铝合金薄板带轧制工艺润滑技术及挑战

随着现代工业技术的发展，对铝合金薄板带的质量要求越来越高。在中国经济发展进入“新常态”下，高附加值、高技术含量的铝合金薄板带市场潜力巨大，特别是汽车轻量化用铝板，航空航天用铝合金薄板，食品饮料罐用铝板带、消费电子和建筑领域用铝板带^[1]PS版基铝板带等。铝合金薄板带通过热、冷轧轧制达到相应尺寸规格、性能和表面质量的要求，可以概括为“尺寸精确板形好，表面光洁性能高”^[2]，要有效地达到这些要求，对轧制工艺润滑技术提出了较高要求，需要选择合适的轧制工艺润滑剂，同时要对工艺润滑剂进行合理的维护和管理，使润滑剂的功能得到有效及稳定地发挥。

本文就部分铝合金薄板带轧制的特点，对相关工艺润滑技术做简要论述，同时对铝薄板带轧制工艺润滑技术面临的挑战也做简要说明。

一、铝合金薄板带轧制产品、特点和质量要求

铝合金薄板铝是铝板带中的主要产品，主要应用于易拉罐，汽车航空、PS版基，建筑幕墙等方面。其中，铝罐体为3104，3004等合金，罐料为5083，5182等合金。铝罐料要求非常严格，要求内在质量，深冲性能好，同时有很好的表面质量，热轧终轧温度高，基本在320℃以上，冷轧终轧厚度0.28——0.32mm，厚度公差和板型等要求高^[3]。PS版用电解磨板常用1050铝合金，国内外刷磨板常采用3103铝合金。PS版对铝板基的质量要求很高，铝板基的表观质量，平整度，厚差等会影响PS版的砂目状态等质量指标，印刷对PS版的质量要求很高，特别是高档彩印要求印版不允许有一点弊病，要保证印刷版质量，PS板用铝板表观质量是最重要的^[4]。汽车用铝合金板材，尤其是汽车外板是铝合金板材生产中的顶级产品，目前铝合金汽车板主要有两个系列，5xxx和6xxx系^[5]，5xxx系铝合金具有中等强度、加工性能好等，6xxx系铝合金具有成形性好，强度较高等特性，在其研发中重点解决的是其成形性、表面光鲜均匀性、表面处理等7点性能要求^[6]。氧化铝薄板用途广，适用于天花板，幕墙板，电器面板，家具面板等多种，氧化铝板具有装饰性强，硬度适中，无需再进行复杂的表面处理等特点，氧化铝薄板中1xxx，5xxx，6xxx系列合金较多，1xxx合金在光亮和保护性氧化具有好的特性，6xxx可阳极氧化着色，适用做建筑装饰材料等。

铝合金薄板带除了对性能等方面有各自的高要求外，都对板带表面质量提出很高要求，对表面缺陷如粘伤、划伤、印痕、松枝花纹、金属及非金属压入、油污、退火油斑、色差、亮条、桔皮等都有明确的要求和规定^[7][8]，这对工艺润滑技术也就提出了较高要求。

二、铝合金薄板带轧制工艺润滑技术

铝合金薄板带轧制工艺润滑技术主要有三大类，水基润滑技术、油基润滑技术、油水分施两相润滑技术。

1、水基润滑技术

水基润滑技术分为乳化液技术、弥散液技术和合成液技术。

乳化液技术是通过引入乳化剂，乳化剂是表面活性物质，亲油部分汇聚在油中，而亲水端面在水中，形成油珠之间的保护屏障，大大地降低了油珠聚集长大的速率，降低了油珠表面的自由能，防止油珠之间聚集长大，维持了乳化液的动态平衡^[9]，如图1所示。

铝轧制乳化液常选用阴离子及非离子乳化技术。其中阴离子乳化技术在铝轧制中应用较成熟和稳定，是应用较广泛的技术，由于铝板在轧制过程中表面常显正电，采用阴离子技术有助于润滑成分吸附，而且弱碱性条件，也有助于更好的清洗，防锈和防菌功能。

好富顿在水基工艺润滑领域做了大量研发和应用工作，其中的Tandemol技术得到广泛应用，Tandemol 62xx，63xx，68xx，67xx，69xx，5xxx系列产品分别在铝热轧和冷轧上有较好的使用。除了润滑剂必须提供的润滑，冷却和清洗等特性外，在自净化，可控性和稳定性等方面也有独到的地方。

