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切削液不得不知的基本知識

作者:東莞益昌潤滑科技有限公司  發布時間:2014-6-13  瀏覽次數:3471

金屬加工液


      金屬及其合金在切削、成形、處理和保護等過程忠使用的工藝潤滑油統稱為金屬加工液,又名切削液。在金屬加工過程中,為了降低切削時的切削力,及時帶走切削區內產生的熱量以降低切削溫度,提高刀具耐用度,從而提高生產效率,改善工件表面粗糙度,保證工件加工精度,達到最佳的經濟效果,通常使用金屬加工液。


      金屬加工液在金屬加工過程中具有潤滑、冷卻、清洗、防銹等作用;其中核心作用是:一方面通過冷卻作用降低加工過程中的變形熱,另一方面通過潤滑作用來減少金屬加工過程中的磨擦熱,從而來提高金屬加工質量,延長刀具的使用壽命等。


      1、冷卻性能:冷卻作用是通過乳化液和因切削而發熱的刀具、切屑和工件間的對流和汽化作用把切屑熱從固體(刀具、工件)處帶走,從而有效地降低切削溫度,減少工件和刀具的熱變形,保持刀具硬度提高加工精度和刀具耐用度。 
      2、潤滑性能:潤滑作用就是其減少前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的摩擦形成部分潤滑膜的作用,以防止刀具與切屑或工件間的粘著,所以良好的潤滑可以減少功能消耗、刀具磨損和良好的表面光潔度。
      3、清洗性能:在金屬加工過程中,切屑、鐵粉、磨屑、油污、沙粒等常常粘附在工件、刀具或砂輪表面及縫隙中,同時沾污機床和工件,不易清洗,使刀具或砂輪切屑刃口變鈍,影響切削效果。所以要求乳化液有良好的清洗作用。乳化液的清洗性能就是指乳化液防止這些細顆粒粘結和利用液流的機械沖洗作用將其沖走的能力。
      4、防銹性能:在金屬加工過程中,工件要與環境介質如水、氧、硫、二氧化硫、二氧化碳、硫化氫、氯離子、游離酸堿和乳化液分解或氧化變質所產生的油泥等腐蝕性介質接觸而受到腐蝕,機床部件與乳化液接觸的部分會產生腐蝕。因此要求乳化液有一定的防銹能力。


      金屬加工液除了應具有良好的冷卻性、潤滑性、清洗性、防銹性外,還應具有防腐蝕性、抗菌性、防垢性、抗泡性、熱穩定性、無毒、無害、無刺激性氣味、不污染環境、使用方便等條件。


      金屬加工液可分為純油性切削液和水溶性切削液兩種。金屬加工液應具有如下作用:
1、   改善加工表面,提高表面光潔度;
2、   提高加工件尺寸的精密度;
3、   延長切削工具的壽命;
4、   隨時排除切削屑末,洗凈加工面;
5、   防止加工件腐蝕或生銹;
6、   提高切削加工效率;
7、   隨時冷卻加工件表面和加工刀具。
      因而要求金屬加工液必須具備如下性能:
⑴ 要求有良好的邊界潤滑性能,而需由極好的極壓性;
⑵ 防止切削刀具和加工金屬表面熔接的性能;
⑶ 良好的熱傳導性能和耐熱性能;
⑷ 良好的防腐蝕性能和防銹性能;
      除此之外,對于純油性切削液還要求具有:
①在一定的長的時間內不腐蝕金屬,不氧化變質,不變色;
②使用中不產生煙霧,不變質,不發臭并無不良氣味;
③抗膠質,抗結焦積碳,并不發生沉淀物;
④對加工部件不發生不良作用等。
      對于水溶性切削液還要求:
① 在硬水條件下,不得分層或分離,如用300~700ppm的硬水或冷水時,都應能很好地乳化;
②良好的抗腐敗性,抗細菌性,并不發生臭味;
③良好的抗泡沫性;
④和切削的迅速分離性;
⑤不沉積在加工工具上,也不得侵蝕工具等。


