不同潤滑劑對水基切削液摩擦學性能的影響

祁有麗，徐小紅，周旭光，陳馥婧

（中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅蘭州 730060）

0 引言

為滿足環保和健康法規的要求，水基切削液正向無氯、無酚、不含亞硝酸鈉及使用壽命長、處理費用低的方向發展［1］。發達國家已走過了從乳化液向合成液再向微乳化液發展的過程，我國機械行業在20世紀80年代出現了研制生產和應用合成液的熱潮，而到90年代才比較普遍地注重微乳化液的研制和應用［2］。在這變化進程中，傳統的氯化石蠟用量逐漸減少，環保型添加劑的選擇對配方搭建尤為重要［3］。本工作主要考察了脂肪酸皂、聚氧乙烯類磷酸酯、硫化脂肪酸酯以及聚合酯等添加劑對配方摩擦學性能的影響，為搭建配方選擇合適的潤滑劑提供了理論指導。

1 實驗部分

1．1 攻絲扭矩評價

本研究采用德國Micro Tap公司的LABTAPG8型攻絲扭矩試驗機對配方潤滑性能進行評價。加工方式為:攻絲;轉速:1500 r/min;加工材質:不銹鋼板;數據處理方式:采集攻絲過程中的平均扭矩和標準偏差，參照ASTM D-5619方法進行攻絲效率計算，利用攻絲效率和標準偏差來比較添加劑潤滑性能的優劣。

1．2 極壓、抗磨性能評價

采用濟南試驗機廠的MRS-10A型四球試驗機，按GB/T 3142方法分別評價潤滑劑的承載能力（PB）及抗磨性能。試驗條件:PB值的測定條件為轉速1450 r/min，時間10 s，室溫約20℃;長磨試驗的轉速為1200 r/min，載荷:294 N，時間為30 min。

1．3 摩擦系數測定

利用Falex軸與V型塊試驗機，依照標準方法SH/T 0201測定不同添加劑的摩擦系數。

1．4 REICHERT M 2 摩擦、磨損試驗

利用德國公司的REICHERT M2摩擦磨損試驗機進行添加劑抗磨性能評價。該試驗方法為:采用圓柱形鋼輥，在旋轉的鋼環上施加壓力，此時鋼環的三分之一浸泡在有潤滑液的杯形蓄油池中。隨著環的旋轉，鋼棍上產生橢圓磨斑，磨損面積大小來表征潤滑劑的抗磨減摩性能，磨損表面以mm2表示。

1．5 表面張力測定

利用上海中晨數字設備有限公司生產的JC2000C1接觸角/界面張力測量儀測定不同添加劑調合配方的表面張力。

2 結果與討論

2．1 不同潤滑劑對配方穩定性、防銹性以及表面張力的影響

近年來，由于環保法規的日趨嚴格，金屬加工液配方研究者致力于氯化石蠟替代品的科學研究。低硫、低磷以及聚合酯在金屬加工液配方中的使用日益廣泛。本工作首先考察了脂肪酸皂、聚氧乙烯磷酸酯、聚合酯以及硫化脂肪酸酯對配方主要性能，如高低溫穩定性、防銹性以及表面張力的影響，結果如表1所示。

表1 不同添加劑對配方性能影響

從表1的初步評價可以看出，當添加脂肪酸皂時，配方的穩定性較差，在高溫儲存過程中容易產生油皂析出;引入聚氧乙烯類磷酸酯時，配方抗磨性較差，導致抗泡劑用量的增加;引入硫化脂肪酸酯時，配方的防銹性能較差，鐵屑防銹為3級，屬于重銹，導致防銹劑量的增大;引入聚合酯時，配方的高低溫穩定性、防銹性均能滿足使用要求。

2．2 不同潤滑劑對配方極壓、抗磨以及減摩性能的影響

不同添加劑在配方中的極壓性見圖1。

圖1 不同添加劑在配方中的極壓性

由圖1可以看出，脂肪酸酯、磷酸酯和聚合酯在配方中的極壓性能基本相同。配方中的添加量為5%～7%時，其PB值在411.9 N至441.3 N范圍內，并且三種不同分子結構類型的添加劑的燒結負荷均為1235.6 N。說明脂肪酸酯、聚合酯和聚氧乙烯磷酸酯在摩擦副表面形成的潤滑膜，只能在一定的載荷范圍內起到提高配方承載能力的作用，并沒有與金屬表面發生化學反應，生成能夠保護金屬表面的化學反應膜。然而當配方中添加含有活性元素硫的硫化脂肪酸時，相關配方的PB值和PD值比添加脂肪酸皂、聚合酯以及聚氧乙烯磷酸酯的配方提高幅度較大。尤其是配方的PD值高達1569 N，說明硫化脂肪酸酯在一定負荷下，與金屬表面發生了化學反應［4］，見圖2。

