金屬防銹劑的防銹性能及試驗(yàn)驗(yàn)證

侯萬果，王子君，田前進(jìn)

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

在軸承零件加工過程中，金屬加工液直接作用于機(jī)床、工件和刀具表面，因此要求加工液具有良好的防銹性能[1]。特別是在高溫、高濕度地區(qū)或季節(jié)，若軸承零件加工周期較長(zhǎng)，則對(duì)金屬加工液的防銹性能要求更高，要求加工液本身不會(huì)對(duì)工件、機(jī)床和刀具造成銹蝕，同時(shí)還應(yīng)具有一定的防銹性能，即能起到臨時(shí)防止銹蝕的作用。

合成金屬加工液冷卻性能好，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，在軸承零件加工過程中得到廣泛應(yīng)用。但合成金屬加工液在使用中通常用水稀釋，水含量較高，容易導(dǎo)致接觸部件銹蝕，所以防銹劑的選擇和復(fù)配是提高金屬加工液防銹性能的一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)保證金屬加工件質(zhì)量具有重要的意義。

下文將探討表面活性劑、水質(zhì)和pH值對(duì)金屬防銹劑防銹性能的影響。

1 金屬防銹劑防銹機(jī)理

1.1 銹蝕機(jī)理

金屬零件銹蝕指其與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞或變質(zhì)[2]。當(dāng)零件暴露在潮濕的空氣中，由于其表面對(duì)大氣中的水有吸附作用，在零件表面就會(huì)形成很薄的濕氣層——水膜，當(dāng)這層水膜達(dá)到一定厚度(20～30個(gè)分子)時(shí)，就將形成電化學(xué)腐蝕。這類電化學(xué)過程將隨溫度的升高和水中溶解的CO2和SO2等因素而加劇。通常情況下，水膜里溶解的氧氣呈弱酸性或者中性，腐蝕電池會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe被氧化為Fe2+，2Fe - 4e =2Fe2+；

水膜中的氧氣獲得電子，然后與水結(jié)合生成OH-離子，O2+2H2O+4e = 4OHˉ；

腐蝕總反應(yīng)2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2。

這樣零件表面的鐵原子就不斷溶解，形成溶解于水膜的Fe(OH)2，因Fe(OH)2在水膜中不穩(wěn)定，進(jìn)一步與水膜中的氧和水作用而形成不溶于水的Fe(OH)3，并沉淀附著在被腐蝕的零件表面上，形成紅褐色的銹層。

1.2 吸附機(jī)理

有機(jī)防銹劑由非極性基團(tuán)和極性基團(tuán)組成，非極性基為烴基，具有親油性，而極性基具有親水性。極性基有吸附于零件表面的親和趨勢(shì)，當(dāng)極性基吸附于金屬表面后，非極性基即定向排列于極性基相反的一邊，從而在金屬表面形成一層非極性的疏水性水膜，阻止參與腐蝕反應(yīng)的有關(guān)物質(zhì)和電荷向金屬表面移動(dòng)，減少它們與金屬的接觸(圖1)，減緩腐蝕速度[3]。

圖1 防銹劑防銹機(jī)理

1.3 防銹劑的選擇

通常在金屬加工液中添加防銹劑用來防銹，使用的防銹劑應(yīng)保證工作液長(zhǎng)期使用，需注意以下幾點(diǎn)：不宜采用無機(jī)鹽類作為防銹劑；不能含有磺化物、氯化物和酚等有害物質(zhì)；廢液應(yīng)易于處理，減少對(duì)環(huán)境的污染；盡量做到優(yōu)化組合，提高金屬加工液的整體性能。金屬加工液中選用環(huán)保型有機(jī)防銹劑，利用定向吸附作用，通過阻止或延緩氧氣和H+與零件表面接觸來實(shí)現(xiàn)防銹。

根據(jù)吸附機(jī)理，有機(jī)防銹劑中應(yīng)含有一個(gè)或幾個(gè)較強(qiáng)的極性基團(tuán)，如：-COOH， -COOR，-CONH2，-OH等，以便使防銹劑分子吸附在零件表面，而疏水性的烴基在零件表面形成保護(hù)膜，阻止水分子侵蝕零件表面，起到防銹效果[4]。作為水溶性的防銹劑，要求分子有一定的水溶性，可通過在分子中引入一定數(shù)量的強(qiáng)親水性基團(tuán)來增加水溶性。油酸、硼酸、癸二酸、月桂酸和雜環(huán)多元羧酸與乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺反應(yīng)生成羧酸酯類防銹劑，其分子中引入了羧酸酯類極性基團(tuán)，增加了水溶性，分子中的氮原子和氧原子都有孤對(duì)電子，可與鐵原子有空軌道的金屬表面作用生成絡(luò)合物，阻止氧、水等分子與金屬接觸，是一種很好的水溶性防銹劑；同時(shí)，它們還有潤(rùn)滑性和表面活性的作用，三乙醇胺的毒性較小，對(duì)環(huán)境的影響也小。因此，試驗(yàn)中用三乙醇胺與幾種類型的酸反應(yīng)，生成羧酸酯類化合物作為防銹劑使用。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 有機(jī)防銹劑對(duì)防銹性能的影響

市售有機(jī)防銹劑成分復(fù)雜，由多種物質(zhì)混合而成，將其與所研究的防銹劑進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，防銹劑稀釋液的表面張力見表1。將防銹劑用水稀釋到一定比例后進(jìn)行單片試驗(yàn)和疊片試驗(yàn)，結(jié)果如圖2、圖3所示。

