国内绝大多数铝板带双辊铸轧辊采用烟炭润滑（火焰喷涂），通过燃烧液化气产生的炭黑喷涂在轧辊上进行润滑脱辊。水基石墨润滑是在极细的石墨微粒中添加合适的悬浮分散剂、增黏剂、防锈剂，将石墨粉均匀分散到水中，形成水基石墨润滑剂^[1]，通过一个往返移动或摆动喷射系统将水基石墨润滑剂喷涂到轧辊外圆表面上。相比传统烟炭润滑，水基石墨润滑更加环保、高效、安全，具有提升产品表面质量、提高生产效率的优势。

本文以连续铸轧生产的1100铝板带为研究对象，对比分析了水基石墨润滑铸轧辊与传统烟炭润滑铸轧辊对铝合金带材产品表面质量、晶粒组织、力学性能的影响。

研究对象为水基石墨润滑、烟炭润滑两种喷涂方式连续铸轧生产的1100铝板带，分别取试样，采用徕卡DMI6000M光学显微镜观察试样的晶粒组织和中心偏析，采用带能谱检测仪的扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）对试样表面成分分析，以及形貌和粗糙度进行检测，采用接触式测温仪对试验生产过程中的铸轧辊表面温度进行检测。该试验主要验证水基石墨润滑对铝合金铸轧板材晶粒组织、板面质量，铸轧辊表面温度等的促进作用，对比分析不同的润滑方式对铝合金铸轧板材生产的影响。

在双辊连续铸轧生产过程中，以旋转的铸轧辊与铝熔体接触的地方为起点（0°），采用接触式测温仪分别对铸轧辊表面A（45°）、B（90°）、C（180°）、D（280°）4个点及距铸轧铝板出板1 m长距离的点E处板面温度进行测量（见图1）。在相同工艺条件下对烟炭润滑、石墨润滑两种润滑方式的铸轧辊表面温度测量表明：在同一测量点采用水基石墨润滑的铸轧辊表面温度低（见表1），说明水基石墨润滑具有更高的冷却性能，在喷涂正对的B（90°）点位置温度相差26 ℃；在D（280°）点附近铸轧辊表面温度达到最低，水基石墨润滑的仅61 ℃，比烟炭润滑的低11 ℃。原因有二：一是烟炭润滑时燃烧的火焰对铸轧辊进行持续加热；二是水基石墨溶液中雾化的水份在铸轧辊表面上快速蒸发，促进铸轧辊的散热^[2]。因此，水基石墨润滑对降低铸轧辊表面温度，保护辊套、延长辊套的使用寿命具有促进作用^{[1, 3]}。

图 1

图 1 铸轧辊旋转一周表面温度测量位置 Fig. 1 The measurement position of the surface temperature of the casting roll after one rotation

表 1(Table 1)

表 1 不同润滑方式下铸轧辊表面各点的温度 Tab. 1 The temperatures at various points on the surface of the casting roll under different lubrication methods 润滑方式 测量点温度/℃ A B C D E 烟炭润滑 226 132 90 72 240 水基石墨润滑 205 106 75 61 212

表 1 不同润滑方式下铸轧辊表面各点的温度 Tab. 1 The temperatures at various points on the surface of the casting roll under different lubrication methods

对机械抛光后的1100铝板带试样截面经过高氯酸–乙醇溶液电解抛光，硫酸–磷酸溶液阳极覆膜，再采用光学显微镜观察试样的偏光组织^[4]及晶粒形貌进行检测观察（图2）。对比发现：1100铝板带在相同铸轧速度下，采用水基石墨润滑铸轧的铝板带试样纵截面中间晶粒（图2b）、横截面边部晶粒（图2d）均更加的细小均匀，有明显的等轴化趋向，且激冷层更厚（图2d）；两种润滑方式下，铸轧速度提高后，水基石墨润滑生产的铝板带晶粒大小依然更加细小均匀，主要原因是水基石墨润滑冷却强度高，结晶过程中晶粒来不及长大^[5]。

图 2

图 2 不同润滑方式下1100铝板带的偏光组织图 Fig. 2 Polarized microstructure images of 1100 aluminum sheet and strip under different lubrication methods

