鎂合金微乳化加工液的試制研究

張麗,宋愛(ài)華

(1.無(wú)錫英荷石化制品有限公司,江蘇無(wú)錫214151;2.中國(guó)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(ài)華2

(1.無(wú)錫英荷石化制品有限公司,江蘇無(wú)錫214151;2.中國(guó)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(guò)程,根據(jù)鎂合金金屬的特殊性能,通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)油、表面活性劑、防銹劑和緩蝕劑、潤(rùn)滑劑、pH值調(diào)節(jié)劑等功能型添加劑復(fù)配的研究,制得了該鎂合金微乳化液。試驗(yàn)結(jié)果表明研制的鎂合金微乳化加工液性能穩(wěn)定,具有優(yōu)良的潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹、防腐性能,較高的抗硬水穩(wěn)定性能,且無(wú)毒無(wú)味,對(duì)皮膚無(wú)刺激,能滿(mǎn)足鎂合金加工的各項(xiàng)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(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好及優(yōu)良的吸震性和電磁屏蔽性,且可回收性能和機(jī)械加工性能好,被譽(yù)為21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)材料[1-3],廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、機(jī)械、航空、航海、國(guó)防以及3C產(chǎn)品、手動(dòng)工具等領(lǐng)域,因此,鎂合金加工液的研究和開(kāi)發(fā),對(duì)提高我國(guó)金屬加工液的水平,滿(mǎn)足市場(chǎng)需要,取代國(guó)外產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鎂合金加工過(guò)程中的問(wèn)題

鎂是活潑金屬,標(biāo)準(zhǔn)電極電位較負(fù),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(lái)一系列問(wèn)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(jī)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(duì)于切削介質(zhì)的要求十分苛刻,在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)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(shù)指標(biāo)

在ISO及我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中微乳液一直沒(méi)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)可參考,因此根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7453和日本J IS K2241標(biāo)準(zhǔn)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(shù)指標(biāo),見(jiàn)表1。

表1 鎂合金微乳化液暫行技術(shù)指標(biāo)

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(chǎn)品,不僅具有乳化液良好的潤(rùn)滑性、防銹性和合成液清洗性好的優(yōu)點(diǎn),還克服了乳化液易變質(zhì)、發(fā)臭、使用壽命短及合成液潤(rùn)滑性差的缺點(diǎn),具有潤(rùn)滑性防銹性好,冷卻清洗能力強(qiáng),使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)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?jǐn)嚢杓吹玫轿⑷樾徒饘偌庸饪s液。

2.3 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油不僅本身起潤(rùn)滑作用,同時(shí)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(qiáng)緩蝕劑分子吸附層的密集性。微乳液中基礎(chǔ)油含量為5%～30%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于乳化油中基礎(chǔ)油含量,但也是影響油基穩(wěn)定性的主要因素。另外,微乳液優(yōu)異的綜合性能需要通過(guò)加入大量的各種添加劑才能得以體現(xiàn),一定程度上使油基稠化,增加產(chǎn)品粘度。因此,應(yīng)選用粘度較低的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油。同時(shí),為了保證運(yùn)輸、儲(chǔ)存的安全,選擇的基礎(chǔ)油閃點(diǎn)不宜太低[4]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn),選擇了45號(hào)變壓器油作為微乳化濃縮液的基礎(chǔ)油。

2.4 表面活性劑

表面活性劑的分散、乳化、增溶等作用實(shí)現(xiàn)了微乳液中分散相的高度細(xì)化和體系的穩(wěn)定性。鎂合金加工過(guò)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(chǎn)生混濁、浮渣、沉淀等問(wèn)題,導(dǎo)致乳化液穩(wěn)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(jìn)行復(fù)配,獲得一個(gè)均勻穩(wěn)定體系。

試驗(yàn)中,T702和非離子表面活性劑的不同配比,對(duì)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?？褂菜芰?采用5000μg/g人工硬水(MgSO4·7H2O和CaCl2)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試;乳化分散能力,采用觀察5%微乳液濃縮液在盛有自來(lái)水的100 mL具塞量筒中的溶解狀態(tài)進(jìn)行分析判斷,結(jié)果見(jiàn)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(zhì)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(shí)分別測(cè)定該稀釋液的硬度,硬度越高,說(shuō)明鎂合金片在該微乳液中越容易溶解,反之,亦然。結(jié)果見(jiàn)圖1。