      如何選擇好的添加劑,并能保證金屬加工液所應具有的性能是加工液生產廠商的核心


      純油性切削液主要由基礎油、加工性能添加劑、性能增強劑等組成,純油性切削液具有良好的潤滑性能,適合對潤滑性要求高,重負荷、低速大進給的切削,切削余量高的加工,表面精度要求高,水對刀具或零件有不良影響的場合以及難加工材料等。其中加工性能添加劑目前普遍使用的如:酯類(醚類)、氯、磷、硫、固體類添加劑為主,性能增強劑包括:抗氧劑、抗油霧劑、防銹/防蝕劑、抗泡劑、著色劑/顏料、香味劑等。


油性油選擇原則:


1、黏度:
      由于不同的加工應用需要不同的黏度,以滿足不同的冷卻、潤滑要求,所以純油性切削液在生產過程中,黏度的選擇優為重要,可根據不同的加工工藝生產出與之相適合的油性切削液,以滿足不同的金屬加工要求。以下列舉了幾種金屬加工工藝所需的黏度范圍:
       ▲ 珩磨:                     3—6cST
       ▲ 深孔鉆:                   10—18cST
       ▲ 拉削(立式):              12—18cST
       ▲ 切削:                      20—35cST
       ▲ 齒輪加工:                 30—35cST


2、 加工特性:
      油基切削液的潤滑性能好,冷卻性能較差,水基切削液則相反,但其成本低,操作環境安全、干凈,沒有油霧和著火的危險;近年來微乳化型切削液發展很快,隨著高性能水基切削液新產品的不斷開發,其使用范圍逐漸擴大,開始出現油基向水基過渡的趨勢,可以預料它將是未來切削液的主導品種。


乳化劑


      水基切削液包括乳化切削液、微乳化切削液和合成切削液,大都主要用在高速切削上。水基切削液主要由:礦物油、乳化劑、助溶劑、防銹劑、抗磨添加劑、極壓添加劑、消泡劑、防腐殺菌劑、水等組成。


      其中礦物油一般選擇環烷基基礎油,此類礦物油具有易乳化,與添加劑兼容性好,像回收環烷基變壓器油,黏度在10CST左右;此外,也有用重烷基苯類或合成油。重點考慮的是作為分散體或助溶劑使用,潤滑作用在其次。

      水性油乳化劑目前國內外切削液生產廠商普遍使用的主要有以下幾種:
1.      烷基酚聚氧乙烯醚:如NP、OP系列
2.      脂肪醇聚氧乙烯醚:如MOA、FAE系列
3.      山梨糖醇聚氧乙烯醚;如:SPAN,TWEEN系列
4.      脂肪酸酰胺,脂肪酸鹽:如T704、妥爾油鹽、蓖麻油鹽系列
5.      磺酸鹽:如T701、T702,土耳其紅油系列


      乳化劑屬于表面活性劑類物質,但并非表面活性劑就可以用于切削液中作為乳化劑使用,只有那些對乳化液體系起著有效的穩定作用、同時又不影響乳化體系其它組分的表面活性劑,才適合作切削液生產的乳化劑。


      水基切削液的組成之一 ——表面活性劑(即乳化劑),能降低切削液界面張力,使其擴散、滲透能力強,提高切削液潤滑防銹能力。如何選擇合適的表面活性劑是研制工作的關鍵之一。表面活性劑分子具有雙親結構,一端親油,一端親水。不同類型的表面活性劑主要區別是其極性基團,分別有陽離子型,陰離子型,兩性型與非離子型。選擇單一的表面活性劑要注意它們的協同效應以及其它添加劑的互溶性、經濟性和低泡性。陰離子表面活性劑價廉,易制,它的極性基團帶負電,易與切削過程中的金屬表面形成吸附膜,是一種良好的油性劑,能起潤滑、防銹作用。非離子表面活性劑不怕硬水,耐酸堿,具有清洗能力,且穩定。兩者以一定比例復配可增強效應,表面活性劑如何選擇方法之一 ——HLB值法。


