本發(fā)明涉及鋼鐵熱軋過程中的一種環(huán)境友好型潤滑劑，具體地說，涉及一種水基納米潤滑劑及其制備方法。
背景技術：
：在各個工業(yè)領域的制造過程中，潤滑劑在降低摩擦和軋輥磨損方面起到至關重要的作用，并且能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在制造產(chǎn)業(yè)中，提高潤滑系統(tǒng)的有效性是一個重要的課題。尤其在鋼鐵制造業(yè)中，潤滑系統(tǒng)對軋制過程至關重要。因為它可以顯著降低軋制力和摩擦，并減小軋機振動，進而提高帶材的表面質(zhì)量和尺寸精度，減少軋輥磨損和軋機能量消耗。然而，研究潤滑劑的制備一直以來是滿足新標準的挑戰(zhàn)之一。隨著鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求的不斷提高，現(xiàn)有的潤滑系統(tǒng)已不適合于高溫軋制條件，所以迫切需要開發(fā)新的潤滑系統(tǒng)，進而優(yōu)化熱軋工藝過程。熱軋用潤滑系統(tǒng)需要滿足低摩擦、低磨損和低功耗的要求，且可以控制表面粗糙度和冷卻效果。為了達到這些標準，潤滑劑必須均勻地潤濕且附著在軋輥表面上，并在退火爐中容易被分解，以免在鋼的表面引起不必要的著色或粘結(jié)。此外，潤滑劑必須便于終端用戶安全操作，且在操作中具有成本效益。潤滑劑的耐腐蝕特性要求對于保護軋輥和軋制的金屬制品也是很有必要的。特別地，有效的潤滑系統(tǒng)必須具備在高溫和高壓的苛刻軋制條件下的熱穩(wěn)定性。水油乳化劑廣泛應用于鋼制造業(yè)的熱軋過程。為了提高油基潤滑劑的潤滑效果，人們對油的類型和濃度及供給方法包括噴嘴的尺寸、噴射角度和寬度以及安裝位置的影響進行了廣泛的研究。例如，通過控制不同水油乳化劑配方，即不同油的種類或油和水的比例，即可控制軋輥和軋制金屬表面之間的界面性能，進而降低軋制力和軋輥磨損。此外，供給方法也是控制油基潤滑的一個重要部分，因為通過控制噴嘴的大小和噴射的角度和寬度，可以使油膜能均勻地附著在軋輥表面以實現(xiàn)耗油量最小化。然而，在熱軋過程中，傳統(tǒng)的含油潤滑系統(tǒng)的使用產(chǎn)生大量的殘余有機污染物，其中包含由微生物生長所產(chǎn)生的生物污垢以及作為邊界潤滑添加劑的脂肪酸，使得形成的油相具有高的粘度，從而導致軋制潤滑的不均勻性，進一步影響實際潤滑效果并增加了該潤滑系統(tǒng)的維護成本。此外，在鋼的熱軋工藝潤滑過程中，大量的含油乳化劑的消耗會引發(fā)復雜的環(huán)境問題，例如，廢棄潤滑劑的排放所導致的水污染問題，以及潤滑劑在高溫下燃燒所導致的空氣污染問題。為了在熱軋過程中以環(huán)境友好型的潤滑系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的油基潤滑系統(tǒng)，人們對固體潤滑劑也進 行了相關研究。含硼酸添加劑的石墨基潤滑劑已用于熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中的芯棒潤滑，其中硼酸作為抗氧化劑，以防止石墨顆粒氧化。該石墨基潤滑劑的應用有利于改善潤滑效果。而值得關注的是，石墨因其不規(guī)則的形態(tài)特征限制了對軋輥打滑的控制。此外，加入的硼酸能潛在地腐蝕軋輥表面和軋材。