弥散液技术是乳化液技术的一种，该技术使用阳离子乳化剂。阳离子乳化剂除具有抑菌作用外，在一定的pH范围内，油珠尺寸大且分布较均匀，如图2所示。油粒的这一分布特点，不仅大幅地提高了弥散液的润滑能力（因为油从乳液中析出是润滑的前提），而且能够提高润滑均匀性和油珠在铝板表面的润湿能力，有助于改善轧后表面质量。

弥散液技术在铝轧制方面应用较少，主要是阳离子技术的乳液稳定性差，润滑和乳液较难控制，维护管理压力大等原因。不过，好富顿的弥散液技术在钢冷连轧方面已得到大量的运用。

合成液技术和乳化液技术不同，如图3所示。合成液是单相产品，它非常稳定，清澈透明，清净性较好，但合成液表面张力低，侵蚀性较强。水溶性聚合物常和水通过形成氢键而溶于水，氢键在温度升高时消失，聚合物析出提升润滑，这和乳化液在咬入区的润滑机制有所不同[10]，该技术在铝轧制中基本没有应用。

2、油基润滑技术

油基铝冷轧油通常以溶剂为基础油，配以添加剂（醇、酯及酸），是铝冷轧最主要的工艺润滑应用产品。油基轧制油技术成熟，基础油和添加剂选择、冷却系统设置、维护管理及相关的设备工艺参数如轧制速度，压下量，张力设置上等都有丰富的经验和成熟的案例可资借鉴。

当前大多铝冷轧添加剂技术基本上还是维持着使用C12-C18的醇、酯或酸。醇，酯按照一定比例混合后使用，有时轧制过程会辅助添加少量酸以求表面光亮或者提高润滑。添加剂的设计和选择关键在于平衡确定醇酯酸的碳链长短。碳链短，清洁性能好，但润滑性能差，碳链长，润滑性能好，但残留多，如图4所示。现代铝冷轧机的轧制速度越来越高，对轧制油的冷却和润滑能力要求较高，同时对表面残留、退火油斑方面提出更高需求，如何保证润滑和冷却，同时保证表面清净性是一个重要课题。

在解决润滑和清净性的矛盾方面，好富顿公司做了很多探索工作，并取得了很好的效果。例如引入Carrier技术、使用长链醇酯却不会恶化表面清洁性、引入抗磨剂、使用短链醇酯在保证清洁性下，润滑能力得到加强等。好富顿冷轧添加剂技术在全球得到广泛使用，在中国Cindol 9xxx系列添加剂产品已在多个铝冷轧机上得到好的应用，在铝冷轧高速轧制、大压下量、高表面要求、降低添加剂消耗等方面都有上佳表现。

3、油水分施两相技术

综合水基和油基技术的优点，尽量避免相应的不足，开发出了水油两相分施技术，油相和水相分别施加在轧辊上，水冷却，油相提供润滑。图5是两相介质的供液示意图^[11]，红色代表供油，在入口供给，蓝色代表水，入口和出口都有供给。该技术的突出优点是可根据需要通过改变油相数量和压力调整润滑，或者通过调整水相供给量改变冷却。测试表明该种控制方法更能实现润滑优化，提高轧制速度，更容易进行板形控制。

好富顿拥有该技术，特别是在钢板带轧制方面得到非常广泛的应用。

三、铝合金薄板带轧制工艺润滑技术的挑战

1、如何选择合适的工艺润滑技术和产品

铝合金薄板带生产需要经过热轧和冷轧轧制过程，热轧和冷轧一般都采用工艺润滑，对轧件和轧辊表面进行润滑。轧机，工艺和工艺润滑是保证生产和质量最重要的三个因素。轧机和工艺参数受限因素较多，而工艺润滑剂作为一个动态的变量，需要设法与轧机和工艺参数相匹配。如何选择合适的工艺润滑技术和产品非常重要。面临挑战，如下几个方面需重点考虑

考虑工艺润滑的作用，润滑、冷却、清洗、改善表面质量、承担载荷等。

考虑轧制重点，热轧，冷轧重点不同，分别是降低内阻（板带本身变形抗力）和降低外阻（减少外摩擦对金属变形的阻力）^[12]。其中热轧轧辊和轧件表面状态，轧制温度，工艺润滑剂等，冷轧辊径，张力，润滑液等需重点考虑。

