鋁材軋制油摩擦學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬與實驗研究

作者：韓釗孫建林唐華杰黃瑛曹士宏來源：《中國有色金屬學(xué)報》日期：2022-11-11人氣：1245

鋁產(chǎn)業(yè)是國內(nèi)材料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其規(guī)模及消費需求呈持續(xù)增長的發(fā)展趨勢。鋁加工產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，創(chuàng)新能力不斷增強，取得了豐富的科技成果^[1]。隨著國內(nèi)鋁加工技術(shù)的發(fā)展，鋁板帶生產(chǎn)工藝及裝備國產(chǎn)化程度得到了大幅提高^[2]，為了滿足鋁板帶寬幅、高速軋制及更高的軋后表面質(zhì)量需求，鋁材軋制油的潤滑性能需要進一步增強。添加劑是影響軋制油潤滑性能的主要因素^[3-4]，為滿足對鋁材軋制油性能日益增長的潤滑需求，迫切需要高效地篩選出性能優(yōu)異的添加劑。篩選添加劑時，傳統(tǒng)的試錯實驗或憑借經(jīng)驗的方法無法對添加劑性能進行準確預(yù)測，具有效率低、實驗量大、準確率低等缺點。此外，傳統(tǒng)的實驗類方法很難從分子或原子層面對添加劑在摩擦過程中的作用機理進行解釋。

近年來，隨著量子力學(xué)理論的逐步完善、經(jīng)驗力場的不斷開發(fā)以及計算機的普及和計算速度和容量的不斷提升，分子動力學(xué)模擬的理論和方法得到了快速的發(fā)展^[5]。分子動力學(xué)模擬可從原子及分子水平上模擬材料的宏觀性質(zhì)，從而揭示材料在不同條件下變化的微觀細節(jié)^[6]。通過分子動力學(xué)，TA等^[7]模擬三嵌段共聚物在鐵表面的物理吸附，研究了負載壓力和共聚物濃度對添加劑分子摩擦學(xué)性能的影響；SHI等^[8]模擬有機摩擦改性劑在羥基化SiO₂表面的物理吸附，研究了分子極性和溫度對添加劑分子解吸能力的影響；潘伶等^[9]模擬了環(huán)己烷和環(huán)二十四烷的限制剪切潤滑過程，研究了潤滑劑的承載能力與含碳量的關(guān)系；李源才等^[10]結(jié)合分子動力學(xué)研究了單晶/多晶鎳復(fù)合體的剪切性能，并分析了剪切速率與溫度對剪切模量的影響；BAI等^[11]模擬類金剛石薄膜與金剛石尖端之間的摩擦和磨損，研究了粗糙度對磨損形式以及磨損率的影響；錢相飛等^[12]結(jié)合分子動力學(xué)與實驗研究了不同澆鑄溫度和澆鑄時間對Cu/Al多層膜連接過程界面擴散的影響，從微觀層面揭示了原子結(jié)構(gòu)對金屬薄膜力學(xué)性能的影響；AHN等^[13]模擬了玻璃中各元素對劃痕過程中表面變形的影響，并給出了彈性變形量對摩擦因數(shù)的影響；張海峰等^[14]利用分子動力學(xué)研究Cu/Ti復(fù)合體在單軸拉伸過程中的微觀力學(xué)行為，在拉伸載荷作用下，分析位錯優(yōu)先形核的位置及其運動軌跡，當(dāng)應(yīng)變速率達到 1×10¹¹s^-1時，模型在變形過程中會出現(xiàn)非晶化，且隨著應(yīng)變增加表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象；劉曉波等^[15]采用分子動力學(xué)方法研究Al₂Cu的拉伸變形行為，分析了溫度和應(yīng)變率對體系拉伸變形行為的影響；丁軍等^[16]采用分子動力學(xué)方法研究了NiTi合金相變行為的微觀機理，模擬晶粒尺寸和冷卻速率對NiTi相變溫度的影響，并分析了以上因素對NiTi合金相變過程中馬氏體相和奧氏體相微觀生長機制的影響；劉歡等^[17]指出分子動力學(xué)模擬方法可以實現(xiàn)金屬材料納米加工時的“實時在線”觀察，從而更好地理解其加工機理。

本文作者結(jié)合分子動力學(xué)模擬與摩擦學(xué)實驗，從微觀與宏觀尺度研究了含不同添加劑的鋁材軋制油的摩擦學(xué)性能，通過理論計算與實驗研究的相互印證，表明利用分子動力學(xué)模擬摩擦磨損過程具有準確性與可靠性，進而為高效研制新型鋁材軋制油提供理論指導(dǎo)。

