度远远高于轧制油的终馏点[2]。由此可见，基础油和添加剂的化学稳定性与退火油斑的生成密切相关，这就要求基础油饱和程度要高，油性剂氧化安定性要好。
退火油斑的形成条件：一是铝板上残留的基础油和添加剂要达到一定的数量；二是铝板上残留的基础油和添加剂发生氧化或裂解缩合；三是氧化产物附着在铝板表面上。由条件一可见，如果轧制液有良好的清洗性能，则可降低铝板上残留的基础油和添加剂的数量，从而抑制油斑的生成。因为残留的基础油和添加剂的数量越少，油斑物的分压就愈低，则越不易吸附。由条件三可知，提高退火温度，可提高油斑物的解吸速度，从而减少油斑生成，但退火温度太高会显著增加能耗。由于油斑的形成温度都在退火工艺温度范围内，故条件二是必然会发生的，所以尽量减少铝板上残留的基础油和添加剂的量(即提高乳液的清洗性能)和选用挥发性好的基础油和添和添加剂才是解决退火油斑的切实有效的措施。
冷轧乳化液所使用的油性润滑剂一方面要保证乳化液有良好的润滑性能，同时还要不能产生退火油斑，润滑性好的油性剂在金属表面的吸附能力强，但吸附能力越强则越易形成退火油斑，所以润滑性与退火性的矛盾是该乳液研制的又一技术关键。
(3)乳化液的稳定性
乳化液的稳定性是指反抗粒子聚集而导致相分离的能力。乳化液在热力学上是不稳定的体系，因此所谓乳化液的稳定性实际上是指体系达到平衡状态所需要的时间，为增长体系达到平衡状态所需要的时间应尽量降低W-0界面张力，最有效的办法是加入表面活性剂。吸附于液体微粒与水的界面上的表面活性剂形成具有一定强度的界面膜，对液体微粒起保护作用，液体微粒在布朗运动下发生碰撞时不易聚结。表面活性剂的浓度大小对形成界面膜的强度有直接影响。浓度小，界面上吸附的表面活性剂分子数少，形成的界面膜不致密，强度小；浓度大，界面上吸附的表面活性剂分子数多，形成的界面膜致密，强度大。不同的表面活性剂(乳化剂)乳化效果不同，达到最佳乳化效果所需的量也不同。一般地说，形成界面膜的乳化剂分子，作用力越大，膜强度越高，乳状液越稳定；反之，作用力越小，膜强度越低，乳状液越不稳定。
由两种以上表面活性剂组成的乳化剂称为混合乳化剂。混合乳化剂吸附在水一油界面上，分子问发生作用可形成络合物。
液体粒子的电荷对乳化液的稳定性有明显的影响。稳定的乳状液，其粒子一般都带有电荷。当使用离子型乳化剂时，吸附在界面上的乳化剂离子其亲油基插入油相，亲水基处于水相，从而使液体粒子带有电荷。由于乳状液的液体粒子带同种电荷，它们之间相互排斥，不易聚结，使稳定性增高。
乳状液分散介质的粘度对乳状液的稳定性有一定影响。一般地，分散介质的粘度越大，乳状液的稳定性越高。这是因为分散介质的粘度大，对液体粒子的布朗运动阻碍作用强，减缓了液体粒子之问碰撞，使体系保持稳定。通常能溶于乳状液的高分子物质均能增高体系的粘度，使乳状液的稳定性增高。此外高分子还能形成坚固的界面膜，使乳状液体系更加稳定。 需要指出的是，表面活性剂通过降低体系的界面张力而使乳化液稳定的作用虽然重要，但它不能代表乳化剂的全部作用，因为有些无表面活性的物质也能使乳化液稳定。此外，研究发现界面膜中如有脂肪醇、脂肪酸和脂肪胺等极性有机物与表面活性剂同时存在时，则膜的强度大为提高，这是因为在表面吸附层中，表面活性剂分子(或离子)与醇等极性有机物相互作用，形成“复合膜”，增加了表面强度。
在所有各种影响乳化液稳定性的因素中，界面膜的强度是稳定性的主要影响因素，而界面张力的降低起相辅相成的作用。如果表面活性剂是离子型的，则表面电荷构成了稳定性的另一因素。
由此可见，乳化液的稳定性不仅仅与表面活性剂的乳化性和增溶性有关，与其他组份(如润滑剂、基础油)的种类、结构和性质也密切相关，选择合适的乳化剂类型和确定合理的相互配伍关系既十分复杂又十分重要。
(4)乳化液的热分离性
乳化液在轧辊上的热分离性是指乳化液与热的表面接触时发生相分离而析出基础油和添加剂的性质，它是乳化液最重要的性能指标之一。热分离性差，乳化液的稳定性好，但分离的油滴直径小，相应地分离的油量少，润滑性能差。热分离性好，则润滑性提高，但是乳化液稳定性降低。因此要求轧铝乳化液具有适中的热分离性[3]。
乳化液热分离性决定于乳化剂的化学性质和乳化剂用量。乳化液的粒子大小决定了相分离性，较大粒径有利于油水两相分离，直径小则有利于提高热稳定性。而粒径大小主要决定于乳化剂的化学性质和乳化剂用量，乳化剂种类不同，则分子量大小不同，带有的基团不同，利用HLB值的迭加原理，采用混合表面活性剂作乳化剂可有效调整油粒直径的大小及分布。