考虑轧制难点，热轧包括表面缺陷，高温轧制，终轧温度，铝粉去除等，冷轧包括表面清洁，速度和温度，压下率，板型，安全等需重点考虑。

考虑不同合金和工艺，如1xxx合金强度低，压下率大，易粘铝，3xxx合金强度不高，温度高，易产生粗大晶粒，5xxx合金中镁含量高的板强度高，轧制较困难，镁含量低的板强度较低^[5]，终轧温度范围较宽等，6xxx合金中等强度，对退火性能要求高等也需充分考虑。

考虑轧机、工艺及润滑的匹配，每个轧机、轧制工艺和工艺润滑系统都有所不同，合金品种，生产质量，工艺润滑液的运行状况，管理和维护条件，需求都有所不同。

2、如何解决应用中面临的一些问题与挑战（如下列举几个）

如何提高表面清净性：使用水基和油基产品都有可能出现残留和退火油斑的问题。例如使用水基产品，水基介质和板面间有一层蒸汽障膜如图6，，当温度较低，蒸汽膜无法继续维持，水基介质会直接润湿板面，与板带表面结合力大增，容易带来残留，也给吹扫带来很大困难，这是挑战之一。

如何提高自净化和抗污染能力：轧制过程中存在着设备油泄露，氧化变质，铝粉产生，铝粉等固体污染，金属皂基其它污染，水基还有乳化状态，菌类滋生等情况，也是面临的挑战之一。

冷轧水基润滑液：铝冷轧油闪点低，有着火危险，安全性不好，若使用水基产品能弥补油基的不足，消除着火危险并提高冷却能力，但水基冷轧液使用还不广泛，有一些缺点或风险，如1）表面残留多，2）微生物滋生风险，3）铝板变色危险，4）润滑和冷却均匀性不如油，5）维护管理难度大，以上风险是水基产品的共同不足之处^[13]及面临的挑战。

面对挑战，好富顿公司充分考虑并了解各方面因素，选择最适合的工艺润滑产品（做到量体裁衣），加之良好的服务和解决问题的能力，丰富的产品和应用经验等，让用户达到满意的生产和质量需要，好富顿众多用户是一个很好的说明。

四、小结

1、铝合金薄板带对性能等方面有各自的特点，但对表面质量都提出高要求，这也为工艺润滑技术提出更高要求。

2、目前铝合金薄板带轧制工艺润滑技术主要有水基润滑技术（乳化液，弥散液，合成液）、油基润滑技术、油水两相分施技术等，它们各有特点，据需选择。

3、好富顿在工艺润滑领域做了大量的研发和应用工作，其中水基Tandemol技术（Tandemol 6xxx，5xxx系列产品）和油基Cindol技术（Cindol 9xxx系列添加剂产品）及其它配套产品在铝热轧和冷轧上都得到广泛和较好的应用。除了提供好的润滑，冷却和清洗性能外，在自净化、可控性和稳定性、大压下量、高表面质量、降低消耗等方面都有上佳和独特的表现。

4、铝合金薄板带轧制工艺润滑技术面临很多挑战，如何选择合适的工艺润滑技术和产品，如何解决应用中的问题等都非常重要，好富顿通过工艺润滑技术和产品选择，应用，过程控制，问题解决，服务等方面做成努力，配合用户在生产和质量上获得满意的结果。

（作者系好富顿（上海）高级工业介质有限公司王建宁）

参考文献

1、铝合金薄板带生产技术论坛通知 中色加协轻字【2016】3号

2、谢水生，刘静安，王国军. 铝及铝合金产品生产技术与装备. 长沙：中南大学出版社，2015,7:51-52

3、陈策，铝薄板带的生产技术及其发展趋势，铝加工高新技术文集，中国有色金属加工工业协会

4、姚群，王世勤，王怀功，PS版对铝板基的质量要求，轻合金加工技术，2006，Vol，34, No9

5、马鸣图，毕祥玉，游江海，路洪州，铝合金汽车板性能及其应用的研究进展，机械工程材料，2010,6，Vol 34, No. 6

6、孙爱民，程晓农，汽车面板用铝合金的研究现状，轻合金及其加工，轻金属，2008,9

7、一般工业用铝及铝合金板、带材，GBT 3880.1-2012；

8、汽车用铝合金板材，行业标准送审稿编制说明，2009-07-06

9、谢水生，刘静安，王国军. 铝及铝合金产品生产技术与装备. 长沙：中南大学出版社，2015,7:51-52

10、周耀华 张广林.金属加工润滑剂[M]:北京：中国石化出版社，2010:164-177

11、Method and device for cooling and lubricating rollers on a rolling stand United States Patent 7159433

12、白星良，有色金属压力加工，冶金工业出版社