微乳化切削液的研制與應(yīng)用

買楠楠，魏佳平，侯萬果，王燦輝

(洛陽軸研科技股份有限公司 化工材料開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

在金屬切削加工中，合適的切削液具有良好的潤滑、冷卻、清洗和防銹等作用，可以延長刀具使用壽命，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。微乳化切削液具有乳化油的潤滑性能，兼有合成切削液的清洗性能。我國從20世紀(jì)90年代開始重視微乳化切削液的研制和應(yīng)用[1]，并已逐步發(fā)展為乳化油和合成液的替代產(chǎn)品。微乳化切削液是由水、油、表面活性劑和助表面活性劑在適當(dāng)?shù)谋壤伦园l(fā)形成的透明或半透明、各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。與普通乳化液相比，微乳化切削液中分散相液滴直徑小于10 nm，呈透明或半透明狀，而乳化液液滴直徑為100～500 nm，呈渾濁狀。

在切削加工中，切削液不可避免地會由于不適當(dāng)?shù)呐欧哦廴经h(huán)境。隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)和環(huán)保立法的不斷完善，研發(fā)對人類和環(huán)境友好的高性能微乳化切削液是一個重要的課題和發(fā)展方向。文中結(jié)合現(xiàn)代切削液技術(shù)的性能要求，采用無毒或低毒添加劑，研制了一種綠色微乳化切削液，并對其綜合性能進(jìn)行評價。

1 微乳化切削液的制備

1.1 基礎(chǔ)油的選擇

基礎(chǔ)油是配制切削液的重要組分，微乳化切削液中基礎(chǔ)油的含量一般為10%～30%。文獻(xiàn)[2-4]研制的微乳化切削液中基礎(chǔ)油含量分別為30%，10%～25%和20%～25%。由于調(diào)配微乳化切削液需加入添加劑，如乳化劑、防銹劑等，會在一定程度上增加其黏度。考慮到微乳化切削液在運輸、儲存過程中的安全性，選用的基礎(chǔ)油黏度不宜高，閃點不宜低。本案選擇生物降解率較高的白油作為基礎(chǔ)油，該油40 ℃時的黏度為7.12 mm2/s，閃點為138 ℃，凝點為-15 ℃。

1.2 乳化劑的選擇

乳化劑系由親水和親油基團(tuán)結(jié)合構(gòu)成，在界面上，乳化劑分子的親水和親油基團(tuán)分別吸附于水相和油相，排列成界面膜，防止乳化粒子聚合。因此，乳化劑在微乳化切削液中起降低界面張力，保持油滴表面穩(wěn)定的作用[5]。非離子型乳化劑抗硬水能力好，不受溶液酸堿性的影響，脂肪醇類非離子型乳化劑穩(wěn)定性較高，生物降解性和水溶性較好。綜合考慮基礎(chǔ)油和添加劑因素的影響，本案選用水溶性陰離子表面活性劑和脂肪醇類非離子型乳化劑結(jié)合作為微乳化切削液的乳化劑。

1.3 潤滑劑的選擇

由于微乳化切削液中基礎(chǔ)油含量遠(yuǎn)低于乳化油，其潤滑性能稍差，故一般通過添加潤滑劑來彌補。用于微乳化切削液的潤滑添加劑主要有含氯有機(jī)化合物、硫系有機(jī)化合物、磷化物及有機(jī)硼酸酯。有機(jī)硼酸酯是一種多功能綠色添加劑，具有良好的減磨、抗磨性能，同時它抗菌和殺菌性能顯著，可作為潤滑劑、防銹劑等應(yīng)用于金屬加工液中[6]。研究表明，硼酸酯水解或者與其他添加劑反應(yīng)產(chǎn)生H3BO3，B2O3等沉淀[7]，可在摩擦表面形成吸附膜，借助幾種膜的協(xié)同作用，切削液的摩擦學(xué)性能得以有效提高。研究表明在苛刻切屑條件下，僅使用硼酸酯其潤滑性能不能滿足現(xiàn)代切削工藝要求。為使切削液具有優(yōu)良的綜合性能，通常采用幾種物質(zhì)復(fù)配的方法來實現(xiàn)。本案選用由有機(jī)酸、三乙醇胺和硼酸為原料合成一種具有防銹性、潤滑性和表面活性的綠色多功能添加劑。

1.4 防銹劑的選擇

微乳化切削液中加入的防銹添加劑主要有兩類，一類是油溶性防銹劑，另一類是水溶性防銹劑。油溶性防銹劑是有機(jī)極性化合物，通常以膠團(tuán)或膠束的形式存在于礦物油中，在油和金屬的界面上形成保護(hù)膜，阻擋腐蝕介質(zhì)。微乳化切削液中常用的防銹劑有石油磺酸鹽、羧酸及其鹽、雜環(huán)化合物及苯并三氮唑等。水溶性防銹劑主要有有機(jī)胺、苯甲酸鈉、鉬酸鹽、磷酸鹽、硅酸鈉及亞硝酸鈉等。研究表明，有機(jī)羧酸與醇胺類物質(zhì)通過加熱反應(yīng)可以得到具有防銹、潤滑及水溶性的物質(zhì)。由于單獨使用某種防銹劑所需濃度較高[8]，故本案選用水溶性防銹劑A、石油磺酸鈉(防銹劑B)和自合成多功能添加劑進(jìn)行復(fù)配，以提高防銹能力和減少試劑用量。

1.5 輔助添加劑的選擇

微乳化切削液中使用的輔助添加劑有pH值調(diào)整劑、助溶添加劑、抗泡沫添加劑和防腐殺菌劑等，因添加量不大，可根據(jù)配方的具體情況進(jìn)行調(diào)整。