可见，铝冷轧乳化液的稳定性与热分离性是相互矛盾和相互制约的[4]。
2 铝冷轧乳化液的配方研究
(1)基础油
理论上，铝板冷轧乳液的基础油最理想的组份应为合成酯类油，该类油润滑性好，氧化安定性好，但成本太高。比较理想的基础油为聚α烯烃，该类油氧化安定性好，粘温性能好，但同样存在成本高的问题。矿物油虽然各方面性能不及合成油，但由于来源广，价格低，得到了广泛应用。要求矿物油饱和烃含量高，芳烃和硫含量低。
就基础油粘度而言，要求润滑油的粘度适中。根据流体润滑理论，润滑油粘度越高，轧制变形区油膜就越厚，这样虽然可以有效地降低摩擦系数和轧制压力，但是由于变形区内过厚的油膜有保护轧件的微凸表面粗糙度的作用，使得轧后产品表面粗糙度增加，同时粘度过大还会引起轧后产品表面退火油斑增多。当然，润滑油粘度太低，则不能形成完整的润滑油膜，难以保证润滑性要求。
基础油的馏份组成也直接影响轧后产品退火表面质量。馏程越窄，终馏点越低，这样馏份分子量分布就窄，沸点相差较小，在高温下挥发性较接近，则退火后产品表面油斑就少。
此外，基础油中的芳烃和烯烃含量越高，则越易产生退火油斑[5]。因芳烃和烯烃的碳氢元素比高于饱和烃类，在高温缺氧条件下易于碳化，而烯烃含有不饱和双键，在较高温度下容易发生裂解缩合成大分子化合物(油斑物质)，酸值和硫含量高则易引起金属腐蚀。
(2)润滑性与退火清净性的平衡
铝冷轧乳化液的润滑性能虽然与基础油的性能有一定的关系，但主要取决于润滑添加剂的性能。
含硫、氯的极压剂，虽然其提高润滑性的效果非常明显，但会带来严重的负面影响，含氯添加剂的水解产物具有强烈的腐蚀性，含硫的添加剂同样会产生腐蚀，而且会引起轧后产品表面产生裂纹。至于磷酸酯类添加剂在轧制液中得到了比较广泛的应用，如磷酸三甲酚酯、磷酸三甲苯酯等。
目前铝冷轧乳化液应用的润滑剂主要为不含硫和氯的非活性油性剂，即含有羧基、羟基和酯基等极性基团的有机化合物。羧基、羟基和酯基基团能牢固地吸附在金属表面，形成具有一定强度的表面膜，使摩擦表面隔开，从而降低它们之间的摩擦阻力。
由于饱和长链脂肪醇具有极性和表面活性，其润滑性能优于矿物油，在某种情况下也超过脂肪酸及酯类。C12～C14醇具有特效，在冷轧时可生产出高光洁度及表面无疵点的铝板，同时也可提高负荷的承载能力。常用的有椰油醇、油醇及合成醇，其中高质量的椰油醇效果最好。
酯是一种常用的油性剂，极性比醇强、减摩效果明显。过去我国大多数厂家采用植物油，如豆油、菜油、棉子油等，由于植物油退火抗污染性能差、严重影响产品的表面质量，故已经基本淘汰。现在生产中常用的主要是经精制加工的硬脂酸丁酯和椰油酸甲酯。
有机酸在生产中常用的是精制的油酸。由于它的极性强、油性好、且用量小，是一种优良的油性剂，但它的酸值高，退火抗污染性能差。
(3)乳化液的稳定性与热分离性的平衡
乳化液的稳定性与热分离性均与乳化剂的种类和添加量密切相关。最常用的是阴离子型和非离子型表面活性剂，阴离子型表面活性剂价格便宜，但对水质要求高，一般要求用去离子水；非离子型表面活性剂虽然价格相对贵些，但对水的硬度无要求，更重要的是非离子型表面活性剂具有反向溶解性，即低温下溶解性好，高温高压下迅速分离，所以选用浊点恰当的非离子型表面活性剂即可控制乳液的热分离温度，保证乳液具有合适的热分离性。同时由于非离子型表面活性剂不带电荷，与铝屑的分离性好，即乳化液的可
过滤性好。
3 结论
(1)铝冷轧乳化液的润滑性要适中，不能太好，
当然也不能太差。
(2)铝冷轧乳化液的热分离性好，则润滑性好，但乳化液非轧制状态下的稳定性差。
(3)铝冷轧乳化液的退火清净性与润滑性和热分离性相互矛盾。
(4)铝冷轧乳化液的配方研究必须仔细平衡润滑性与退火清净性、热分离性与非轧制状态下的稳定性之间的相互矛盾。
参考文献
[1]周鸿章．热轧粘铝机理与润滑控制．轻合金加工技术，1999，27(10)：l5～16．
[2]樊玉庆等．铝箔轧制油脱脂性与退火油斑倾向性的研究．轻合金加工技术，l992，20(10)：19．
[3]岳存现等．铝热轧乳化液的维护和控制．上海有色金属， 2000，21(2)：74．
[4]王瑞梓等．铝轧制用乳液的粒径效应．轻合金加工技术，1997，25(4)：20～21．
[5]张青蔚．高级铝材轧制油的研制．润滑油，1996，11(6)：30.