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種能源節(jié)約型和環(huán)境友好型水基納米潤滑劑，其可以改善鋼鐵熱軋過程中的潤滑性能，滿足熱軋過程中對潤滑劑的應用要求。本發(fā)明所要解決的技術問題可以通過以下技術方案來實施。一種鋼鐵熱軋用水基納米潤滑劑，其組分包括無機納米顆粒、用于控制分散性和粘度的添加劑和去離子水組成，所述無機納米顆粒的重量百分比為1.1％～20％，所述添加劑的量為相對于所述無機納米顆粒重量百分比的1％～10％。作為本技術方案的進一步改進，所述無機納米顆粒選自一系列不同納米尺寸的、一種或幾種以下金屬的氧化物顆粒：al、zr、zn和ti。也作為本技術方案的進一步改進，所述氧化物顆粒的初始粒徑分布范圍為20-800納米。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例之一，所述金屬氧化物為混合比例為1：3至1：5重量份的al2o3和tio2的混合物,或上述混合比例范圍的zno和tio2的混合物,或上述混合比例范圍的zro2和tio2的混合物。還作為本技術方案的進一步改進，所述潤滑劑的ph值為4-9。其中，所述潤滑劑的ph值優(yōu)選6。又作為本技術方案的進一步改進，所述無機納米顆粒的重量百分比為2％～8％。其中，優(yōu)選4％。還作為本技術方案的進一步改進，所述用于控制分散性和粘度的添加劑為非離子表面活性劑。作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例之一，所述添加劑相對于所述無機納米顆粒的重量百分比為5％～10％。其中，所述金屬氧化物納米顆?？梢杂靡韵绿砑觿┲械闹辽僖环N進行表面改性：丙三醇、乙二醇、聚乙二醇(peg)、tritonx-100、tween20、tween40以及tween60。并且，所述添加劑選自丙三醇、乙二醇和/或聚乙二醇(peg)時，其相對于納米顆粒的重量百 分比為1％至10％；所述添加劑選自tritonx-100、tween20、tween40和/或tween60時，其相對于納米顆粒的重量百分比為1％至5％。本發(fā)明所要解決的另一技術問題在于提供一種上述鋼鐵熱軋用水基納米潤滑劑的制備方法。其中，所述的無機納米顆粒采用溶膠-凝膠法或水熱法制備。并且，在制備所述潤滑劑時，包括將無機納米顆粒與去離子水混合后對所形成混合液進行超聲處理的步驟。所述超聲處理的超聲條件為：超聲功率400瓦，超聲強度50％至70％，超聲溫度20℃，開關間歇5秒，超聲時間5至30分鐘。作為該方法的優(yōu)選實施例，所述超聲時間為10分鐘。也作為該方法的優(yōu)選實施例，所述超聲強度為50％。還作為該方法的優(yōu)選實施例，所述添加劑相對于所述納米顆粒的重量百分比為1％。進一步，所述超聲處理包括以下先決條件：a、無機納米顆粒的溶液處于循環(huán)的冷卻器系統(tǒng)下；b、添加劑加入到分散的無機納米顆粒溶液中形成水基納米混合物。作為本制備方法的進一步改進，所述添加劑為能與水互溶的非離子表面活性劑。其中，所述非離子型表面活性劑為脂肪酸中的聚乙二醇酯、脂肪醇中的聚乙二醇酯或脂肪酸酯化的脂肪醇中的聚乙二醇酯。本發(fā)明提供了一種無機納米顆粒作為水中添加劑的新型潤滑劑及其制備方法，通過含有功能性的無機納米顆粒的水基膠體系統(tǒng)作為熱軋用納米潤滑系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)油基潤滑劑和石墨基固體潤滑劑的使用所引發(fā)的一系列問題，鋼鐵熱軋過程中的潤滑性能具有較大改善，例如降低軋制力、減少軋輥磨損、冷卻軋輥效果好、無毒性，以及具有可回收性等優(yōu)點。