一种耐高温水基金属轧制润滑液及其制备方法与流程

本发明涉及化学、冶金，具体涉及一种耐高温水基金属轧制润滑液及其制备方法。

背景技术：

1、金属热轧是一种重要的金属成型加工技术，在大型机械制造、交通运输工程、建筑钢材制造众多领域具有不可替代的重要作用。在热轧过程中，通过圆柱轧辊对热工件进行轧制成型。在该过程中，轧辊和轧件之间由于高负载(～0.5gpa)、高温(600～1100℃)等工作条件，导致轧制变形区存在摩擦磨损、氧化严重等问题。因此热轧过程中需对轧辊和轧件的接触界面进行工艺润滑。

2、自19世纪30年代起，热轧润滑技术开始广泛应用于金属热加工成型，油基热轧润滑液凭借其出色的润滑性能，可以有效降低轧辊的磨损、提升轧辊寿命、提高轧制力和压下率等众多优良性能，一直是金属热轧过程中的首选润滑剂。然而此类含油金属热轧润滑液在高温下容易发生燃烧分解，加剧大气污染；此外，油基热轧润滑液的后期处理产生大量废水，带来严重的环境问题。

3、因此，更环保的金属热轧润滑液是当前的研究重点。水具有耐热性好、环境友好、不燃烧、资源丰富等优点，近年来大量热轧润滑液的相关研究重点已转移到水作为替代润滑液上。水基润滑液在金属热轧方面具有十分广阔的发展前景，是未来金属热轧润滑液领域的研究重点。然而水在高温表面的leidenfrost效应严重影响水基润滑液在高温轧辊表面的润湿，导致润滑液无法附着在轧辊上并随之进入轧制变形区，最终导致润滑失效。因此解决水基润滑液在高温轧辊表面的润湿问题是当前水基金属热轧润滑液的研究难点。

4、目前，各类水基纳米复合金属轧制润滑液常常通过向润滑液体系中加入纳米材料来提升润滑液的润滑性能，例如水基二氧化钛纳米复合润滑液【wang，l.etal.wear477，203895(2021).】，水基氧化石墨烯纳米复合润滑液【du，s.，sun，j.&wu，p.carbon140，338-351(2018).】等，尽管此类纳米水基润滑液在一定程度上提升了其润滑性能，但是仍然未从根本上解决水基润滑液的高温润湿问题，也即无法抑制水在高温表面的leidenfrost效应。

5、发明专利《一种水基润滑液的制备方法》(齐浩等，申请号：cn03147996.0)，将粘土、阴离子或非离子表面活性剂混合，制备稳定分散的润滑液，具有优良的极压性能。该发明专利并未提及润滑液的高温润湿特性，也未说明其在金属热轧领域的潜在应用。

6、发明专利《一种含纳米tio2的水基热轧轧制液及其制备方法》(孙建林等，申请号：cn201310002300.9)，制备了一种含纳米tio2的水基热轧轧制液，降低了传统热轧油带来的污染，能显著提高钢材轧后缓释防锈性能，表面质量好，防腐蚀周期长。该发明专利利用tio2作为水基添加剂，无法抑制水基润滑液的leidenfrost效应。

7、发明专利《一种免维护的含聚合阳离子金属轧制液及制备方法》(宋志江，申请号：cn201710248044.x)，该轧制液保持了传统阳离子金属轧制液高润滑性，高清洁性以及低油耗的特点，克服了传统阳离子金属轧制液在长时间运行中易老化的问题。该发明专利采用各类油酯作为基础组分，无法避免油基润滑液的高温燃烧分解等问题。

8、因此，需要一种可以在高温表面润湿、高温高压下润湿的水基润滑液。

技术实现思路

1、本发明是为了解决水基金属热轧润滑液在高温表面无法润湿的技术问题，提供一种耐高温水基金属轧制润滑液及其制备方法，通过直接优化润滑液配方成分，抑制水基金属热轧润滑液在高温轧辊表面的leidenfrost效应，实现其在高温轧辊表面的润湿；进一步的，通过引入表面活性剂实现了水基金属热轧润滑液的持续润滑。

2、本发明提供一种耐高温水基金属轧制润滑液，包括质量百分比为0.5～5％的润滑液添加剂、0.5～5％的表面活性剂和90～99％的去离子水；

3、润滑液添加剂为片状带电荷的纳米粘土，润滑液添加剂加入去离子水中得到粘土溶胶；

4、表面活性剂对粘土溶胶中的润滑液添加剂进行修饰改性，表面活性剂包括非极性碳链。

5、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，润滑液添加剂的单片层粘土片厚度为1～20nm、片层直径小于200nm，粘土片层表面带负电、边缘带正电。