      通常在選擇好表面活性劑后,通過HLB值確定各種表面活性劑的配比后,按此調成的切削液往往還是有點混濁或放置一段時間后分層或變混濁等,此時一般在金屬加工液中往往需要添加一些長鏈脂肪醇、醚類等助乳化劑,通過助乳化劑來調節切削液的HLB值,使切削液的HLB值達到最佳值,一方面可以提高表面活性劑的乳化性能,另一方面可以提高金屬加工液的穩定性,長時間放置不會分層變混濁等。具體應用如:當有一個切削液基本配方時,由于要適合不同的金屬加工要求,可能要額外添加一些潤滑劑、極壓劑或抗磨劑等功能性添加劑,當額外添加功能性添加劑時,往往會改變金屬加工液原有的HLB值,使得改進的金屬加工液出現分層或混濁,這時就需添加醇醚等功能性添加劑,使HLB值重新達到最佳值而呈現透明液體,具體添加量需要在實驗室反復調試,綜合考慮其添加量。若不加調整直接使用,會使金屬加工液各組分無法充分發揮原有的功能,嚴重影響金屬加工液的性能。因此,醇醚等功能性添加劑在金屬加工液研發中的地位尤其重要,被廣泛用于原有配方的改進和新配方的研發等。


水性油助溶劑主要有:
①醇胺類,如:MEA,TEA,IPA,MORPHILINE,苯醇胺等;
②醇類:長鏈脂肪醇,尤其帶支鏈的醇,抗氧化,凝固點低,無腐蝕;
③醇醚類:此類物質具有高沸點,如聚醚等。


      水性油抗磨/油性劑使用較多的有:二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)、天然合成油脂、合成酯、脂肪酸酯等。


      水性油防銹劑可以分為有機系列、無機系列、復合系列;其中有機系列入苯羧酸、磺酸、二元酸、氨基酸等,此類防銹劑防銹性能特別好,低毒,生物降解,不含金屬鹽,唯一的缺點是價格太高,但隨著亞硝酸鹽類防銹劑的禁用,此類防銹劑還是得到了廣泛應用;無機系列主要有亞硝酸鹽、鉬酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等,此類產品便于運輸,應用已經比較成熟了,但有毒或者價格高,兼容性差,后處理難等,逐進被有機系列替代;而復合系列多為多元組分復合,所以此類產品種類繁多,且復雜。


      由于水性油含有大量表面活性劑等有利于微生物繁殖的養分,給微生物繁殖提供了培育的溫床,微生物的繁殖會導致切削液變質發臭,有機成份的分解、導致PH值下降、腐蝕金屬等嚴重后果,為了防止切削液變質發臭,通常在金屬加工液生產過程中添加殺菌劑,以提高切削液的使用壽命等。


殺菌劑


      水性油殺菌劑主要有甲醛釋放型和有機合成型兩種:
甲醛釋放型具有價廉,殺菌譜廣,兼容性好,便于檢測,但其缺點是有毒,刺激,可能對工人皮膚過敏,對真菌效果差;
有機合成型具有殺菌譜廣,低毒,殺菌效率高,霉菌真菌都有效,缺點是價格高,兼容性差,刺激,可能過敏。其中殺細菌劑有三嗪類和磺酸鹽類殺菌劑,殺真菌劑有異噻唑啉酮類、三嗪氨基酸酯類、硼酸酯酰胺類等 。


消泡劑


      由于水性切削液在生產過程中使用了大量的表面活性劑等乳化劑,在使用過程中一般都有不同程度的泡沫產生,嚴重影響金屬加工的效率和加工件質量,為了盡量減少金屬加工液使用中泡沫的產生,很多切削液生產商都會在生產切削液時加入不同類型的水性油消泡劑,消泡劑類型主要有:有機硅、聚醚、復合型和其它類型的消泡劑,有機硅具有消泡效果好,而廣泛被使用,但是溶液在切削液中分層;聚醚類水溶性好,不易過濾掉;而使用復合型消泡劑主要考慮其在切削液中起到抑泡性能;其它類型主要是一些鈣鹽、礦物油類的。
微乳化切削液


