一液型水系環保潤滑劑的開發

曾光宇

摘 要：本文主要介紹了一款適用于金屬材料冷塑性加工用的一液型水系環保潤滑劑。該款產品將傳統的磷皂化工藝，由原來的先使用磷酸鹽、草酸鹽等復合藥劑進行磷化處理，再與皂化藥劑反應的組合式潤滑體系，變更為單一的水系潤滑劑的處理。通過其水系環保屬性和高潤滑性，很好地改善了傳統工藝條件下惡劣的高溫、腐蝕氣氛的生產環境，并且大幅降低了生產過程中的能耗以及廢液處理成本。目前市場上還沒有成熟產品，能夠以單個工序同時滿足加工性能、環境、廢棄物處理、節能及皮膜結合力等諸多要求，因此傳統的磷皂化潤滑體系仍然占據我國塑性加工市場70%以上的份額。在日益嚴苛的環境要求及對成本改善的驅動下，該產品的開發應用與推廣，將會給市場帶來革命性的變化。

關鍵詞：一液型;潤滑劑;環保;廢液處理

1.前言

1.1 選題的依據及意義

冷鍛及冷鐓通常是指室溫下將金屬材料（特別是棒材、線材）進行冷拔、擠壓等塑性加工的工藝，多用于螺栓螺母等產品的生產過程。在這些冷擠壓的過程中，比如管材的冷鍛與冷拔，為了降低被加工材料與模具、拉模、沖頭等工具之間產生的摩擦，防止模具與零件之間發生咬死、拉毛或熱膠著，必須使用潤滑材料來保證在被加工材料表面形成潤滑皮膜，起到潤滑和降低不良率、延長模具使用壽命的作用。

潤滑處理的目的是為了降低金屬加工變形時的摩擦系數、在一定的負重下增加變形量及防止加工工具和金屬基材之間引起烤焦現象。傳統的潤滑劑可以分為液態的油基潤滑劑和固態的磷皂化化學皮膜[1]。液態油基的潤滑方式，出現的時間較早，主要是在加工過程中通過裝置讓潤滑油自動添加到生產設備和金屬材料之間，在生產的同時保證潤滑性能。使用過程中工作環境比較臟亂差，并且油的添加量和粘度等參數會對潤滑性產生比較大的影響。另一種傳統潤滑體系，固體磷皂化皮膜就是我們今天所要研究討論，并進行改進的工藝。相比于油基液體潤滑體系，固體磷皂化皮膜與被加工材料發生反應，能夠與材料本身形成良好附著的功能性皮膜，業內通常將其稱為磷皂化固體潤滑層。對于碳鋼和低合金鋼，皮膜的主要成分是磷酸鋅層與皂化層;對于不銹鋼的基材，則形成草酸層與皂化層。這樣通過磷酸、草酸等不同藥劑先進行前處理，再由皂化進行潤滑的組合工藝，即為傳統固態磷皂化潤滑。相比于傳統的液態油基潤滑，這樣的處理可以強化潤滑層的耐熱咬合性。并且同時保證足夠的潤滑性與磷皂化層與基體的結合強度。

但是，20世紀以來，隨著工業的全球化發展，國內塑性加工行業對于提高效率、降低成本的迫切需求不斷發酵。特別是2018年的全國范圍內環保普查，使得塑性加工行業大洗牌，各大企業對于工人工作環境及廢氣、廢液的排放被亟待改善[2]。在這樣的大背景下，一款具有原來傳統固體潤滑層性能甚至更高潤滑性能的環保型潤滑藥劑就顯得十分迫切。這就需要新的環保潤滑劑不僅潤滑性能要好，同時需要改善工作環境（例如，傳統國體潤滑的前處理需要使用鹽酸或者硫酸等強酸去除被加工產品表面的氧化層，而在70-80℃的高溫使用酸性處理液，會產生臭氣和煙霧使污染作業環境）;降低廢棄物（廢液、廢渣等）的倉儲和處理成本;減少工藝處理的環節（由原來的的7-10道工序縮短為現在的2-4道工序）;最終達到提升效率、降低成本、最大程度減少環境污染的目的。

因此，塑性加工行業中對于一款新型潤滑劑十分期待。既要能滿足加工性能對于潤滑、附著力、耐蝕性等方面的性能，又要能有效降低能耗，改善工人工作的工況。就是在這樣的大背景下，該款產品具有重要的戰略意義。

1.2 對個人在工作中的提升

通過本課題的設計，本人在下述能力上得到培養和鍛煉，積累了寶貴的經驗：（1）能夠提供客戶所需要的產品;（2）多次造訪客戶現場，了解客戶在環保政策、設備局限、三廢處理等方面的瓶頸和痛點;（3）將新產品進行應用和推廣，讓更多的國內客戶使用環境友好型潤滑劑;（4）系統梳理潤滑劑從研發到技術應用的系列知識，從理論研究到實踐掌握;（5）掌握寫論文的一般步驟及格式方法，同時提高自己對于新知識、新技能的學習能力，強化自己獨立思考、解決實際問題的應對能力。