1　計算與實驗方法

1.1　理論計算

1.1.1　吸附能計算

采用分子動力學(xué)模擬(MD)方法，運用MedeA-LAMMPS軟件包中的Forcite模塊，對亞磷酸二正丁酯(T304)、硫代磷酸復(fù)酯銨(T307)和二烷基二硫代磷酸酯(Dialkyl Dithiophosphate，DDE)分子進行幾何優(yōu)化，并在添加劑分子與鋁表面體系中選取Dynamics功能，獲得分子在鋁表面的分子動力學(xué)運動軌跡，計算軌跡各位置的吸附能^[18]，其中T304、T307、DDE的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 T304、T307、DDE的分子結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1 Schematic diagrams of molecular structures of T304(a), T307(b) and DDE(c)

1.1.2　限制剪切過程模擬及摩擦因數(shù)計算

運用Build layer構(gòu)建鋼-流體-鋁體系，為提高計算效率，選用十三烷(W1-130)作為基礎(chǔ)油分子，并保持添加劑在混合分子體系中具有相同的質(zhì)量分數(shù)。流體層中十三烷、T304、T307和DDE的分子數(shù)量分別為15、10、5和6，最終體系大小為2.006 nm×2.006 nm×4.168 nm；在初始壓力0.5 GPa下對體系進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在NPT等溫等壓系綜下，取室溫298 K為參考溫度，上下表面的速度大小相等，方向沿水平相反，速度取0.01 ?/ps(1 m/s)，運用Confined Shear進行限制剪切，計算剪切過程中接觸表面的正壓力與摩擦力，從而獲得摩擦因數(shù)。

1.2　實驗方法

1.2.1　實驗材料

基礎(chǔ)油為W1-130輕質(zhì)礦物油；添加劑為亞磷酸二正丁酯T304、硫代磷酸復(fù)酯銨T307和二烷基二硫代磷酸酯DDE，分析純；板材為1100系列純鋁板?；A(chǔ)油W1-130的理化性能如表1所示。

表1 基礎(chǔ)油W1-130的理化性能

Table 1 Physicochemical properties of W1-130

Index	Value	Standard
Initial boiling point/℃	≥275	GB/T 6536
Dry point/℃	≤315
Total distillate point/%	≥98
Flash point/℃	≥130	GB/T 261
Viscosity at 40 ℃/(mm²·s^-1)	3.3-4.5	GB/T 265
Aromatics mass fraction/%	≤0.5	SH/T 0409
Sulfur mass fraction/(mg·kg^-1)	≤2	SH/T 0253
Water soluble acid base	None	GB/T 259

1.2.2　實驗儀器

MS-10A四球摩擦試驗機；MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗機；d 95 mm×200 mm×200 mm四輥冷軋實驗軋機；掃描電子顯微鏡。

1.2.3　四球摩擦學(xué)性能測試

在MS-10A四球摩擦磨損試驗機上，參照GB/T 3142—2019標準，取室溫298 K，時間10 s，轉(zhuǎn)速1450 r/min，測試不同軋制油的油膜強度，實驗用鋼球為GCr15標準鋼球，軋制油配方如表2所示。

表2 鋁材軋制油配方

Table 2 Recipes of aluminum rolling oil

Oil No.	Mass fraction/%
Oil No.	T304	T307	DDE	W1-130
1	0	0	0	100
2	0.25	0	0	99.75
3	0.5	0	0	99.5
4	1	0	0	99
5	0	0.25	0	99.75
6	0	0.5	0	99.5
7	0	1	0	99
8	0	0	0.25	99.75
9	0	0	0.5	99.5
10	0	0	1	99

1.2.4　鋼-鋁摩擦副磨損性能測試

使用立式萬能磨損試驗機，在銷-盤磨損形式下，自動采集不同軋制油潤滑條件下的摩擦因數(shù)，測試條件：接觸壓力200 N，室溫298 K，時間30 min，轉(zhuǎn)速300 r/min，試樣銷為直徑4.8 mm的45鋼，磨盤為直徑31.7 mm的鋁盤。

1.2.5　鋁板軋后表面分析

在不同潤滑條件下，使用d 95 mm×200 mm×200 mm的四輥軋機對鋁板進行7個道次的軋制，前5道次壓下分配系數(shù)分別為33%、27%、21%、12%、7%，軋輥壓靠后，繼續(xù)進行2個道次的軋制，以得到該潤滑條件下的最小可軋厚度，并選取終軋后的鋁板，通過EDS分析其軋后表面。

2　結(jié)果與分析

2.1　吸附構(gòu)型及吸附能分析

吸附能可用來判斷添加劑分子與鋁表面的相互作用強度，吸附能越強，添加劑吸附在金屬表面也越穩(wěn)定。各添加劑分子在鋁表面的運動軌跡中，吸附能最大值所對應(yīng)的位置即為該添加劑分子在鋁表面的穩(wěn)定吸附構(gòu)型。3種添加劑單分子在鋁表面的吸附能與穩(wěn)定吸附構(gòu)型如圖2所示。