6、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，润滑液添加剂的粘土片层表面zeta电位为-30～-45mv，润滑液添加剂可以交联增稠、粘度为1～20mpa·s，粘度增加并达到指定浓度时由于棱面正负电荷吸引作用形成交联结构使动态粘度增大；

7、润滑液添加剂在粘土溶胶中具有高温润湿性。

8、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，纳米粘土为以下任意一种：硅酸镁锂、蒙脱土和累托石。

9、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，表面活性剂通过阴离子集团和/或阳离子集团对粘土溶胶进行修饰使片层间距变大并可削弱片层负电荷与片层间阳离子的静电相互作用；

10、表面活性剂中非极性碳链进行连枝得到较弱范德华力的长链增加润滑作用。

11、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，表面活性剂为以下任意一种或多种：十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十四烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十六烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十八烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、月桂醇十二烷基硫酸钠。

12、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，耐高温水基金属轧制润滑液滴加到高温金属表面，液滴底部水分快速挥发、局部浓缩得到粘滞层，粘滞层为类玻璃态的无机凝胶，粘滞层可抑制水分挥发速率；

13、纳米粘土片层沉积在热表面得到隔热层，并形成新的三相接触线，新的三相接触线为空气/水/纳米粘土，新的三相接触线影响液滴后续的水分受热蒸发、削弱液滴与高温表面之间的蒸汽层压力使液滴锚定在热表面，润湿高温表面。

14、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液，作为优选方式，耐高温水基金属轧制润滑液还可作为以下用途：钻井液、切削液和拉拔润滑液。

15、本发明提供一种耐高温水基金属轧制润滑液的制备方法，包括以下步骤：

16、s1、在磁力搅拌下，将润滑液添加剂加入去离子水中搅拌后得到粘土溶胶；

17、s2、在磁力搅拌下，将表面活性剂加入粘土溶胶中进行超声分散，再在20～25℃下磁力搅拌3～8h得到耐高温水基金属热轧润滑液。

18、本发明所述的一种耐高温水基金属轧制润滑液的制备方法，作为优选方式，步骤s1中，搅拌时间为2～24h、搅拌温度为25℃～60℃；

19、步骤s2中，超声分散的频率为30khz、功率为100w、时间为5～30min；

20、步骤s1、s2中，磁力搅拌的转速为300～1000rpm。

21、本发明着重解决的问题主要包括：

22、(1)水基金属热轧润滑液在高温表面的润湿；

23、(2)水基金属热轧润滑液在高温高压下的持续润滑。

24、针对第一个问题，水基金属热轧润滑液在高温表面的润湿问题，也即抑制水在高温表面的leidenfrost效应，该问题是限制水基金属热轧润滑液的瓶颈问题，目前其解决途径主要集中在对高温表面的微纳米结构设计，利用预先设计刻蚀的微纳米结构对水的毛细粘附作用力抵抗水在高温表面产生的蒸汽推力，进而抑制leidenfrost效应，例如【jiang，m.etal.nature601，568-572(2022).】然而此类复杂精细的微纳米结构无法抵抗由于金属轧制高温高压工况带来的摩擦磨损，结构极易损坏并最终失效；此外轧辊表面的微纳米结构对于热轧润滑极其不利，显然该途径无法应用于金属热轧工艺中。

25、因此改变水基润滑液的成分是解决其在高温表面润湿的关键。目前从润滑液一侧着手抑制水在高温表面的leidenfrost效应的报导较少，广泛应用的各类水基添加剂包括(纳米tio2、go等)，很难显著提升水溶液的耐高温润湿性能。本发明以二维纳米粘土片(合成硅酸镁锂)作为水基添加剂成功抑制了水基润滑液在高温表面的leidenfrost效应。

26、针对第二个问题，水基金属热轧润滑液在高温高压下的持续润滑，本发明在解决上述高温润湿问题的基础上，利用表面活性剂对纳米粘土片进行修饰，改善了粘土片层之间的相互作用，增进了片层之间的润滑，最终实现了润滑液在100n的压力负载下的持续润滑。

27、综上所述，本发明针对以上两个问题，制备了一种水基金属热轧润滑液，通过抑制或消除水滴的leidenfrost效应、促进水与高温表面的接触和润湿，提升润滑剂成分在高温表面的递送效率，在此基础上进一步增强润滑性能，进而开发出低碳环保的耐高温水基润滑液对于金属热轧润滑过程具有重要意义。