      一、 乳化切削液也稱為皂化溶解油,是石油系油加入乳化劑,如環烷酸皂、磺化油、磺酸鈉、C14以上的飽和脂肪酸皂,石油酸皂、妥爾油酸皂等樹脂酸皂,氧化石油脂,以及C17~20的合成脂肪酸皂等表面活性劑,并加入結合劑,如各種醇類和醇胺類等乳化穩定劑,再加入抗磨劑,抗擦傷劑,抗腐蝕劑,抗泡劑,抗氧化劑及抗腐敗劑和防菌劑等。并用少量的水調制成的母液,及時用15~40倍的水稀釋成乳白液使用。根據使用要求,可制成油包水或水包油型的兩種乳化液。這種水溶性乳化切削液中含石油系油較多,潤滑性能較好。由于含大量的水而冷卻性也好,而且腐蝕性也比一般電解系的無機鹽型透明水溶液為小,常用在粗、中精度的切削或研磨加工上。


      這種乳化切削油,必須根據PH值區分使用,一般PH值在8.5~10.5的適用于鋼、鐵材料的切削,6~8.5的適用于鋁、銅等非鐵金屬材料的加工上。其常用的典型組分,為由4~5%的表面活性劑(平均分子量350~525的石油磺酸鈉),和30~70%的石油潤滑油(50℃粘度10~30厘沲),及最多到20%的親和劑,最好是C1~20的醇或醇胺,和適量的電解質(最好是無機鹽),以及15~66%的水組成。


      二、微乳化液是礦物油溶于水后形成的,一般含礦物油5—35%,乳化劑含量與油性物含量比乳化液高出3—6倍,但其油的含量遠低于乳化液中油的含量,因而能使油滴形成微粒的直徑很小。由于微乳化液特有的組成特點,使得它兼有乳化液和合成液兩者的優點,潤滑、冷卻、清洗、防銹性能均較好,且其使用壽命比乳化液要長4~6倍。其中乳化切削液屬于傳統產品,價格經濟,穩定性差,壽命短,維護難,兌水后呈乳白色;微乳化切削液具有多用途,應用廣,綜合性能好,穩定性較好,壽命長,兌水后呈半透明或透明狀;全合成切削液主要用于冷卻要求高的場合,如磨削等,兌水后呈全透明狀,極壓性不夠。因此,發達國家已經走過了從乳化液向合成液,再向微乳化液發展的過程,微乳化液得到了前所未有的發展和應用。


      微乳化切削液是由水、油(有機溶劑)、表面活性劑和助表面活性劑等組成的透明或半透明的、各相同性的熱力學穩定體系,具有粒子細小、大小均一、穩定性高等特點。微乳化液常規制備方法有兩種:一種是把有機溶劑、水、乳化劑混合均勻,然后向該乳液中滴加醇醚等助乳化劑,在某一時刻體系會突然間變得透明,這樣就制得了乳化液,這種方法稱為schulman法;另一種是把有機溶劑、醇醚、乳化劑混合為乳化體系,向該乳化液中加入水,體系也會在瞬間變成透明,稱為shah法。乳化液的形成不需要外加功,主要依靠體系中各份的匹配,尋找這種匹配關系的主要辦法有PPT(相轉換溫度)、CER(粘附能比)、表面活性劑在油面相和界面相的分配、HLB值(親水——親油平衡值)和鹽度掃描等方法。目前應用最多的是HLB值法和表面活性劑在油面相和界面相的分配。


      微乳化切削液是以中性或非離子型表面活性劑30—50%為主要成分,混入石油系油,再加防銹劑,極壓劑和防腐劑,充分分散而成的含有多量水分的膠體溶液。其表面張力極小,洗滌性能很強,幾乎和水一樣透明的分散乳化液。使用時用水稀釋到30至100倍。一般用在精密研磨時,需用80—100倍的水稀釋,切削時用20—50倍的水稀釋。

 

 
 
 
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