圖2 T304、T307、DDE的吸附能和穩(wěn)定吸附構(gòu)型

Fig. 2 Adsorption energy and stable adsorption models of T304(a), T307(b) and DDE(c)

從圖2可以看出，各添加劑的吸附能均為負值，這是由于吸附過程為放熱過程，伴隨著體系能量的降低，體系更加穩(wěn)定^[19]，且3種添加劑的吸附能數(shù)值均大于40 kJ/mol，這說明在吸附過程中各體系傾向于生成新的化學(xué)鍵^[20]，從而有助于形成更穩(wěn)定的潤滑薄膜。根據(jù)吸附能，添加劑的吸附強度大小順序為T304＞T307＞DDE，這說明3種添加劑形成吸附膜的穩(wěn)定性由高到低為T304＞T307＞DDE。分析添加劑在鋁表面的吸附構(gòu)型可知，3種添加劑分子穩(wěn)定吸附時均平行與鋁表面，這可用吸附機理解釋，添加劑分子中的非極性的基團如碳鏈會被“牽引”以平行或傾斜的方式分布，從而有助于致密潤滑膜的形成^[21]。

2.2　限制剪切的摩擦力與摩擦因數(shù)計算

限制剪切實驗可模擬摩擦副表面在潤滑條件下的摩擦磨損過程，獲得剪切過程中分子的運動特點以及摩擦力，可為預(yù)測和分析添加劑分子的使用性能提供理論指導(dǎo)。不同軋制油潤滑體系的限制剪切過程如圖3所示，其中各原子代表顏色見圖2標注。限制剪切過程中不同潤滑體系下的摩擦力變化如圖4所示。

圖3 四種體系的限制剪切過程

Fig. 3 Confined shear processes of four systems: (a) W1-130; (b) W1-130+T304; (c) W1-130+T307; (d) W1-130+DDE

從圖3中可以看出，各體系在剪切過程中，分子都會向金屬表面作吸附運動，從而形成潤滑膜起到極壓與減摩作用。分析圖4可知，在相同的模擬條件下，使用T304添加劑限制剪切時的平均剪切摩擦力最小，僅為純基礎(chǔ)油剪切摩擦力的47.36%，從理論上說明T304擁有優(yōu)異的減摩性能；T307與DDE限制剪切的平均剪切摩擦力接近，相較于純基礎(chǔ)油降低了15.1%，說明T307與DDE兩種添加劑同樣擁有良好的減摩性能。剪切過程中，4個潤滑體系在剪切過程中的接觸表面正壓力幾乎相同，平均值為0.808 GPa。結(jié)合體系的正壓力與摩擦力受力面積，可計算出4個體系的限制剪切摩擦因數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 4種體系的限制剪切摩擦因數(shù)

Table 3 Confined shear friction coefficient of four systems

System	Friction coefficient
W1-130	0.161
W1-130+T304	0.076
W1-130+T307	0.137
W1-130+DDE	0.136

圖4 四種體系的限制剪切摩擦力

Fig. 4 Confined shear friction of four systems: (a) W1-130; (b) W1-130+T304; (c) W1-130+T307;

(d) W1-130+DDE

2.3　鋁材軋制油摩擦學(xué)性能分析

油膜強度、摩擦因數(shù)與磨斑直徑是表征軋制油摩擦學(xué)性能的主要參數(shù)，通過四球摩擦磨損實驗，不同濃度添加劑軋制油的油膜強度如圖5所示。由圖5可以看出，添加T307、T304、DDE后，軋制油的油膜強度均得到顯著提高，且隨著各添加劑濃度的增大而增大；之后隨著添加劑濃度較大而接近飽和吸附，油膜強度增勢趨于緩和。T304相較于其他兩種添加劑極壓性能最佳，在添加量為1%時油膜強度達到了1117 N，比基礎(chǔ)油提高了235%。三種添加劑的油膜強度由大到小的順序為T304＞T307＞DDE，與吸附強度順序吻合，說明可以通過分子動力學(xué)吸附模擬，預(yù)測鋁材軋制油的極壓性能。

圖5 不同濃度添加劑軋制油的油膜強度

Fig. 5 Maximum non-seizure load of rolling oil with different additive concentration

2.4　鋼-鋁摩擦副摩擦因數(shù)分析

取軋制油1、4、7、10，通過萬能摩擦磨損實驗，自動采集不同潤滑條件下鋼-鋁摩擦副表面的摩擦因數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 含1%不同添加劑的軋制油的摩擦因數(shù)