2.本文研究的主要內容

2.1 研發思路

開發一液型水系環保潤滑劑，在潤滑性能不低于傳統固體磷皂化潤滑層的前提下，優化簡化生產工藝、減少對環境的污染改善工人的生產環境。選用水系基體作為基礎，并在基體中添加水溶性無機鹽;將起到潤滑作用的基團按照一定比例復配到產品當中，最后再添加必要的活性劑及其他需要的添加劑，形成均一、穩定的水洗一液型液體潤滑劑。之后將開發的產品在各種不同金屬材料表面進行測試，通過在鐵材、鋁材、不銹鋼和鎂合金、鈦合金等不同材質的產品上運用后統計結果，調整配方，觀察產品的實際使用情況以及這些金屬表面潤滑層的潤滑性能和抗熱要和性能。最終目標是代替現有處理方法，從而減少對環境的污染、提高生產效率、降低綜合成本。

其中關鍵技術有：1）藥劑方面：原料的選擇、配方建立2）處理工藝：通過簡單的處理工藝，就能滿足材料表面對于潤滑層的高潤滑性能要求、并實現藥劑的檢測與添加自動化3）冷塑性加工性能驗證：潤滑性能（抗拉毛、抗咬合）、防銹周期。

2.2目標和前景

目標是為了代替傳統磷皂化工藝中，易產生大量環境污染型氣體的前處理過程，包括熱酸洗、磷酸與草酸的酸化處理等環節，通過使用環保友善型的潤滑劑，實現連續自動化一體化生產、減少周轉流動次數、減少人工成本、減少空間、降低能耗、提高生產效率、減少CO2排放以及三廢排放（最綠色環保的新型潤滑級），比目前磷酸鹽和草酸鹽處理等化學被膜處理與反應型皂處理技術更降低綜合成本（30%以上）并提高利潤。該項目豐富貼合目前國家對綠色環保、節能減排等政策。同時該潤滑劑擁有非常高的耐熱咬合性能，所以在許多棒材、線材的冷鐓加工行業有著非常寬的使用范圍，特別是在目前的螺栓螺母等批量塑性加工件行業中得到十分廣泛的應用前景。所以該產品的推廣和使用對于塑性加工行業有著極其深遠的意義。

3.關鍵技術難點的解決措施

3.1 藥劑方面

1）原料的選擇

該產品設計理念為水系弱堿性體系，有別于目前磷酸鹽和草酸鹽的酸性前處理體系+堿性皂化處理體系，屬于一液型環保藥劑體系。水系弱堿性體系可以明顯減少對人體以及環境的危害。

原料選擇方式：首先選擇多種水溶性好的無機鹽、蠟、有機樹脂等原料，通過不同的組合，完成N+1個樣品，對以上樣品進行產品相融性、穩定性等基礎的驗證。經過在不同溫度、濕度的環境下測試，擇優選擇抗老化性能優良的基礎組合。

2）配方建立

設定多個不同的配方藥劑，主要從潤滑性和變形率來區別配方，以保證將來實際應用時的不同需求。通過前期對各原料的了解與基本性能評估分析，通過固體重量比設計理論配方，之后再通過實際冷鍛和冷拔處理來最終確認配方，同時制定簡易而又便于操作的產品檢測方式。通過對原料和配方體系建立的過程確定， 最后使該產品擁有更可靠的穩定性，同時便于客戶對藥劑進行日常管理和抽驗工作。

3.2 處理工藝

1）簡化處理過程

通過簡單的處理工藝，就能得到很好的塑性加工潤滑性能。一液型水系環保潤滑劑只需要施用潤滑劑的一個步驟，即將被加工金屬與液體藥劑充分浸漬，使得液體充分包裹在金屬表面，形成一層具有粘結性的潤滑膜，隨后在進行一定溫度的烘烤固化潤滑層即可得到具有優良潤滑性能的潤滑層。不需要像傳統工藝那樣，由脫脂、酸洗、磷化、水洗和皂化反應五個步驟組成。

2）簡化藥劑的檢測與添加方式

傳統的磷皂化固體潤滑層體系，在前處理反應進行的過程中，隨著反應的進行，會消耗潤滑劑中的有效成分，同時造成各項指標參數的降低，若不及時進行定時管控和成本添加，會造成反應不良，冷塑性加工性能降低。所以對于以上處理工藝在生產過程中需要有專人以每2個小時進行槽液管控和補給，已保證槽液正常。整個過程屬于重復勞動，由于是人工進行藥品的檢測和添加，難免會受到情緒好壞、操作誤差等各方面的影響，導致產品質量隨著操作者的不確定性而產生波動，這種波動會影響品質，也會降低生產效率，還存在安全事故的隱患。為避免以上問題，簡化檢測和添加方式，將使用機械控制裝置通過電導率的管控，通過電導率范圍變化，機械裝置將自動添加藥劑或者去離子水，以保持所設定的電導率指標。詳見下圖：