并且，此水基納米潤滑系統(tǒng)具有低成本、環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型的特點。附圖說明圖1為使用含不同濃度的納米顆粒潤滑劑進行摩擦磨損實驗后的試盤的磨痕深度；圖2為使用含不同濃度納米顆粒潤滑劑進行850℃熱軋實驗后的軋件表面粗糙度；圖3為使用含不同濃度納米顆粒潤滑劑進行熱軋實驗后的軋制力。具體實施方式本發(fā)明提供一種適用于鋼熱軋加工過程中的有效的水基納米潤滑系統(tǒng)。納米潤滑劑的組成包括無機納米顆粒(重量百分比為1.1％-20％)，用于控制分散性和粘度的添加劑(相對于納米顆粒的重量百分比為1％-10％)和去離子水。并且，合適的納米顆粒尺寸在20至800納米之間。該納米潤滑劑由穩(wěn)定的膠體溶液所組成，其中包含優(yōu)選的不同濃度的無機納米顆粒以及一種或一種以上的用以控制分散性和粘度的添加劑。所應用的無機納米顆粒是在可控的ph和溫度下，采用溶膠-凝膠法或水熱法制備的，納米顆粒的尺寸可以通過控制合成條件來調(diào)節(jié)。所制備的納米顆粒的尺寸分布的單分散范圍最好在20納米至800納米。在可控的ph條件下，為確保溶液的單分散顆粒分布和長期穩(wěn)定性，商用的無機納米顆?？赏ㄟ^進一步的優(yōu)化分散過程來制備水基納米潤滑劑。滿足需要的穩(wěn)定分散的溶液ph值范圍在4至9之間，以避免潤滑過程中的強酸或強堿所引發(fā)的腐蝕問題。優(yōu)選的納米顆?？梢允莟io2,zro2,al2o3和zno無機金屬氧化物之一或其混合物?；旌隙嘞酂o機納米顆粒是一種控制顆粒形態(tài)、硬度和表面官能團以及溶液分散性的行之有效的方法，所制成的納米潤滑液(例如al2o3/tio2,zno/tio2,zro2/tio2)能達到令人滿意的潤滑效果。所采用的分散于去離子水中的納米顆粒重量百分比含量在1.1％至20％之間。所用的無機金屬氧化物納米顆粒用以下添加劑中的至少一種進行表面改性：丙三醇、乙二醇、聚乙二醇(peg)、tritonx-100、tween20、tween40以及tween60。所用的添加劑重量百分比含量在1％至10％(相對于納米顆粒的重量百分比)。為確保有效潤滑，對不同添加劑的含量做如下具體說明：丙三醇、乙二醇和聚乙二醇(peg)的重量百分比含量在1％至10％(相對于納米顆粒的重量百分比)；tritonx-100、tween20、tween40以及tween60的重量百分比含量在1％至5％(相對于納米顆粒的重量百分比)。為了改善納米潤滑劑的分散性和長期穩(wěn)定性，將納米顆粒與去離子水混合在一起，隨后采用高強度超聲處理一定時間，以促進顆粒在水中的分散。超聲拌勻器用于該超聲處理，其最佳的超聲條件為：超聲功率400瓦，超聲強度50％至70％，超聲溫度20℃，開關間歇5秒，超聲時間通常為5至30分鐘，但以10分鐘為宜。超聲處理期間，由于超聲處理的高功率，納米顆粒溶液因水分的蒸發(fā)可能凝聚和濃縮，所以納米顆粒溶液必須在循環(huán)的冷卻器系統(tǒng)下進行超聲處理。為進一步控制納米潤滑液的分散性和粘度，可在超聲處理過程之前，將重量百分比在1％至10％之間的添加劑加入到分散的納米顆粒水溶液中以形成水基納米混合物。