Fig. 6 Friction coefficient of different rolling oil with 1% additive

由圖6可以看出，在相同實驗條件下，不同軋制油萬能摩擦磨損的摩擦因數(shù)由大到小的順序為W1-130＞T307＞DDE＞T304，這表明三種添加劑可以提升軋制油的潤滑性能，進而有效降低摩擦因數(shù)，其中含T304的軋制油減摩性能最佳，添加1 %(質(zhì)量分數(shù))的T304可以使鋁軋制基礎(chǔ)油摩擦因數(shù)降低41%。結(jié)合限制剪切模擬，實驗與模擬結(jié)果規(guī)律吻合，這充分說明了可以通過限制剪切模擬，預(yù)測鋁材軋制油的減摩性能。

2.5　鋁板冷軋軋后表面分析

采用掃描電鏡觀察軋制油1、4、7與10冷軋后鋁板的表面形貌，如圖7所示。其中油1(純基礎(chǔ)油)與油10(基礎(chǔ)油+DDE)潤滑狀態(tài)下，鋁板表面出現(xiàn)較多的大顆粒磨損粒子，有嚴重的黏著磨損現(xiàn)象，且表面犁削溝較深。犁削溝較深說明軋輥表面凸起直接壓入到鋁板表面，在相對運動下使犁削明顯^[22]，嚴重的犁削會導(dǎo)致大顆粒鋁粉脫落，影響鋁板表面質(zhì)量。純基礎(chǔ)油與基礎(chǔ)油+DDE由于油膜強度較低，在較高的軋制壓力中易出現(xiàn)油膜破損現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)各種表面缺陷。添加T304與T307的軋制油油膜強度較高，形成的潤滑薄膜比較穩(wěn)定，大幅度減少了軋輥與金屬表面的直接接觸，導(dǎo)致軋后表面的犁削溝較淺且磨損粒子尺寸較小，軋后表面質(zhì)量得到提高。

圖7 不同軋制油軋后鋁板表面形貌

Fig. 7 Surface morphologies of aluminum rolled with different rolling oil: (a) Oil 1; (b) Oil 4; (c) Oil 7; (d) Oil 10

利用EDS對軋后鋁板進行面掃描，得到各潤滑條件下軋后鋁板的表面元素分布，如圖8所示。由圖8可以看出，相比于基礎(chǔ)油，T304的軋后表面含P元素，T307與DDE軋后表面含P和S元素，這符合添加劑分子在鋁表面的吸附效應(yīng)，且T304、T307和DDE在鋁表面的吸附能均大于40 kJ/mol，進一步驗證了活性元素P、S通過化學(xué)反應(yīng)吸附在鋁表面。

圖8 各潤滑條件下軋后鋁板的表面元素分布

Fig. 8 Surface element distribution after rolling with different rolling oil: (a) Oil 1; (b) Oil 4; (c) Oil 7; (d) Oil 10

3　結(jié)論

1) 分子動力學(xué)模擬表明，T304、T307、DDE在鋁表面的吸附能由大到小的順序為T304、T307、DDE，且均大于40 kJ/mol，說明3種添加劑化學(xué)吸附在鋁表面；限制剪切模擬表明，不同體系的限制剪切摩擦因數(shù)由大到小的順序為純基礎(chǔ)油、T307、DDE、T304，其中使用T304添加劑限制剪切時的摩擦因數(shù)最小，僅為純基礎(chǔ)油剪切摩擦因數(shù)的47%。

2) 四球摩擦磨損實驗表明，添加T304、T307、DDE均可有效提升基礎(chǔ)油油膜強度，且極壓性能由大到小的順序為T304、T307、DDE，添加1% T304可使基礎(chǔ)油油膜強度提升235%；通過萬能摩擦磨損實驗，添加T304、T307、DDE均可有效降低摩擦副表面摩擦因數(shù)，且減摩性能由大到小的順序為T304、DDE、T307，添加1% T304可使基礎(chǔ)油摩擦因數(shù)降低41%。

3) 分子動力學(xué)模擬的吸附強度符合四球摩擦磨損實驗的極壓性能測量值；限制剪切過程的體系剪切摩擦因數(shù)符合鋼-鋁摩擦副摩擦磨損實驗測量值；軋后表面EDS分析進一步驗證了3種添加劑在鋁表面的化學(xué)吸附。分子動力學(xué)模擬可預(yù)測鋁材軋制油的極壓、減摩等使用性能，以及在微觀尺度分析其作用機理，且模擬數(shù)據(jù)準確可靠，可提高添加劑篩選效率，以滿足鋁板帶寬幅、高速以及高表面質(zhì)量的軋制需求。

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鋁材軋制油摩擦學(xué)性能的分子動力學(xué)模擬與實驗研究

1 計算與實驗方法

1.1 理論計算

1.2 實驗方法

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附構(gòu)型及吸附能分析

2.2 限制剪切的摩擦力與摩擦因數(shù)計算

2.3 鋁材軋制油摩擦學(xué)性能分析

2.4 鋼-鋁摩擦副摩擦因數(shù)分析

2.5 鋁板冷軋軋后表面分析

3 結(jié)論