鎂合金微乳化加工液的試制研究

張麗,宋愛華

(1.無錫英荷石化制品有限公司,江蘇無錫214151;2.中國石油大連石化分公司石油添加劑廠,遼寧大連116100)

鎂合金微乳化加工液的試制研究

張麗1,宋愛華2

(1.無錫英荷石化制品有限公司,江蘇無錫214151;2.中國石油大連石化分公司石油添加劑廠,遼寧大連116100)

闡述了研制鎂合金微乳化加工液的過程,根據鎂合金金屬的特殊性能,通過對基礎油、表面活性劑、防銹劑和緩蝕劑、潤滑劑、pH值調節劑等功能型添加劑復配的研究,制得了該鎂合金微乳化液。試驗結果表明研制的鎂合金微乳化加工液性能穩定,具有優良的潤滑、冷卻、清洗、防銹、防腐性能,較高的抗硬水穩定性能,且無毒無味,對皮膚無刺激,能滿足鎂合金加工的各項要求。

鎂合金;微乳化液;金屬加工

Abstract:The research and devel opm ent p rocess of m icroem ulsified m etal working fluid for m agnesium alloy w as expatia2 ted.According to the specialperform ance of m agnesium alloy,through selecting base oil,surface active agent,antirust a2 gent,corro sion inhibiter,lubricant,pH regulator agent and other functional agents,the m icroem ulsified m etal w orking fluid form agnesium all oyw as obtained.Results of evaluation experi m ent show ed that the developed m icroem ulsified m etal w ork2 ing fluid fo rm agnesium all oy possesses excellent properties of lubricating,coo ling,cleaning,anti-rust,anti-corrosi on and higher hard w ater resisting stability,w ith non-toxic,tasteless and nonirritating to the skin.It can satisfy the processing re2 quirem ents of m agnesium alloy.

Key words:m agnesium alloy;m icroem ulsified fluid;m etal wo rking

0 前言

鎂合金具有質量輕、比強度高、導熱性好及優良的吸震性和電磁屏蔽性,且可回收性能和機械加工性能好,被譽為21世紀綠色金屬結構材料[1-3],廣泛運用于汽車、摩托車、機械、航空、航海、國防以及3C產品、手動工具等領域,因此,鎂合金加工液的研究和開發,對提高我國金屬加工液的水平,滿足市場需要,取代國外產品具有重要的現實意義和明顯的經濟效益。

1 鎂合金加工過程中的問題

鎂是活潑金屬,標準電極電位較負,其表面氧化膜一般都稀疏多孔,致使鎂合金耐腐性極差,給鎂合金零部件的加工帶來一系列問題:鎂離子易溶于水溶性切削液中,極大地增加了總硬度,使切削液失效;鎂合金切削粉末易在工具和機械上形成沉積物;鎂合金加工容易腐蝕變色。因此,鎂合金的加工對于切削介質的要求十分苛刻,在設計開發時必須找出解決辦法。

2 研究部分

2.1 鎂合金微乳化液的暫行技術指標

在ISO及我國國家標準中微乳液一直沒有產品標準可參考,因此根據機械行業標準JB/T 7453和日本J IS K2241標準及鎂合金微乳型水基加工液的特殊性制訂了鎂合金微乳化加工液的暫行技術指標,見表1。

表1 鎂合金微乳化液暫行技術指標

2.2 鎂合金微乳化液的制備

微乳液是一種介于乳化液和合成液之間的新型金屬加工液產品,不僅具有乳化液良好的潤滑性、防銹性和合成液清洗性好的優點,還克服了乳化液易變質、發臭、使用壽命短及合成液潤滑性差的缺點,具有潤滑性防銹性好,冷卻清洗能力強,使用壽命長等優異的綜合性能。在制備中選擇了油相和水相兩相混合法,將水相滴加到油相中攪拌直到透明后,再加殺菌劑、消泡劑充分攪拌即得到微乳型金屬加工濃縮液。