本技術方案中所用添加劑主要為能與水互溶的非離子型表面活性劑，包括脂肪酸中的聚乙二醇酯，脂肪醇中的聚乙二醇酯，或者使用脂肪酸酯化的脂肪醇中的聚乙二醇酯。應用于本技術方案的大多數(shù)納米潤滑劑可按如下的分散及穩(wěn)定條件進行制備：超聲功率400瓦，超聲強度50％，開關間歇5秒，超聲溫度20℃，超聲時間10分鐘；重量百分比為1％的非離子型表面活性劑作為添加劑。同樣也可以根據(jù)所用納米顆粒的物化性能(包括納米顆粒形態(tài)、顆粒尺寸分布、結(jié)晶度，以及表面功能性等)對制備條件進行調(diào)整。為了對應鋼鐵制造業(yè)中所需的實際熱軋條件，以下具體的實施例的實驗條件僅用以評估所發(fā)明的具有不同組分的潤滑劑的潤滑效果。其中，摩擦實驗用來評估所發(fā)明潤滑劑的摩擦和磨損性能，其實驗參數(shù)用來模擬熱軋過程中的接觸壓力和滑動速度等。試盤的磨痕深度反應了潤滑劑的抗磨損性能。磨痕深度越小，說明摩擦副磨損程度越小，即潤滑效果越好。摩擦實驗過程中所測得的摩擦系數(shù)的變化可以反應熱軋過程中摩擦力的變化，而摩擦力的降低導致軋制力的降低，最終減少軋機的能量消耗。而熱軋實驗用來評估所發(fā)明潤滑劑的實際潤滑效果，實驗內(nèi)容涉及到軋制力和軋后軋件表面粗糙度的測定，分別對應軋制過程中的軋機能量消耗以及軋后軋件表面質(zhì)量。軋制力和表面粗糙度的降低旨在體現(xiàn)所發(fā)明潤滑劑優(yōu)質(zhì)的潤滑效果。因為摩擦實驗和熱軋實驗的結(jié)果與納米潤滑劑的性能直接相關，實驗制備的潤滑劑需要進行相關測試以及優(yōu)化，其制備過程受以下因素的影響：所選無機納米顆粒的種類、濃度和顆粒尺寸，以及表面活性劑的種類和濃度等。實施例中的摩擦實驗和熱軋實驗結(jié)果均可用來評估或反映所發(fā)明的潤滑劑在實際熱軋生產(chǎn)過程中的潤滑性能。實驗1.摩擦實驗本摩擦實驗的實驗條件如下：實驗配置：球盤摩擦配置試球材料：aisi52100高絡合金鋼(硬度82rha)；試球直徑：6.3mm試盤材料：低碳鋼(硬度：53.6rha)載荷：5n滑動速度：10毫米/秒實驗時長：10分鐘試盤磨痕深度如圖1所示。實驗2.熱軋實驗本熱軋實驗的實驗條件如下：實驗設備：2-highhille100實驗軋機軋輥材料：高速鋼，225毫米(直徑)×254毫米(長度)軋件材料：低碳鋼，300毫米(長)×50毫米(寬)×8毫米(厚)開軋溫度：850～1050℃道次壓下率：30％，單道次壓下至5.6毫米軋制速度：0.35米/秒加熱爐內(nèi)保護氣氛：氮氣保護氣，流量為15升/分鐘表面粗糙度及軋制力的實驗結(jié)果如圖2和圖3所示。以下實施例將通過實例的比較和詳細描述進一步清楚地說明本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點。表1.所用工藝潤滑條件的組分及重量百分比潤滑劑組分及重量百分比e11.1wt.％tio2+1wt.％非離子型表面活性劑+去離子水e22wt.％tio2+1wt.％非離子型表面活性劑+去離子水e34wt.％tio2+1wt.％非離子型表面活性劑+去離子水e48wt.％tio2+1wt.％非離子型表面活性劑+去離子水r1去離子水r2無潤滑r31vol.％水油乳化劑實施例1.1實驗準備了三種納米潤滑劑，在進行熱軋實驗前，它們的潤滑性能由實驗1中描述的摩擦實驗來初步評判。