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半合成極壓切削液的研究與應用

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:2030

作 者: 李茂生 蔣淦相 徐立庶 
作者單位: 國機集團廣州機床研究所, 
簡介:          半合成極壓切削液的研究,主要是在微乳液產品的基礎上,引入合適的極壓添加劑,從而提高產品的使用性能,減少切削阻力,提高切削效率,并解決引入極壓添加劑后對防銹性能的影響,提高產品的儲存穩定性尤其是低溫穩定性,選擇具有抗腐能力的添加劑,引入高效防腐劑,使產品具有較長的使用壽命。此外,注意對產品的關鍵字:刀具夾具切削銑削車削機床測量
   
      半合成極壓切削液的研究,主要是在微乳液產品的基礎上,引入合適的極壓添加劑,從而提高產品的使用性能,減少切削阻力,提高切削效率,并解決引入極壓添加劑后對防銹性能的影響,提高產品的儲存穩定性尤其是低溫穩定性,選擇具有抗腐能力的添加劑,引入高效防腐劑,使產品具有較長的使用壽命。此外,注意對產品的粘度、氣味、顏色、透明度等外觀性能作合理調配,滿足客戶心理需求,使產品更具商業價值。
 

一、 原理 


  半合成極壓切削液又稱極壓微乳液,主要由礦物油、表面活性劑、防銹劑、極壓劑、防霉劑和水組成。含礦物油5~30%。乳化微粒直徑小于0.1μm,呈半透明狀態。由于半合成極壓切削液,集乳化液和合成液的優點于一體,又具有合適的極壓性能,是非常有發展前景的一類切削液。 
  半合成極壓切削液制備的關鍵是:乳化劑的合理選配,解決濃縮液、稀釋液的穩定性以及極壓劑、防銹劑、防霉劑的合理配伍,使其具有良好的極壓潤滑、防銹、防霉性能。 

  (1)乳化劑的選擇 
  配制極壓微乳切削液時,乳化劑的選擇尤為重要。目前應用較多的方法有:1)選擇乳化劑的HLB(hydrophile and lipophile balance親水親油平衡)值法;2)選擇乳化劑的PTlr(Phase—inversion temperatuIe轉相溫度)法。我們主要選擇HLB值法,在具體調配試驗時,參照PIT法。 
    通過查閱或實驗求得被乳化物質的HLB值,找出相應HLB值的乳化劑(對)。并通過試驗選擇效率高、價格合理的最佳乳化劑(對)。 
    HLB值未包括被乳化物和乳化劑的化學結構以及兩者之間的關系。所以還要考慮以下因素:1)一般選用乳化劑要考慮其離子型,以便得到比較穩定的乳液。2)乳化劑與分散相的親和性。根據相似互溶原理,要使油分散,要求乳化劑的憎水基團的結構和油的結構越相似越好。因為這樣的乳化劑和分散相的親合力強,分散效果好,乳化劑的用量也少。3)乳化劑的配合作用。在某些特殊情況下必須使用某特定乳化劑。如果該乳化劑的HLB值與分散相所要求的HLB值差別很大,可以預料乳化效果一定不佳。為了改善這種狀況,就要選擇適當的HLB值的乳化劑來進行調節。并且混合乳化劑的HLB值應接近分散相所要求的HLB值。4)乳化劑體系的特殊要求。作為切削液用乳化劑還應考慮是否對環境造成危害,最好選擇無毒副作用,容易生物降解和利于排放,起泡性不很強,氣味不大,兼具潤滑防銹等作用的表面活性劑。5)乳化劑的制造工藝。作為工業化生產,原料來源應豐富,使用方便,乳化劑的制造不宜過分復雜。否則成本過高。 
    總之,如何制備性能優良的極壓微乳液,乳化劑的選擇是關鍵。最可靠的方法是實驗室篩選,但太費時費事。所以不管乳化何種油或添加劑,都先找出被乳化物質的HLB值并確定相應乳化劑(對)。并參考上述原理,反復試驗,最后確定所要選擇的乳化劑。 