2.3 基礎油

基礎油不僅本身起潤滑作用,同時也是油溶性添加劑的載體,與緩蝕劑一起在金屬表面形成定向吸附層,增強緩蝕劑分子吸附層的密集性。微乳液中基礎油含量為5%～30%,遠遠低于乳化油中基礎油含量,但也是影響油基穩定性的主要因素。另外,微乳液優異的綜合性能需要通過加入大量的各種添加劑才能得以體現,一定程度上使油基稠化,增加產品粘度。因此,應選用粘度較低的潤滑油基礎油。同時,為了保證運輸、儲存的安全,選擇的基礎油閃點不宜太低[4]。

通過實驗,選擇了45號變壓器油作為微乳化濃縮液的基礎油。

2.4 表面活性劑

表面活性劑的分散、乳化、增溶等作用實現了微乳液中分散相的高度細化和體系的穩定性。鎂合金加工過程中,鎂離子極易溶解在水基切削液中,從而增加了總硬度使切削液產生混濁、浮渣、沉淀等問題,導致乳化液穩定體系的破壞,因此,配方中需加入抗硬水的非離子表面活性劑。另外,要得到微乳化液,需HLB=10～13,故選擇了T702石油磺酸鈉(HLB=11.2)做乳化劑,并與非離子表面活性劑進行復配,獲得一個均勻穩定體系。

試驗中,T702和非離子表面活性劑的不同配比,對微乳液的抗硬水能力、乳化分散能力和鎂合金片在其中的溶解能力影響很大。抗硬水能力,采用5000μg/g人工硬水(MgSO4·7H2O和CaCl2)對其進行測試;乳化分散能力,采用觀察5%微乳液濃縮液在盛有自來水的100 mL具塞量筒中的溶解狀態進行分析判斷,結果見表2。鎂合金片在微乳液中的溶解能力,采用將打磨洗滌吹干后的鎂合金片(同質量同表面積同體積同形狀)浸在(70±2)℃5%稀釋液中(用蒸餾水稀釋),在12 h、24 h、36 h、48 h時分別測定該稀釋液的硬度,硬度越高,說明鎂合金片在該微乳液中越容易溶解,反之,亦然。結果見圖1。

表2 不同配比T702和非離子表面活性劑對微乳液抗硬水能力及乳化分散能力的影響

圖1 在(70±2)℃時不同配比T702和非離子表面活性劑對鎂合金片溶解能力的影響

由表2不同配比T702和非離子表面活性劑對微乳液抗硬水能力及乳化分散能力的影響和圖1在(70 ±2)℃時不同配比T702和非離子表面活性劑對鎂合金片溶解能力的影響,經綜合分析評定,T702和非離子表面活性劑在微乳液中的比列應選擇3號配比。

2.5 防銹劑和緩蝕劑

防銹是金屬加工液的主要性能之一,在微乳化液中加入防銹劑,確保工件、刀具及機床不受乳化液的侵蝕。

其次,由于鎂的化學活潑性較強,使其加工時無論在酸性、中性和弱堿性介質中都不耐蝕,只有在pH值大于11的堿性溶液中,由于生成穩定的鈍化膜,鎂合金是耐蝕的,但pH值過高會傷害操作者皮膚。為解決鎂腐蝕問題,通常加入鎂緩蝕劑。據文獻報道[5],鎂在含有S iO23-離子的溶液中可形成保護膜,腐蝕速度較慢。但微乳液中不同Na2S iO3含量對油基狀態影響較大,結果見表3。

表3 微乳液中不同Na2Si O3含量在微乳液濃縮液中的比較

由表3微乳液中不同Na2Si O3含量在微乳液濃縮液中的比較確定Na2SiO3在微乳液中的含量為0.1%。

2.6 潤滑劑

在金屬加工時,為減小被加工的金屬發生塑性和彈性變形,需在金屬加工液中加入潤滑劑。經試驗,含有S、Cl、P、B元素的極壓抗磨劑對鎂合金均有嚴重的腐蝕現象,結果見表4。因此,選擇了非S、Cl、P、B系的高級脂肪酸酯作為潤滑劑。