根據(jù)本發(fā)明描述的水基納米潤滑劑的制備程序，實驗用的納米潤滑劑e2，e3，和e4分別是由2wt.％、4wt.％和8wt.％的tio2納米顆粒分散在去離子水中所得，其中包含相對納米顆粒1wt.％的非離子表面活性劑(見表1)。其中，tio2納米顆粒的原生顆粒大小為25納米，ph值在4到9之間，理想為6。添加非離子表面活性劑的目的是提高分散性能并且調(diào)節(jié)水基納米潤滑劑的粘度。作為對比樣品，r1是沒有加入任何納米顆?；蛘咛砑觿┑娜ルx子水。如圖1所示，r1，e3，e4和e5被應用到摩擦學實驗當中。e3，e4和e5的平均試盤磨痕深度分別是480，283和268 納米。e4和e5的磨痕深度相當，并且相對低于e3的數(shù)值，r1的磨痕深度最深，為925納米。結(jié)果說明含有適合濃度的無機納米顆粒水基潤滑劑可以降低熱軋中的軋輥磨損速率。這些實驗結(jié)果初步體現(xiàn)了本發(fā)明的水基納米潤滑劑在鋼熱軋過程中的潤滑性能。實施例1.2含有1.1wt.％至20wt.％tio2的納米潤滑劑經(jīng)過優(yōu)化后可以應用在熱軋過程當中。除了納米潤滑劑中的顆粒濃度，其他條件相同。根據(jù)實施例1.1，含有1.1wt.％的tio2納米潤滑劑和相對所用納米顆粒1wt.％的非離子表面活性劑的磨痕深度應在925納米(r1)到480納米(e3)之間。除非表面改性劑和超聲分散條件得到優(yōu)化，對于含有20wt.％tio2的納米潤滑劑，得出的磨痕深度和摩擦系數(shù)會比由相對更低濃度的納米潤滑劑(如e3，e4和e5)更高。1.1wt.％tio2納米潤滑劑需要進一步優(yōu)化，如提高表面活性劑的濃度到5wt.％至10wt.％(相對納米顆粒濃度)之間以提高其粘度(例如1.1wt.％tio2中應含有相對于整體懸浮液0.055wt.％到0.11wt.％的表面活性劑)。而20wt.％tio2納米潤滑劑則需要提高表面改性劑濃度，以及加長超聲分散時間以提高其分散性能。例如使用相對所用納米顆粒重量百分比的5％的非離子表面活性劑以及提高超聲分散的時間和強度：400瓦的70％強度，5秒開/關間歇，常溫下超聲30分鐘。實施例1.3作為實施例1.1中tio2納米潤滑劑的對比實施例，含有1.2wt.％al2o3和相對納米顆粒濃度1wt.％的非離子表面活性劑的al2o3納米潤滑劑在同樣的工況下也進行了摩擦學實驗。在這種al2o3納米潤滑劑中，使用的無機al2o3納米顆粒為單分散，平均顆粒大小為30納米，調(diào)整后ph值為6.5。此al2o3納米潤滑劑的抗磨性能和tio2納米潤滑劑相似。對比實例1.1中的r1，本1.2wt.％al2o3納米潤滑劑的磨損量摩擦系數(shù)分別降低了8％和22％。實施例2圖2說明了應用于不同潤滑條件進行熱軋實驗(開軋溫度為850℃)后的軋件表面粗糙度(詳細潤滑條件見表1，實驗條件見實驗2)。為了體現(xiàn)所發(fā)明的水基納米tio2潤滑劑的潤滑效果，選取r1(去離子水)和r2(無潤滑條件)作為參照潤滑條件。該實驗結(jié)果很清楚地體現(xiàn)了熱軋工況下納米潤滑劑的潤滑性能。相比參照潤滑條件，所發(fā)明的水基潤滑劑均表現(xiàn)出更低的軋件表面粗糙度。其中，4wt.％(e3)的水基tio2納米潤滑表現(xiàn)最優(yōu)(0.44微米)，低于2wt.％(e2)和8wt.