热轧润滑过程中纳米粒子对带钢表面的合金化效应

Nanoparticles with both lubrication and self-repairing function have been attempted to be used in hot rolling process, but the microscopic essence behind its self-repairing function is not so clearly now. The modality of deposition and adsorption process and tendency of surface alloying for nanoparticles are especially the underlying problems need to be solved. The objective of this project is to acquire the molecular reactive sites of TiO2, Al2O3, SiO2 and MoS2 nanoparticles based on density functional theory (DFT). The molecular dynamics method will be used to simulate adsorption and permeation process of nanoparticles during hot rolling lubrication. The bond energy of nanoparticles and steel strips will be calculated to establish the thermodynamic criteria for surface alloying reaction between nanoparticles and parent metal. And then the diffuse distribution state and formation mechanism of solid solution would be obtained. The thermal diffusion, hot deformation simulation, hot rolling and frictional wear experiments will be taken to explore the metallographic structure and microstructure of permeability layer of nanoparticles on the metal surface. The abrasion and corrosion resistance of the metal surface after hot rolling will also be characterized to confirm the effect of surface alloying reaction. The research could provide a theoretical basis for the application and development of surface alloying reaction by using nanoparticles during hot rolling process.

兼具润滑与表面修复功能的纳米粒子已尝试应用于板带钢热轧润滑过程，但其表面修复功能的微观本质尚未明确，尤其是纳米粒子的沉积吸附方式与合金化倾向等深层次问题亟待解决。本项目基于密度泛函理论（DFT），计算TiO2、Al2O3、SiO2、MoS2等典型纳米粒子的反应活性位点，采用分子动力学方法进行模拟，从分子角度研究纳米粒子在金属表面的吸附渗透过程，通过计算粒子与金属基体中各化学键的键能，建立纳米粒子与金属表面合金化反应的热力学判据，获得纳米粒子在金属表面的弥散分布状态与固溶体形成机制；同时进行热扩散，热变形模拟、热轧实验及摩擦磨损实验，确定金属表面纳米渗层的金相组织与微观结构，以及金属表面合金化对其耐蚀性与抗磨性的影响规律，为在热轧过程中利用纳米润滑粒子实现金属表面原位合金化提供理论基础。

随着纳米材料和润滑技术的结合，兼具表面修复功能的纳米润滑流体成为摩擦润滑与金属加工领域的研究与应用热点，但其表面修复功能的微观本质尚未明确，纳米粒子在金属表面的沉积吸附方式与合金化倾向等深层次问题亟待解决。本研究首先基于密度泛函理论，采用量子化学计算从晶体结构角度研究了八种纳米粒子的润滑能力。结果表明，MoS2和MoO3由于其特殊的层状结构、层内较强的化学键和层间较弱的范德华力，具有更优异的高温扩散性和润湿性。而层内Mo-S键的强度低于层内Mo-O键，因此MoS2更易吸附在金属表面形成保护性润滑膜，表现出更优异的摩擦学性能。随后，MoS2纳米流体的板带钢热轧润滑实验表明果表明MoS2能够在高温金属表面沉积形成由FeS和FeMo4S6相组成的致密扩散层，结合量子化学中的过渡态搜索得到Mo和S原子分别通过置换扩散和间隙扩散向γ-Fe晶格扩散，从而形成FeS和FeMo4S6扩散相，扩散的势垒分别为0.84 eV和0.54 eV。进一步，结合分子动力学模拟、菲克扩散定律和响应曲面法，建立了Mo和S原子向热轧带钢表面扩散实现表面合金化的深度dc随热轧温度T、压强p和时间t变化的热力学判据dc = f (T, p, t)。高温扩散实验、热压缩模拟实验和分子动力学模拟结果表明，施加法向压力能够提高MoS2的界面吸附能，降低扩散激活能，使得MoS2发生扩散的起始温度从800°C降低至600°C。最后，纳米粒子扩散作用下的轧后带钢的电化学腐蚀实验结果表明，表面合金化层的存在能够阻止腐蚀介质粒子与带钢基体的接触和腐蚀反应的发生，使表面耐蚀性显著提高；表面耐磨性实验结果也表明表面，板带钢的表面合金化使轧后带钢表面耐磨性有一定提升。本研究对于多功能化轧制润滑剂的制备以及实现热轧过程中的润滑与表面强化一体化提供了理论支持，也能够为板带钢的表面强化技术提供新思路。