表4 含有S、Cl、P、B元素極壓抗磨劑對鎂片的影響

在鎂合金微乳液濃縮液中加入10%的潤滑劑,通過考察濃縮液的油基狀態、極壓抗磨性能、鎂合金腐蝕情況進行篩選,見表5、圖2。

表5 幾種高級脂肪酸酯在微乳液濃縮液中的比較

圖2 幾種高級脂肪酸酯四球極壓試驗負荷-磨痕對比

由表5幾種高級脂肪酸酯在微乳液濃縮液中的比較及圖2四球極壓試驗負荷-磨痕對比可知,雖然酯C的極壓抗磨性能較好,但對鎂合金有腐蝕;酯D雖有較高的PD值,但在相同負荷時的磨痕都較大;酯A不管在相同負荷時的磨痕來看,還是PD值來看,較酯B都差,綜合評定選擇酯B為微乳液的潤滑劑。

2.7 pH值調節劑

微乳液體系的pH值應保持在8～10之間,pH值過低,滋生細菌霉變,導致加工液的腐敗和工件、機床的銹蝕;pH值過高,降低潤滑性,還會傷害操作者皮膚。

實驗選用了幾種常用pH值調節劑,通過考察鎂合金腐蝕情況和5%稀釋液的pH值來選擇合適的pH值調節劑,結果見表6。

表6 不同pH值調節劑的比較

由表6不同pH值調節劑的比較可見,既能使5%稀釋液pH值在8～10范圍內,又能使鎂片不產生腐蝕的pH值調節劑為特殊胺。

2.8 其他添加劑

微乳化液中還需加入消泡劑、殺菌劑等輔助添加劑來提高微乳液的使用性能及壽命。

2.9 復合配方的確定

根據以上實驗結果,通過正交試驗篩選和配方優化,最終確定了鎂合金微乳化加工液的配方,見表7。

表7 鎂合金微乳化液配方

3 鎂合金微乳化加工液的綜合性能

參照鎂合金微乳化加工液暫行標準,對研制的鎂合金微乳化加工液的性能進行了全面測試,測試結果見表8。

4 結論

根據鎂合金的加工特點,制備的鎂合金微乳化加工液不含氯、磷、硼、二胺、亞硝酸鹽及其他硝基化合物,具有良好的潤滑、冷卻、防銹、清洗性能,較高的抗硬水性能,不侵蝕鎂合金,低泡沫性,達到了暫定的技術指標,可用于鎂合金材料的加工。

[1]Fleteren R V.Magniesium forAutomotiveApplications[J]. AdvancedMaterials&Process,1996(5):33-34.

[2]Bralower PM.AutomotiveDie CastMagnesium Reviving up for the 21stCentury[J].Die Casting Engineer,1997(5/6): 68-70.

[3]陳振華.鎂合金[M].北京:化學工業出版社,2004:5.

[4]孫成杰,黃寧,曹美娟.MAF-1#微乳型水基切削液的研制[J].潤滑油,2004,19(4):43-47.

[5]吳振寧,李培杰,劉樹勛.鎂合金腐蝕問題研究現狀[J].鑄造,2001,50(10):583-586.

Research and Development of M icroemulsified M etalworking Fluid for Magnesium Alloy

ZHANG Li1,SONG Ai-hua2
(1.W uxiRoyalDutch Petrochem ical Products Co.,Ltd,W uxi214151,China; 2.Dalian Petroleum Additive Factory,PetroChina Dalian Petrochem icalCompany,Dalian 116100,China)

TE626.39

A

100223119(2010)0120023204

2009-02-10。

張麗(1984-),女,助理工程師,理學學士,2007年畢業于南京曉莊學院化學系化學分析技術專業,現任無錫英荷石化有限公司技術總監,從事潤滑油脂技術研發工作。