1.6 微乳化切削液的制備與配方

將一定比例的有機(jī)酸和硼酸混合，然后與過量三乙醇胺在加熱條件下反應(yīng)一段時間，得到淡黃色透明合成劑；在合成劑中加入除乳化劑以外的水溶性組分，然后與油溶性組分混合；將乳化劑加入到上述混合物中，攪拌均勻得到棕紅色透明液體。

確定配方使用的各類添加劑后，對各類添加劑進(jìn)行了優(yōu)化平衡，使微乳化切削液的綜合性能達(dá)到最佳。研制的微乳化切削液各組分及添加量見表1。

表1 微乳化切削液的組成

2 性能試驗

2.1 紅外光譜

取少量研制的微乳化切削液涂于KBr晶片上，用濾紙刮成薄膜，在紅外光譜儀上于4 000～200 cm-1間掃描，根據(jù)譜圖中特征吸收峰來判斷合成劑結(jié)構(gòu)。由圖1可以看出：3 500～3 100 cm-1為醇胺的締合羥基吸收峰；2 936 cm-1，2 865 cm-1為-CH3和-CH2中C-H伸縮振動吸收峰；1 661 cm-1為COO-中C=O的伸縮振動；1 562 cm-1為醇胺中胺的變形振動；1 451 cm-1，1 404 cm-1為CH3中C-H的彎曲振動；1 365 cm-1，1 261 cm-1為B-O鍵伸縮振動吸收峰，而875 cm-1處為其變形振動吸收峰；1 067～900 cm-1為COO-中C-O-C的伸縮振動；730 cm-1為長鏈硼酸酯的特征吸收峰，表明硼酸、有機(jī)酸、三乙醇胺經(jīng)反應(yīng)后生成了硼酸酯和有機(jī)酸三乙醇胺。

圖1 合成劑的紅外圖譜

2.2 腐蝕性試驗

將鑄鐵片、紫銅和鋁合金試片依據(jù)SH/T 0218打磨、清洗干凈后，全部浸于5%微乳化切削液中，加蓋玻璃罩，將其放入(55±2) ℃的恒溫器中，連續(xù)試驗到規(guī)定時間后，取出試片進(jìn)行觀察。

2.3 防銹性試驗

微乳化切削液防銹性能的測試，按GB/T 6144—2010規(guī)定的方法進(jìn)行鑄鐵單片、疊片試驗。單片防銹試驗：用吸管吸取試液滴于試片上，然后將試片放置于干燥器中，在(35±2)℃的恒溫箱中試驗24 h后取出試片，進(jìn)行觀察。疊片防銹性試驗：用吸管吸取少量試液涂于試片上，然后用另一塊試片的磨光面重疊其上，置于干燥器中，在(35±2)℃的恒溫箱中試驗4 h后觀察試片。

2.4 潤滑性試驗

在MS-800型四球式試驗機(jī)上試驗微乳化切削液的潤滑性能。試驗選用二級GCr15軸承鋼球(直徑12.7 mm，硬度59～61 HRC)。在轉(zhuǎn)速1 450 r/min下試驗10 s，在顯微鏡下讀出底球的磨斑直徑。

2.5 消泡性試驗

在室溫下，將約70 mL微乳化切削液稀釋液(5%)倒入100 mL量筒中，蓋好塞，上下?lián)u動1 min，搖動頻率為100～200次/min，然后將其靜置10 min，記錄液面余下泡沫體積，不大于2 mL為合格。

2.6 綜合性能評價結(jié)果

配方確定后，對其理化性能按照以上試驗方法進(jìn)行了評價，同時列出了進(jìn)口同類產(chǎn)品的性能技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果見表2。

表2 微乳化切削液性能技術(shù)指標(biāo)及對比情況

從表中數(shù)據(jù)可以看出，研制的微乳化切削液與進(jìn)口產(chǎn)品性能相當(dāng)，最大無卡咬載荷PB值高于進(jìn)口產(chǎn)品，具有良好的潤滑性；對鐵具有較好的防銹性，對有色金屬如銅、鋁的腐蝕性小，可用于加工鐵、銅和鋁材，具有良好的通用性，但價格僅為進(jìn)口產(chǎn)品的1/2。

3 微乳化切削液使用效果

將研制的新型微乳化切削液送某軸承廠車間做使用試驗，試件為軸承內(nèi)、外圈，工件材質(zhì)為GCr15鋼。抽取3種型號軸承的內(nèi)、外圈進(jìn)行表面粗糙度值Ra檢測，并將結(jié)果與市售乳化油和進(jìn)口微乳化切削液進(jìn)行對比。試驗結(jié)果見表3，表明：使用市售乳化油加工的軸承內(nèi)、外圈表面粗糙度值Ra高于其工藝要求值；在此研制的微乳化切削液同進(jìn)口產(chǎn)品一樣可以滿足加工工藝要求，工件表面質(zhì)量較好，對操作者的皮膚不會產(chǎn)生不良反應(yīng)，并且不會溶蝕機(jī)床的油漆，工作廢液少，易于處理。

表3 使用不同切削液加工工件表面粗糙度對比 μm

注：Ra值工藝要求為Ra≤0.20 μm。

4 結(jié)束語

研制的微乳化切削液是由防銹緩蝕劑、乳化劑、基礎(chǔ)油及各類有效助劑調(diào)配而成。該微乳化切削液外觀清澈透明，呈弱堿性，對操作者以及設(shè)備無不良影響；具有良好的潤滑、防銹和清洗作用，并且各項指標(biāo)均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求；適用于車、磨及加工中心等設(shè)備使用，經(jīng)濟(jì)且環(huán)保。