圖2 硫化脂肪酸酯在金屬表面的化學反應

從圖2中的成膜過程可以看出吸附在摩擦表面上的硫化脂肪酸的C-S鍵在摩擦過程中發生斷裂，生成烴基自由基，烴基自由基從體系中奪取H生成烷烴及其二聚體R-R，而·S·進一步與Fe反應生成FeS。由此生成包含鐵的硫化物和氧化物或硫-氧-鐵復雜化合物的邊界膜，剪切強度低，熔點低，在苛刻工況下表現出良好的極壓性能。

圖3為不同添加劑的抗磨性能。可以看出，這四種不同分子結構的添加劑的抗磨性能正好與極壓性相反。由于聚合酯分子中存在多個烷基鏈，可以在摩擦副表面形成排列較為整齊、致密的彈性流體膜，在一定載荷下這種膜表現出優異的抗磨性能，相應的磨斑直徑較小。而硫化脂肪酸酯、脂肪酸皂以及聚氧乙烯磷酸酯由于分子結構中只還有一個烷基鏈，因此抗磨性能較差。并且，硫化脂肪酸由于分子中的活性硫在一定載荷下形成的FeS膜對金屬具有一定的腐蝕性，導致磨斑直徑增大。

圖3 不同添加劑的抗磨性能（磨斑直徑）

在搭建配方的過程中，若是苛刻工況下的加工，配方中需要加入含有活性硫的極壓劑。如是搭建對表面光潔度要求較高，極壓性能要求不是很高的鋁、鎂等輕金屬加工時配方中的潤滑劑可以選擇磷酸酯、聚合酯等添加劑。

在本工作中，利用法萊克斯V型塊A法，測定了不同添加劑的摩擦系數以考察其減摩性能。在摩擦系數測試過程中，通過不斷增加載荷，考察潤滑劑在摩擦副表面形成的潤滑膜的強度，如果所形成的潤滑膜的強度較高，隨著載荷的增加，所測定的平均摩擦系數較小，如果潤滑劑在摩擦副表面形成的潤滑膜強度不夠，那么隨著載荷的不斷增加，所測定的平均摩擦系數較大，測試結果如圖4所示。

圖4 不同添加劑的摩擦系數

從圖4可以看出，在相同的測試條件下，各種添加劑的減摩性能依次是:聚合酯＞脂肪酸皂＞磷酸酯＞硫化脂肪酸酯。減摩性能的不同是由于添加劑在摩擦副表面形成的彈性流體膜隨著載荷變化而引起的。各種添加劑在金屬表面隨載荷增加，成膜機理如圖5至圖7所示。

圖5 聚合酯在摩擦副表面成膜形式

圖6 磷酸酯在摩擦副表面成膜形式

圖7 脂肪酸皂在摩擦副表面成膜形式

結合圖5至圖7中各種添加劑的成膜機理可以看出，聚合酯表現出優異的減摩性能，這與它分子結構中存在大量酯基團，吸附能力強，在一定范圍內所能承載的強度較大有關。而磷酸酯和硫化脂肪酸的減摩效果較差，說明在一定的載荷范圍內，由于分子結構中含有活性元素，與金屬表面發生化學反應，導致所形成的彈性流體膜破裂，從而減小摩效果較差。脂肪酸皂雖然形成的彈性流體膜沒有聚合酯致密，但是隨著載荷的增加不像含活性元素的添加劑，隨著載荷的增加，膜發生破裂，并與金屬表面發生化學反應。因此，與含磷、硫添加劑相比，脂肪酸皂也具有一定的減摩性能。由此可見，在配方搭建過程中，如果對工件表面的平整性、光潔度以及散熱性能要求較高，應該選擇加入具有優異減摩性能的聚合酯，或者將聚合酯與含磷硫的添加劑復配使用。

