廢機油制備的乳化切削液及其性能研究

李想，曹雅星，周忠偉，衣守志，楊健

(1.天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457；2.天津三一郎眾環保科技有限公司，天津 301605)

切削液是軸承零件切削加工中重要的配套材料，主要提供切削過程中的清洗、潤滑、防銹以及冷卻作用[1-2]。乳化切削液是目前常使用的水基切削液，因其成本低得到迅速發展并逐步取代安全性低的油基切削液[3-5]。

隨著交通運輸、機械制造業的飛速發展，越來越多的機械設備、機動車輛進入市場，機油或潤滑油的使用量日益增大，導致每年有大量的廢油產生，若未能及時處理，易造成資源浪費和環境污染等問題。廢油的深度處理成本較高，收益小[6-8]，本文使用脫酸→脫色→脫水→吸附→過濾處理后的澄清廢機油為基礎油，通過基礎原料篩選確定配方，并通過正交試驗和單因素試驗進行配方優化，從而制備出一種生產成本低，綜合性能優良的乳化切削液。

1 試驗

1.1 主要試劑與儀器

廢機油、防銹劑(苯并三氮唑、油酸、癸二酸、三乙醇胺)、油性劑、極壓添加劑、pH穩定劑(三乙醇胺)、表面活性劑(石油磺酸鈉)、殺菌劑。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、恒溫水浴鍋、MRS-10A四球摩擦試驗機、CHI660D電化學工作站。

1.2 乳化切削液的制備

1.2.1 制備工藝

采用多種表面活性劑，利用界面復合物生成法配置乳化切削液。

1)水相反應物的配制：在45 ℃水浴環境下，蒸餾水中加入pH穩定劑，使pH值為7.5～9.5，然后依次加入極壓添加劑和殺菌劑，完全溶解后加入防銹劑和表面活性劑，攪拌均勻后靜置。

2)取另一容器配制油相反應物：在45 ℃水浴環境下，向澄清廢機油(作為基礎油)中依次加入油性劑和表面活性劑，攪拌后靜置。

3)將油相物緩慢地加入到水相物中，保持攪拌，直至混合完全，最終得到紅棕色透明液體，完成乳化切削液的配置，其具體組分見表1。

表1 自制乳化切削液濃縮液組分的質量分數

1.2.2 乳化切削液配方的優化

為進一步優化乳化切削液的配方，利用正交試驗確定配方中重要組分的最佳配比用量(文中組分的用量均為質量分數)。參考文獻 [9-10]最終確定以防銹劑a、自制防銹劑b、石油磺酸鈉、pH穩定劑、極壓添加劑作為主要影響因素，每個因素分別設計4個水平，以摩擦因數μ和防銹效果(表2)作為評價標準。試驗采用L16(45)型正交試驗表，具體因素水平見表3。

表2 防銹效果評價表

表3 因素水平表

1.3 乳化切削液的檢測與表征

1.3.1 腐蝕性

試片尺寸為50 mm×25 mm×3 mm，試驗前用400目的砂紙沿一個方向打磨光滑，并依次用石油醚、無水乙醇清洗干凈，熱風吹干。然后分別將3種試片(表4)完全浸沒于濃度為5%的稀釋液中(不同材料的試片浸沒于不同的燒杯中)，蓋上玻璃罩后放置到55 ℃的恒溫鼓風干燥箱中，到規定時間后取出試片觀察，具體評定等級標準見表4。

表4 腐蝕性試驗評定標準

1.3.2 防銹性

試片為φ35 mm×20 mm的HT300一級灰口鑄鐵，試片的打磨、清洗方法與1.3.1節相同。用一次性吸管吸取濃度為5%的稀釋液，在已處理好的試片表面滴5滴4～5 mm的液滴，每滴之間應保持一定距離，不得連接；然后將試片置于φ300 mm干燥器內的瓷板上(干燥器內注入約占其底部1/3的蒸餾水)，緊密合上干燥器蓋，放在(35±2)℃的恒溫鼓風干燥箱內靜置48 h，取出觀察結果。其評定標準為：試片表面5滴全無銹，Ⅰ級；試片表面1滴有銹，Ⅱ級；試片表面2滴有銹，Ⅲ級；試片表面3滴有銹，Ⅳ級。Ⅰ級為合格，其他等級均為不合格。

1.3.3 摩擦學性能

潤滑和極壓性檢測是在四球試驗機(球盤式摩擦磨損試驗機)上進行。在轉速為1 200 r/min，時間為30 min，試驗載荷為392 N下，測定濃度5%切削液的摩擦因數；在轉速為(1 400±50)r/min下，測量濃度5%切削液的最大無卡咬載荷PB值[11-12]。

1.3.4 Tafel極化曲線測試

選用尺寸為30 mm×50 mm×3 mm，工作面積為10 mm×10 mm的Q235標準碳鋼片,試片的打磨、清洗方法與1.3.1節相同。用質量比為1∶1的松香和石蠟混合密封非測試面。在室溫條件下，各取10 mL濃度為 0%，5%，10%，20%稀釋液加到10 mL的3.5%NaCl溶液中，采用CHI660D電化學綜合測試系統，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片電極，工作電極為Q235碳鋼片[13-15]，分別測試其Tafel極化曲線。