28、本发明采用纳米粘土作为润滑液添加剂，通过水分散制备纳米粘土溶胶作为水基金属热轧润滑液的基础液，上述纳米粘土溶胶具有显著的交联增稠特性，交联的纳米粘土片溶胶可以显著提升润滑液的动态粘度，进而增大润滑液与高温轧辊表面接触时的粘附作用，抵抗leidenfrost效应所产生的蒸汽压力，最终实现水基金属热轧润滑液在轧辊表面的润湿，提升润滑液在热轧过程中的递送效率。

29、在解决上述问题的基础上，为进一步提升水基金属热轧润滑液的润滑性能，本发明采用的技术方案是：

30、利用表面活性剂复配表面活性基础液，表面活性剂分子对粘土片的修饰作用可以有效削弱片层负电荷与粘土片层间的钠离子的静电相互作用，表面活性剂的非极性碳链间的分子间范德华力较弱，可以有效增进轧制剪切时的粘土片层间的润滑作用，同时表面活性剂的引入并不影响粘土溶胶对于高温轧辊的润湿，最终实现水基金属热轧润滑液在高温高压下的持续润滑。

31、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案的具体实施方式如下：

32、该水基金属热轧润滑液配方按质量分数计，包括以下原料组分：

33、粘土：0.5％～5％

34、表面活性剂：0.5％～5％

35、去离子水：90％～99％

36、优选的，粘土包括硅酸镁锂、蒙脱土、累托石中至少一种。蒙脱土、累托石为制备硅酸镁锂的原料，具备硅酸镁锂的特性。

37、优选的，表面活性剂为十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十四烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十六烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十八烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、月桂醇十二烷基硫酸钠中至少一种。

38、上述水基金属热轧润滑液由如下步骤制备：

39、(1)在磁力搅拌下，将上述粘土加入上述去离子水中，充分搅拌后得到粘土溶胶。

40、(2)在磁力搅拌下，将上述表面活性加入步骤(2)中所得液体，超声分散后，在25℃下磁力搅拌6h，得到所述的水基金属热轧润滑液。

41、进一步的，步骤(1)充分搅拌时间为2～24h，搅拌温度为25℃～60℃。

42、进一步的，步骤(2)、步骤(3)超声处理频率为30khz，超声功率为100w，超声处理时间为5～30min。

43、进一步的，步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)磁力搅拌转速为300～1000rpm。

44、也可先将表面活性剂加入去离子水中，再加入纳米粘土超声分散和搅拌。

45、本发明相比传统的水基润滑剂，能够在过热轧辊表面润湿，将润滑成分递送至工作区域。

46、本发明制备过程简便高效，制备得到的耐高温水基金属轧制润滑液具备优良的高温润湿性、稳定性、均一性。

47、本发明利用二维纳米粘土片作为水基润滑液添加剂，成功抑制了水在高温表面的润湿问题，提高了润滑液在热轧过程中的递送效率，在此基础上引入表面活性剂增进润滑。

48、目前，绝大多数纳米润滑添加剂无法抑制leidenfrost效应，即不具备高温润湿特性，纳米粘土在水基润滑添加剂中的高温润湿特性亦未见相关文献报道。

49、本发明具有以下优点：

50、(1)本发明利用二维纳米粘土片(硅酸锂镁钠，laponite)，分散在去离子水中，得到纳米粘土溶胶。该溶胶在一定浓度范围内(3wt％～11wt％)可实现对leidenfrost效应的抑制。利用两性离子表面活性剂对上述粘土片进行修饰得到了耐高温的水基金属热轧润滑液，该润滑液可以抑制甚至消除水滴在高温金属表面的leidenfrost效应，促进润滑液与高温轧辊表面的接触润湿效果，同时兼具有较好的轧制润滑性能。

51、(2)本发明的高温水基金属轧制润滑液可以有效润湿高温金属轧辊(200℃～500℃)表面，在金属和轧辊之间形成连续润滑层，实现减摩抗磨；此外本发明的高温水基金属轧制润滑液不含油相成分，低碳节能，绿色环保，可以广泛应用于各类金属轧制场合。

52、(3)本发明再现性好，成本低廉，效率较高，可以批量规模化生产，能较大程度替代传统的轧制润滑油，相比传统水基润滑剂，能够在较高温度金属表面润湿，减少润滑剂的流失，提高利用率。用于板带钢热轧过程中的高温润湿和工艺润滑，促进板带钢轧制过程的节能减排和环保生产。