为了探究润滑方式对铝板带中心偏析的影响，采用光学显微镜对不同润滑介质下铸轧生产的1100铝板带端面经抛光、腐蚀后进行观察，铸轧速度对合金中心偏析缺陷的形成有着显著的影响，在其他条件不变的情况下，铸轧速度越快中心偏析越严重^[6-7]。如图3所示，烟碳润滑铸轧1100铝板带铸轧速度在1150 mm/min时已经出现中心偏析，1200 mm/min时中心偏析带加宽加长，更加严重。但水基石墨润滑铸轧速度达到1150 mm/min、1200 mm/min时，均未出现中心偏析，1260 mm/min时才出现。水基石墨润滑较好的冷却优势，打破了这一速度对铸轧铝板带中心偏析的影响。

图 3

图 3 中心偏析检测对比 Fig. 3 Comparison of central segregation detection

试验主要从石墨粒度、分散均匀性、稳定性等方面对润滑效果进行验证，发现粒度越小，分散稳定性越好^[2]，为铝板带铸轧生产提供优质的润滑效果和良好的板面质量。润滑原料石墨乳中的石墨是由C元素组成的晶体材料，其晶体结构类似于由六角形环组成的平面层状结构，层与层之间易发生相对滑动，具有良好的耐高温性和润滑性^[8-10]。

通过带能谱仪的SEM检测，烟碳润滑生产的1100铝板带表面C元素分布不均，存在炭黑聚集现象（见图4c、4e）。通过对铝板带试样面扫可知：烟碳润滑生产的铝板带表面C质量分数达到5.8%（见图4b和表2），影响板面质量和后续加工；相反，水基石墨润滑生产的铝板带表面更加干净光洁，C质量分数低（2.3%，见图4d和表2）且分布均匀（见图4d、4f）。

图 4

图 4 1100铝板带表面SEM检测 Fig. 4 SEM inspection of the surface of 1100 aluminum sheet and strip

表 2(Table 2)

表 2 1100铝板带试样表面能谱分析 Tab. 2 Surface energy spectrum analysis of 1100 aluminum sheet strip and sample 润滑方式 各元素质量分数/% C O Fe Al 烟炭润滑 5.8 1.1 0.4 92.6 水基石墨润滑 2.3 1.8 0.6 95.0

表 2 1100铝板带试样表面能谱分析 Tab. 2 Surface energy spectrum analysis of 1100 aluminum sheet strip and sample

在生产中C与Al接触温度在700 ℃以下，不生成Al₄C 化合物，且C在Al晶体中的固溶量低^[8]。因此，无论是烟炭润滑还是水基石墨润滑对铝合金板带材化学组分无影响，但烟炭润滑产生的C在铸轧辊面上的附着性和均匀性较差，产生C聚集或C脱落被压入到产品表面，形成局部炭黑缺陷（见图4c），使铝板带的表面质量和力学性能变差，且增大局部铸轧辊表面与铝带坯界面热阻，降低热传导能力^[11-12]，导致铸轧速度慢、局部晶粒不均。

因此，润滑介质的选择及介质在铸轧辊表面分布均匀性的严格控制，对今后铝板带快速铸轧技术的发展至关重要，而水基石墨润滑凭借均匀细小的石墨颗粒，具备良好润滑性、导热性、吸附性、耐高温性，将成为国内铸轧铝板带材脱辊介质的新趋势。

1）水基石墨润滑可以加速铸轧辊表面的散热，加快铝板带冷却，提高铸轧速度，延长辊套的使用寿命。在相同铝合金铸轧工艺条件下，同一测量点采用水基石墨润滑的铸轧辊表面温度比烟炭润滑的低10～30 ℃，铸轧速度提高10%～30%。

2）采用光学显微镜观察铝板带试样的偏光组织发现，水基石墨润滑生产的铝板带的晶粒更加的细小均匀，分布更致密，有明显的等轴化趋向。

3）在1100铝板带铸轧生产中，烟碳润滑铸轧速度在1 150 mm/min时已经出现中心偏析，但石墨润滑铸轧速度达到1200 mm/min时，端面组织良好，无中心偏析。水基石墨润滑较好的冷却优势，打破了传统铸轧速度对铝板带中心偏析的影响。

4）润滑介质的选择及介质在铸轧辊表面分布均匀性的严格控制，对今后铝合金板带材快速铸轧技术的发展至关重要，而水基石墨润滑凭借均匀细小的石墨颗粒，具备良好润滑性、导热性、吸附性、耐高温性，将成为国内铸轧铝板带脱辊介质的新趋势。