2 結果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗設計及其結果分析見表5和表6。

表5 正交試驗及結果

表6 正交試驗結果分析

正交試驗采用2個評價標準，利用綜合平衡分析法及應用數理統計的相關方法進行評價。由表5和表6可知，防銹劑a，b對切削液防銹性影響較大，石油磺酸鈉和pH穩定劑對切削液潤滑性影響較大。所以，最終確定正交試驗的優化方案為A3B2C1D2E2，即防銹劑a質量分數為1.84%，自制防銹劑b質量分數為3.45%，石油磺酸鈉質量分數為5.17%，pH穩定劑質量分數為6.90%，極壓添加劑質量分數為1.72%。

因正交試驗只考察了乳化液的重要成分及其對切削液防銹性和潤滑性的影響，所以未涉及到的添加劑或對切削液極壓性的影響，需進行單因素試驗。

2.2 單因素試驗

2.2.1 油性劑添加量

由于油性劑的微觀分子結構中含極性和非極性基團，在切削液體系中其吸附于工件金屬表面，不僅有防銹作用，同時還具有潤滑作用[16]。油性劑的單因素試驗結果分別如圖1和圖2所示，油性劑的質量分數為1.84%時，乳化切削液的防銹性和潤滑性為最佳。

圖1 油性劑質量分數對乳化切削液潤滑性的影響

圖2 油性劑質量分數對乳化切削液防銹性的影響

2.2.2 極壓劑添加量

正交試驗的評價標準是防銹性和潤滑性的好壞，而切削液中極壓劑主要會對切削液的極壓性產生影響，其添加量決定了金屬表面的耐受力程度。對極壓劑進行單因素試驗，其評價標準為PB值。

試驗結果如圖3所示，配方中極壓添加劑的質量分數在1.49%以上時，PB值大于540 N，符合GB/T 6144—2010《合成切削液》要求。極壓添加劑質量分數為1.72%時，PB值最大，切削液同時具有最佳的防銹性、潤滑性和極壓性。

圖3 極壓添加劑質量分數對乳化切削液極壓性的影響

2.3 優化配方的確定

通過正交試驗和單因素試驗，確定了自制乳化切削液的優化配方，具體配方見表7。

表7 自制乳化切削液優化配方的質量分數

3 切削液的性能檢測

3.1 電化學測試

乳化切削液一般稀釋使用，但稀釋液濃度對乳化切削液的緩蝕性影響很大。為探究最佳稀釋濃度，對不同稀釋濃度的乳化切削液進行Tafel試驗，結果如圖4和表8所示。由圖表可知，隨著稀釋倍數的增加，極化曲線右移，腐蝕電位的絕對值變小；當稀釋20倍時，即乳化切削液濃度為5%時，腐蝕電位絕對值最小，腐蝕電流密度最小，此時，乳化切削液體系緩蝕能力最強。

圖4 不同稀釋濃度下乳化切削液的極化曲線

表8 腐蝕電流

3.2 綜合性能評價

結合GB/T 6144—2010和JB/T 7453—2013《半合成切削液》對優化后的乳化切削液進行多項性能指標的檢測，結果見表9，自制乳化切削液各項指標均符合要求。

表9 自制乳化切削液綜合性能評價

3.3 與市售切削液對比

3.3.1 腐蝕性

與4種不同市售切削液進行腐蝕性對比試驗，結果見表10，自制乳化切削液對鑄鐵、銅、鋁都具有較好的緩蝕能力。

表10 切削液腐蝕性對比

3.3.2 潤滑性能

將自制乳化切削液與4種不同市售切削液的潤滑性能進行對比，結果如圖5所示。根據試驗結果計算得到自制乳化切削液的平均摩擦因數為0.069，符合行業標準中不大于0.130的要求；4種市售切削液的平均摩擦因數分別為0.084，0.078,0.088和0.080，明顯較自制乳化切削液高；同時，與市售切削液相比,自制乳化切削液的摩擦因數變化幅度小，說明該乳化切削液潤滑性能穩定：自制乳化切削液的潤滑性能不但符合標準，且較部分市售切削液優良。

圖5 不同切削液摩擦因數隨時間的變化

4 成本經濟比較

根據市場上原料和添加劑價格，對自制乳化切削液進行簡單的成本核算，并與4種市售切削液進行生產成本對比，結果見表11。對比可知，自制乳化切削液的生產成本低于某些市售切削液，經濟效益好。

表11 切削液生產成本對比

5 結論

1)通過正交試驗和單因素試驗確定并優化了廢機油為基礎油的乳化切削液配方。

2)制備的乳化切削液具有優良的防銹性、潤滑性和極壓性，各項指標均符合要求。

3)制備的乳化切削液與某些市售切削液相比，潤滑性和腐蝕性更加優良。由于采用廢機油作為基礎油，不但降低了乳化切削液的生產成本，又解決了廢油問題，經濟效益更高。