    (2)極壓潤滑劑的選擇 
    在半合成極壓切削液中,僅僅依靠乳化礦油的潤滑性能是遠遠不夠的。需要加入極壓潤滑添加劑。目前可供選用的極壓潤滑劑可分為油溶性和水溶性兩大類。油溶性極壓潤滑劑,主要以含S、P、Cl等極壓活性元素的化合物為主。由于S、P極壓劑加入到水溶性切削液中容易對多種金屬產生腐蝕,尤其含P化合物,在廢液排放時,因為容易形成微生物富營養源,受到嚴格控制,而盡量慎用。含Cl極壓劑,如氯化石蠟等,由于價格低廉,效果也不錯,其腐蝕性通過加入合適的緩蝕劑而得到抑制。目前,仍是比較常用的切削液極壓劑。加入量以濃縮物8~15%為宜。鉬系極壓劑,雖然價格稍高,但效果好。尤其是有機鉬類化合物,不但極壓潤滑效果好,而且兼具防銹作用,是具有發展前景的一類極壓潤滑劑。作為水溶性極壓潤滑添加劑,目前使用較多的還有硼酸鹽。硼酸鹽極壓劑與含S、P、Cl活性基團極壓劑的極壓潤滑機理有本質上的不同。S、P、Cl極壓劑作用實質上是一種控制性腐蝕現象。因為只有通過它和金屬摩擦表面起化學反應,生成熔點較低和剪切強度較小的化學反應膜,才會起到減少摩擦和防止擦傷及熔焊的作用。一個好的極壓潤滑劑,應該只在極壓抗磨范圍內才能與金屬表面反應,而在較低溫度下是足夠穩定的。目前認為硼酸鹽極壓作用主要是靠其沉積在金屬摩擦副之間,形成一個比基體金屬和S—P型極壓薄膜都軟的良好的彈性薄膜。在高溫和低粘度基礎油中,這種極壓薄膜的形成更為迅速。硼酸鹽極壓劑制備工藝簡單,原料易得,價格低廉。生產中基本無三廢產生。產品無毒、無味,加入量一般不受限制,除具極壓潤滑性能外,往往兼有殺菌防霉及防銹性能。從多年的切削液研究開發經驗得知,硼酸鹽還能明顯改善加工工件的光潔度。高碳羧酸鹽、羧酸酯亦在切削液中應用十分廣泛。
   (3)防銹劑的選擇
    切削液在使用過程中,必須對工件和設備有防銹作用。在選擇防銹劑時,既要考慮到水溶性和油溶性的好壞。還要考慮對各種材質的防銹效果。在半合成極壓切削液中主要選擇高級羧酸皂、鉬酸鹽、硼酸鹽、石油磺酸鹽等。
    防銹劑的選擇是一個十分復雜的過程。同一種防銹劑因生產廠家不同,原料、生產工藝也不同,性能相差甚遠。要通過大量實踐才能找到合適的防銹添加劑。 

    (4)殺菌防霉劑的選擇
    在乳化油液中,發臭變質占切削液變質的首位。近20年來開發了多種長效廣譜殺菌劑,可供選用。由于細菌有一定的選擇性和抗藥性。故在切削液中,最好選擇兩種以上殺菌劑,交替使用。(5)助溶劑、穩定劑、抗硬劑、抗泡劑的選擇和氣味、顏色、透明度、粘度等感官性能的調配。
    助溶劑、穩定劑、抗硬劑、抗泡劑雖然加量不大,但作用不小,可根據需要加入。至于氣味、顏色、透明度、粘度等感官性能雖然對產品的使用性能沒有什么影響,但對于商業上的需求是必要的。可視市場需求,進行調配。


二、 試驗研究


    根據上述原理和實踐經驗,參照相關資料,首先考慮幾個比較重要的因素并進行簡單的優化試驗。然后,就各組分的配伍性進行試驗研究,得出較為理想的切削液配方,并經小樣試驗合格后,試制中樣,進行實際應用考察。
    (1)基礎油的選擇
    根據經驗,我們將基礎油含量初步確定在25wt%左右。如果含油量過高,則一些水溶性添加劑難以加入,而且產品成本較高。高粘度油生產出的產品的粘度較高,成本高。低粘度油,成本稍低,產品穩定性好,但潤滑性不夠理想。在實際配方中我們采用高低結合的方法,讓較高粘度油如N32與較低粘度油如 N5復配,效果較佳。


 
     (2)防銹劑的選擇 
    防銹劑選用羧酸皂油溶性防銹劑和硼酸鹽、鉬酸鹽、石油磺酸鹽等水溶性防銹劑。 
    (3)極壓潤滑劑的選擇 
    主要選用了氯系極壓劑(含量8~12%),并與硼酸鹽,鉬酸鹽、高碳羧酸鹽等復配。從實驗結果看,極壓劑的含量對產品的PB值和PD值影響較大。如果不加極壓劑,則產品(5%稀釋液)PB<<800N,PD《1200N。 
    (4)乳化劑的選擇 
    根據以上主要原料的選擇,可計算出乳化這些油劑所需的HLB=9~14。根據Hl.B值,結合實際經驗,選擇非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑復配成對,其乳化效果較好。對于羧酸皂,必須是在調配過程中形成的。如油酸鈉是良好的乳化劑。在堿性的乳液中不斷加入油酸,形成新油酸鈉,表現出良好的乳化效果。如果是將已制好的油酸鈉,加入到油水表面上,就很難達到乳化的預期效果。在油酸調制的乳液中,加入少量油酸,其乳化效果更好。一方面可從物理化學性質方面得到解釋,油酸的加入抑制了油酸鈉的水解。另一方面從HLB值亦可解釋。油酸鈉HIB=18,加入少量的油酸(HLB=1),可使乳化劑HLB值稍微變小,接近被乳化物質的HLB值。事實上,加入另外的油溶性表面活性劑,產品穩定性有所提高。我們在各類乳化劑與產品穩定性方面,做了一些探索。