％(e4)濃度的潤滑劑所表現(xiàn)的粗糙度(分別為0.46微米和0.49微米)。低濃度的納米潤滑劑因其在軋輥表面的附著性能較差，而高濃度的納米潤滑劑極易產(chǎn)生納米顆粒團聚，兩者均不利于降低軋制 過程中的摩擦系數(shù)，以至于降低了其實際潤滑效果。在較高溫度(950℃,1050℃)軋制下，軋后軋件表面粗糙度的變化趨勢與850℃下的表面粗糙度變化趨勢一致，結(jié)果均顯示，4wt.％為納米tio2潤滑劑的最優(yōu)濃度。在本實施例中，關鍵點在于優(yōu)化納米潤滑劑中納米顆粒的濃度及分散性，以提高軋輥和軋件之間的界面性能，從而提高潤滑系統(tǒng)的潤滑性能。實施例3圖3說明了在不同熱軋開軋溫度(850℃,950℃和1050℃)下，應用于不同潤滑條件所測試的軋制力(詳細潤滑條件見表1，實驗條件見實驗2)。為了體現(xiàn)所發(fā)明的水基納米tio2潤滑劑的潤滑效果，選取r2(無潤滑條件)和r3(1vol.％的水油乳化劑)作為參照潤滑條件。實驗結(jié)果表明：當開軋溫度為1050℃時，水基納米潤滑劑和水油乳化劑條件下的軋制力與無潤滑條件相比幾乎相同。這是因為在此高溫軋制下，水基潤滑劑中的水極速蒸發(fā)，并帶走大量納米顆粒；而水油乳化劑中除水分蒸發(fā)外，油也會大量燃燒，使得潤滑條件下的潤滑作用均未能充分發(fā)揮，故軋制力未能得到降低。當開軋溫度降低至950℃和850℃時，水基納米潤滑相比無潤滑條件能明顯降低軋制力。這是因為在較低溫度下，剩余未蒸發(fā)的潤滑劑在軋輥表面形成一層潤滑膜，用以阻隔軋輥與軋件的直接接觸，降低了軋制過程中的摩擦系數(shù)；另外，納米潤滑劑中的納米顆粒在高溫高壓下能起到很好的滾動摩擦的效果，同樣使摩擦系數(shù)降低。兩種潤滑機制使得所發(fā)明的納米潤滑劑在熱軋過程中產(chǎn)生充分的潤滑效果，能有效地降低軋制力。此外，隨著納米潤滑劑納米顆粒濃度的增加，降低軋制力的效果越發(fā)顯著，尤其是在濃度達到4wt.％(e3)時，軋制力降低效果最為顯著。因為在納米顆粒濃度較低時，起到潤滑效果的納米顆粒較少；而在納米顆粒濃度較高時(大于4wt.％)，潤滑劑中的納米顆粒又容易發(fā)生團聚，從而減弱了相應的潤滑效果。需要特別說明的是，開軋溫度為850℃時，軋制力降低的程度相比較高溫度(1050℃,950℃)軋制時更為明顯。所發(fā)明tio2納米潤滑劑的最優(yōu)濃度為4wt.％。在本實施例中，關鍵點在于優(yōu)化納米潤滑劑中納米顆粒的濃度及分散性，以提高軋輥和軋件之間的界面性能，從而提高潤滑系統(tǒng)的潤滑性能。本發(fā)明提供的水基納米潤滑系統(tǒng)，納米潤滑劑易于儲存。儲存超過七天后只需通過機械攪拌(例如用每分鐘60轉(zhuǎn)的攪拌機攪拌10分鐘)，即可用于鋼熱軋工藝過程中。該鋼鐵熱軋用水基納米潤滑系統(tǒng)，通過控制懸浮液的ph值和納米顆粒表面改性來提高納米潤滑系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過改善軋輥和軋件的界面性能從而降低軋制力和軋輥磨損。此潤滑系統(tǒng)可以作為一種有效的軋輥冷卻劑。該水基潤滑系統(tǒng)在鋼鐵熱軋加工過程中具有優(yōu)異的潤滑性能，而不會產(chǎn)生有機污染物進而引發(fā)生物污染及燃燒問題。同樣本發(fā)明提供的潤滑劑用于鋼鐵熱軋時減少了與潤滑劑處理相關的安全性問題。當前第1頁12