2．3 添加劑綜合摩擦學性能評價

隨著人們對金屬加工液使用過程中的逐漸深入了解，發現單一的極壓、抗磨以及減摩性能評價并不能確定一個配方摩擦學性能的優缺點。且具有優異極壓性、抗磨性能的配方并不一定就能滿足特定的加工工況。因此，能夠模擬現場加工工況的綜合潤滑性能評價方法:RECHERT M2以及攻絲扭矩試驗應運而生。本工作中，將脂肪酸皂、磷酸酯、硫化脂肪酸酯以及聚合酯調合的配方在RECHERT M2摩擦磨損試驗機以及Micro TAP攻絲扭矩試驗機上進行綜合摩擦性能的評價。

圖8為REICHERTM2摩擦磨損試驗機示意圖。該設備適用于冷卻潤滑劑、齒輪油、液壓油、輕油、潤滑油、傳動液等摩擦磨損性能的評價。通過環與滾子之間的滑動摩擦，在滾子上形成的磨斑面積大小，可以有效評價潤滑劑在摩擦副表面的成膜能力，黏附強度等。

圖8 REICHAERT M 2摩擦磨損試驗機

圖9為添加有不同潤滑劑配方的磨損面積。通過REICHERTM2試驗，若滾子上的摩擦面積越小，說明添加劑的抗摩擦、磨損性能越好。從圖9可以看出，在該試驗過程中，聚合酯、脂肪酸皂以及磷酸酯的磨損面積分別為:28.65 mm2、28.47 mm2和27.44 mm2，說明這三類添加劑在環-滾長磨工況下的成膜強度基本相同，都具有較好的抗磨、減摩性能。但是，硫化脂肪酸酯的磨斑面積較大，為31.46 mm2，說明該添加劑在滾子上形成的膜容易破裂，導致磨損面積增大。結合四球磨損試驗測定結果可以看出，REICHERT M2實驗結果進一步證明了，在長磨過程中，硫化脂肪酸酯的抗磨性能較差，聚合酯、脂肪酸皂以及磷酸酯添加劑的抗磨性能基本相同。

圖9 各添加劑REICHAERT M 2摩擦磨損試驗結果

圖10 添加有不同潤滑劑的配方攻絲效率

在攻絲扭矩實驗過程中，選擇進口產品為參比液，通過攻絲效率計算，各添加劑相對應配方的攻絲效率分別為:硫化脂肪酸酯＞磷酸酯＞聚酯＞脂肪酸皂。且添加硫化脂肪酸酯的配方攻絲效率最好，說明在相同的攻絲工況下，添加有硫化脂肪酸酯的配方首先能均勻的鋪展在金屬表面，并在絲錐進入金屬表表面過程中生成了具有保護作用的FeS化學膜。在該工況下，磷酸酯與聚合酯的攻絲效率是相當的，而脂肪酸皂隨著攻絲過程中溫度的升高容易分解，成膜不穩定，因此攻絲效率較差。

3 結論

（1）配方中引入脂肪酸皂時，溫度升高容易發生析皂，配方不穩定，且從各種摩擦學性能測試看出，脂肪酸皂摩擦學性能較差。

（2）聚氧乙烯醚磷酸酯由于分子中乙烯醚片段的存在，配方的表面張力較低，具有一定的助乳化作用;通過各種摩擦學性能評價可以看出，聚氧乙烯醚磷酸酯具有一定的極壓、抗磨性能，推薦用于易加工材質鋁、鎂等輕金屬配方中。

（3）硫化脂肪酸酯不利于配方的防銹、防腐性;但是其表現出優異的極壓性，推薦用于苛刻工況下的加工，且配方中的防銹劑量要加大。

（4）聚合酯具有一定的助乳化作用，配方的表面張力較低;通過各種摩擦學性能評價可以看出，配方中添加劑聚合酯時，其極壓，抗磨、減摩性能都比較突出。因此，聚合酯可以部分替代氯化石蠟、高磷以及高硫等對環境和人體傷害較大的極壓抗磨劑的使用。

［1］張二水.切削液的技術進步和發展趨勢［J］.用油全方位，2009，4（1）:28-32.

［2］路博潤公司.乳化型金屬加工液中主乳化劑的發展［J］.石油商技，2006，24（5）:32-37.

［3］洪涇.切削液中聚合酯取代氯化石蠟的性能研究［J］.潤滑油，2010，25（1）:39-44.

［4］盛麗萍.氮雜環衍生物水基潤滑添加劑的合成及其性能研究［D］.中南大學碩士學位論文，2009.