 
    (5)抗硬劑、消泡劑、穩定劑的選擇 
    抗硬劑選擇容易絡合的ca2+、Mg+的高效有機酸鹽絡合劑,消泡劑基本上用油劑即可。穩定劑選擇乙醇和三乙醇胺,效果良好。由于這類添加劑加量不大,在極壓微乳切削液配方基本確定以后,再補充加入,其配方稍作調整,產品穩定性不受影響。抗硬劑的加入,使稀釋液的透明度更高,而穩定劑的加入,使產品的乳化范圍更大,產品更穩定。 
  (6)染料的選擇 
  由于消費習慣和操作者的需要,產品的顏色益顯重要。通過對熒光綠、亮藍、胡藍等多種染料的試驗,以熒光綠較受歡迎,濃縮液和稀釋液都呈漂亮的熒光綠色。加入胡藍,局部有些反應,但搖勻后,對穩定性無影響。由于染料加入量很少,對產品性能幾乎沒有影響。同時,為了防止他人假冒,采用復合染料較為理想。一方面可以滿足客戶的需求,另一方面可以簡單直接表現自己產品獨特的一面。再則,由于原材料或工藝微小的差異,導致外觀的差別可以用染料加以掩飾。商業性顏色調整在現代社會越來越顯重要。 
  (7)配方組成及生產工藝 
  通過對各組份的選擇和配伍優化,最后確定極壓微乳切削液的典型配方如表3。 
  切削液的研制和生產是一個實踐性很強的工藝過程。由于原材料和工藝的差別,往往導致同一配方切削液的穩定性有所差異。只有不斷總結,嚴格把握, 
才能生產出質量穩定,性能優良的產品。
 
 
工藝流程示意圖如圖1所示。 

 

三、產品的理化性能測試 


    我們對小樣和中試產品,都進行了一系列的理化性能測試和潤滑承載能力及切削阻力評價。 
    (1)產品的理化性能測試(表4) 


 
   (3)切削扭矩測試 
    1)與普通L—MAE樣品對照(表6)


 
    2)與某一進口樣品對照(表7) 


   
    (4)與兩種目前使用較多的同類進口切削液性能對照(表8)


 
    從測試結果看,半合成極壓切削液的防銹性能(鑄鐵疊片)優于進口同類產品。其它性能接近或相當。
 

四、產品的實際應用考察 


    半合成極壓切削液,主要用于數控機床、加工中心及自動化生產線加工鋁合金、鑄鐵、鋼、銅等材質工件,實際使用效果簡述如下: 
    (1)某輕工機械集團公司用加工中心、數控機床,加工不銹鋼、鋁、銅和塑料件。由于切削液箱藏在機床底下:封閉無法清洗。近十年來,用過國內外多種切削液,均不理想,主要是容易發臭。進口切削液效果好些,但1~2周需大量補充,以保持堿性和濃度,后試用半合成極壓切削液,效果很滿意。使用少量防霉劑效果更佳。 
    (2)新捷機械模具實業有限公司主要加工鑄鐵、模具鋼。原使用W-R一1切削液,由于該產品不含極壓劑,效果一般。后改用半合成極壓切削液,在帶鋸床和銑床使用,加工效率提高22.5%,刀具壽命延長15%,使用近一年未發現產品質量問題。 
    (3)某獨資金屬制品有限公司主要用帶鋼加工家電用鋼管。有兩套集中循環冷卻系統,其中一套每次加入600k9半合成極壓切削液,稀釋為5%水溶液使用。另一冷卻系統用臺灣某公司產品,經對照試驗,性能相當。 
    (4)寶潤潤滑油有限公司主要經營潤滑油切削液產品。該公司每月購1~2批半合成極壓切削液,在平進模坯有限公司、威達機械廠、格力空調集團、華勉機械廠等近十家工廠應用,使用效果良好。并成功替代進口同類產品。 


五、 結論 

    (1)按照微乳液調配理論,尤其利用HLB值方法,經過反復的實驗室試驗和實際應用考察,研制了一種新型高檔的半合成極壓切削液。 
    (2)研制的半合成極壓切削液質量穩定,性能優良,使用壽命長。能廣泛用于加工中心、數控機床、自動化生產線加工鋁合金、鑄鐵、碳鐵、不銹鋼、模具鋼、銅等多種材質工作,效果良好。

 

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