表1 防銹劑稀釋液的表面張力

圖2 單片試驗(yàn)

圖3 疊片試驗(yàn)

從圖2和圖3可以看出，多元羧酸酯防銹效果最好，這是因?yàn)槎嘣人狨ズ卸鄠€(gè)酯類極性基團(tuán)，分子能有效吸附在金屬表面，且能形成致密的保護(hù)層，表現(xiàn)出較好的防銹性能。從試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下規(guī)律：當(dāng)碳鏈在一定范圍內(nèi)時(shí)，相同或相似分子結(jié)構(gòu)防銹劑隨碳鏈的增長(zhǎng)，防銹性能增強(qiáng)；當(dāng)含有適當(dāng)長(zhǎng)度疏水性烴基時(shí)，極性基團(tuán)越多，防銹性能越好。

此外在金屬零件加工過程中，切屑、磨屑、鐵粉和油污等物易黏附在零件、刀具和砂輪上，影響加工效果，使零件和機(jī)床變臟且不易清洗。所以金屬加工液必須具有良好的清洗性，一般可通過降低表面張力實(shí)現(xiàn)清洗作用，選擇表面張力較低的防銹劑有利于提高清洗效果。

2.2 表面活性劑對(duì)防銹劑防銹性能的影響

將相同含量的4種金屬防銹劑不加和分別添加0.5%辛烷基苯酚聚氧乙烯醚(OP-10)進(jìn)行單片和疊片防銹對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 單片對(duì)比試驗(yàn)

圖5 疊片對(duì)比試驗(yàn)

從圖中可以看到，OP-10對(duì)防銹劑的防銹性能有一定的干擾作用。有機(jī)防銹劑的防銹能力與其在金屬表面的吸附能力有關(guān)，吸附能力越強(qiáng)，防銹能力越強(qiáng)；通常OP-10在金屬表面優(yōu)先吸附，其在金屬表面的吸附對(duì)防銹劑的防銹作用有影響。綜合防銹劑的表面張力和防銹結(jié)果發(fā)現(xiàn)，防銹劑的表面張力越小，OP-10的干擾越小，因?yàn)楸砻鎻埩υ叫?，表面活性越高，在金屬表面的吸附力越?qiáng)；同時(shí)，極性基團(tuán)越多，在水中的溶解性越大，抗干擾能力越強(qiáng)[5]。由于單獨(dú)使用防銹劑所需濃度較高，故選用防銹能力和抗干擾性較好的B，C，D 防銹劑復(fù)配，以提高防銹能力并減少試劑用量。

2.3 水質(zhì)對(duì)防銹劑防銹性能的影響

防銹劑通常需經(jīng)水稀釋后使用，一般用當(dāng)?shù)氐淖詠硭♂?，因此在使用過程中水對(duì)防銹劑的防銹性能影響作用明顯。下面將同一金屬防銹劑分別用自來水和蒸餾水稀釋后進(jìn)行防銹性和防腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同水質(zhì)對(duì)防銹劑防銹和防腐蝕性能的影響

所用蒸餾水的電導(dǎo)率為7.5 μs/cm，自來水的電導(dǎo)率為650 μs/cm。電導(dǎo)率在一定程度上反映鈣、鎂離子的濃度。

從表2可以看出，在相同情況下用蒸餾水稀釋金屬防銹劑效果較好，其原因主要是自來水中的鈣、鎂等離子消耗了防銹劑中的有效成分。因此可知，金屬加工液的使用功效和使用周期均與稀釋水質(zhì)密切相關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中最好使用蒸餾水稀釋防銹劑。

2.4 pH值對(duì)防銹劑防銹性能的影響

國(guó)標(biāo)規(guī)定合成切削液的pH值為8.0～10.0。pH值過低容易腐蝕鋼、鑄鐵及銅，而且也容易繁殖細(xì)菌，引起腐敗變質(zhì)和工件、機(jī)床的銹蝕；pH值過高則對(duì)鋁及其合金腐蝕過強(qiáng)，且會(huì)傷害操作者的皮膚。所以，在實(shí)際使用過程中常用三乙醇胺調(diào)節(jié)pH值，表3為不同pH值下相同濃度金屬防銹劑稀釋液的防銹效果對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并綜合考慮金屬防銹劑稀釋液對(duì)各金屬構(gòu)件的腐蝕程度及影響，建議pH值控制在8.0～8.5。

表3 pH值對(duì)金屬防銹劑水溶液防銹效果的影響

3 結(jié)論

(1)當(dāng)碳鏈在一定范圍時(shí)，相同或相似分子結(jié)構(gòu)金屬防銹劑的防銹性能隨碳鏈的增長(zhǎng)不斷提高。

(2)當(dāng)分子結(jié)構(gòu)中含有適當(dāng)長(zhǎng)度疏水性烴基時(shí)，金屬防銹劑的防銹性能隨極性基團(tuán)的增加而有所提高。

(3)某些表面活性劑會(huì)降低防銹劑的防銹性能。

(4)相對(duì)于蒸餾水，自來水會(huì)削弱金屬防銹劑的防銹性能。

(5)pH值在8～8.5時(shí)，金屬防銹劑對(duì)10#鋼、黃銅和LY12鋁材均有較好的防銹效果。