得益于新的配方體系，新產品能更好的保護中國的環境，真正實現可持續發展。不僅如此，優化后的工藝不僅簡化了工藝，還提高了生產自動化程度。可以說即節省了空間，又提高了生產能力、減少了三廢處理的費用，并且有效保證了冷塑性加工的潤滑性。使產品的質量和性能有很大提升。 使之成為性能卓越，可靠性優良的綠色環保的潤滑劑。

3.3冷塑性加工性能驗證：潤滑性能（抗拉毛、抗咬合）。

使用同一規格的圓棒料，在進行相同潤滑工藝處理之后，使用相同的液壓設備進行冷塑性加工，記錄成型荷重以及尺寸，同時仔細觀察是否存在缺陷（拉毛、咬合等問題）。該性能驗證將傳統磷皂化固體潤滑體系與新型環保型潤滑體系的潤滑性能進行了對比。通過以上冷塑性加工驗證一液型水系潤滑劑配方體系和性能的可靠性。詳見下圖：

4. 一液型環保產品的優勢

4.1創新性

完成初次配槽后，將槽液的管控參數調整至合理范圍，通過自動上料、自動監測和自己補給裝置就可實現全自動的連續生產的模式。也可以通過設備操作界面也可以實現半自動生產。這樣做的好處是，在半自動模式下可以及時了解問題發生的原因，進行問題排查，而在全自動模式下可實現經濟利益最大化。從工藝的角度來看，該藥劑能以單個工序進行處理、且潤滑層可實現輕松剝離，在一定條件下可以通過退鍍進行返工處理。在生產效率上，使用浸漬法（10秒涂敷）即可實現批量處理各類金屬材料，使材料表面產生牢固的潤滑層，避免產品與模具、工具間由于發熱導致的熱咬合，相比傳統磷皂化工藝效率大大提升。在性能上能夠滿足客戶對于加工性能、環境友好、廢棄物減少，以及減少工藝環節降低能耗、改善工作環境等全新的高需求，更能全面覆蓋一般客戶對于潤滑性能的基本要求。

與傳統磷皂化比較可以發現，工件在噴砂之后，只需要進行簡單的熱水洗就可以進入藥劑涂覆。整個過程沒有其他環節的槽液配置和排放的困擾，只需要一個主體設備進行浸漬就可以完成。

4.2皮膜性能指標及鍛造能力

優化后的潤滑工藝將皮膜結構簡化，雖然處理工藝及皮膜結構相對于傳統磷皂化少了，但是卻能提供優于傳統工藝的潤滑性能。并且可以在相同性能的條件下有效降低膜厚厚度，合理控制生產成本。針對目前主流客戶主流產品進行鍛造對比測試，該項目潤滑劑性能不差于傳統磷皂化工藝

4.3經濟效益標

根據客戶現場3個月的跟線測算，由于工藝環節減少，在能耗及廢水處理方面相比于傳統磷皂化大幅降低。另外，因為中間倉庫可以取消，減少了重復搬運等周轉過程，也很好的地減少了物料的損耗等。綜上所述，通過一液型潤滑劑的綜合處理成本，相對于傳統工藝可減低30%以上。

4.4同類技術的對比情況

總結一液型水洗環保潤滑劑與傳統磷皂化工藝的對比情況，總結如下：1）一液型潤滑性能同等或優于傳統型;2）工序簡單，一液型一般在3分鐘以內;傳統型在30分鐘以上;3）處理溫度從傳統的75℃左右降低到55℃左右;4）藥劑管理實現了自動化控制;5）三廢處理大幅減少，一液型是環保型藥劑;綜合來看整個一液型產品在性能上和成本上都實現了對傳統產品和工藝的超越。

4.5 設計總結

通過參與本次一液型水系環保潤滑劑的研發，使我對塑性加工領域的表面處理技術有了更為深刻的了解。在整個開發推廣的過程匯總，我帶領團隊首先客服了產品體系的難關。設計出環保型潤滑體系，降低對環境及人體的損害;其次是攻克潤滑性能的難關，在更換體系、減少工藝的前提下使用新的潤滑成分來滿足高潤滑性能及其他性能要求;通過在客戶現場多次不斷地調試，磨合產品與設備的匹配性，最終得以完成并推廣新型環保潤滑劑。

參考文獻：

[1]村田元治、松村由男、西澤嘉彥等，金屬材料的冷塑性加工用水洗潤滑劑[P]， 1998-1-28.

[2]王志剛，塑性加工潤滑技術的新動向[J]，塑性工程學報，2002- 04（1）：20-24.