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

圖1 在(70±2)℃時(shí)不同配比T702和非離子表面活性劑對(duì)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(duì)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(shí)不同配比T702和非離子表面活性劑對(duì)鎂合金片溶解能力的影響,經(jīng)綜合分析評(píng)定,T702和非離子表面活性劑在微乳液中的比列應(yīng)選擇3號(hào)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(jī)床不受乳化液的侵蝕。

其次,由于鎂的化學(xué)活潑性較強(qiáng),使其加工時(shí)無(wú)論在酸性、中性和弱堿性介質(zhì)中都不耐蝕,只有在pH值大于11的堿性溶液中,由于生成穩(wěn)定的鈍化膜,鎂合金是耐蝕的,但pH值過(guò)高會(huì)傷害操作者皮膚。為解決鎂腐蝕問(wèn)題,通常加入鎂緩蝕劑。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[5],鎂在含有S iO23-離子的溶液中可形成保護(hù)膜,腐蝕速度較慢。但微乳液中不同Na2S iO3含量對(duì)油基狀態(tài)影響較大,結(jié)果見(jiàn)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(rùn)滑劑

在金屬加工時(shí),為減小被加工的金屬發(fā)生塑性和彈性變形,需在金屬加工液中加入潤(rùn)滑劑。經(jīng)試驗(yàn),含有S、Cl、P、B元素的極壓抗磨劑對(duì)鎂合金均有嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象,結(jié)果見(jiàn)表4。因此,選擇了非S、Cl、P、B系的高級(jí)脂肪酸酯作為潤(rùn)滑劑。

表4 含有S、Cl、P、B元素極壓抗磨劑對(duì)鎂片的影響

在鎂合金微乳液濃縮液中加入10%的潤(rùn)滑劑,通過(guò)考察濃縮液的油基狀態(tài)、極壓抗磨性能、鎂合金腐蝕情況進(jìn)行篩選,見(jiàn)表5、圖2。

表5 幾種高級(jí)脂肪酸酯在微乳液濃縮液中的比較

圖2 幾種高級(jí)脂肪酸酯四球極壓試驗(yàn)負(fù)荷-磨痕對(duì)比

由表5幾種高級(jí)脂肪酸酯在微乳液濃縮液中的比較及圖2四球極壓試驗(yàn)負(fù)荷-磨痕對(duì)比可知,雖然酯C的極壓抗磨性能較好,但對(duì)鎂合金有腐蝕;酯D雖有較高的PD值,但在相同負(fù)荷時(shí)的磨痕都較大;酯A不管在相同負(fù)荷時(shí)的磨痕來(lái)看,還是PD值來(lái)看,較酯B都差,綜合評(píng)定選擇酯B為微乳液的潤(rùn)滑劑。

2.7 pH值調(diào)節(jié)劑

微乳液體系的pH值應(yīng)保持在8～10之間,pH值過(guò)低,滋生細(xì)菌霉變,導(dǎo)致加工液的腐敗和工件、機(jī)床的銹蝕;pH值過(guò)高,降低潤(rùn)滑性,還會(huì)傷害操作者皮膚。

實(shí)驗(yàn)選用了幾種常用pH值調(diào)節(jié)劑,通過(guò)考察鎂合金腐蝕情況和5%稀釋液的pH值來(lái)選擇合適的pH值調(diào)節(jié)劑,結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同pH值調(diào)節(jié)劑的比較

由表6不同pH值調(diào)節(jié)劑的比較可見(jiàn),既能使5%稀釋液pH值在8～10范圍內(nèi),又能使鎂片不產(chǎn)生腐蝕的pH值調(diào)節(jié)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(lái)提高微乳液的使用性能及壽命。

2.9 復(fù)合配方的確定

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)正交試驗(yàn)篩選和配方優(yōu)化,最終確定了鎂合金微乳化加工液的配方,見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn),對(duì)研制的鎂合金微乳化加工液的性能進(jìn)行了全面測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

4 結(jié)論

根據(jù)鎂合金的加工特點(diǎn),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(rùn)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(dá)到了暫定的技術(shù)指標(biāo),可用于鎂合金材料的加工。

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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(xué)學(xué)士,2007年畢業(yè)于南京曉莊學(xué)院化學(xué)系化學(xué)分析技術(shù)專(zhuān)業(yè),現(xiàn)任無(wú)錫英荷石化有限公司技術(shù)總監(jiān),從事潤(rùn)滑油脂技術(shù)研發(fā)工作。