揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油的研制

李云鵬++趙宇++魚鯤

摘要：揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油具有低黏度、易揮發(fā)、防腐防銹及潤滑性能好的特點。根據鋼板加工混合潤滑的特點 選用精制的無色、無刺激性窄餾分輕質油作為基礎油。通過考察不同油性劑和極壓抗磨劑的摩擦性能篩選了雙酯型油性劑和磷酸酯及硫磷劑進行復配以提高油品的潤滑性能。同時選擇了適合的防銹劑以保證油品具有良好的防腐防銹性能。并且根據實際工況條件要求建立了油品的部分模擬評定試驗方法 研制的油品經過應用證明其性能可以滿足實際加工工況的需求。

關鍵詞：沖壓油；揮發(fā)性試驗；摩擦性能

中圖分類號：TE6263文獻標識碼：A 文章編號：1002 3.1.19（2016）01 0026 07

0引言

金屬板材沖壓成形加工涉及到汽車、拖拉機、機械電力、航空航天、儀器儀表、軍工國防和日用品等各個部門。在沖壓加工中潤滑油質量及其合理使用關系到加工工藝成敗以及產品質量、模具壽命、生產效率和后工序能否順利進行等問題。

沖壓加工屬于金屬塑性加工的一種是通過模具對板料施加外力使之分離或產生塑性變形從而獲得一定幾何尺寸、形狀和性能的零件加工方法。其適用于各類軋鋼廠的不同材質、不同厚度的沖裁以及各種生活用品制造如飲料罐、洗衣機外殼、電視機顯象管等。沖壓加工用油占金屬加工潤滑劑的30%左右[1-3]。

沖壓潤滑油在沖壓加工過程中起到非常重要的作用。20世紀八九十年代是國內沖壓油品種、質量發(fā)展較為迅速的時期主要原因在于國內引進了許多沖壓設備以及模具對沖壓潤滑劑的需求也較為急迫。如洛陽煉制研究所、上海石油商品應用研究所等單位相繼開發(fā)了汽車行業(yè)用沖壓油、彩色顯象管零件沖壓油、Dl罐沖壓油、浴缸成型沖壓油等產品[4-5]。由于沖壓加工涉及領域、加工材料以及加工零件精、尺寸大小、變形復雜度的不同對沖壓油的性能要求也各不相同加之全國各地相繼從國外引進了多條沖壓加工生產線因此目前國內已有的沖壓油品性能不能完全滿足沖壓加工工藝的技術要求對一些特殊工藝、材質的沖壓潤滑尚需進口。

國外沖壓油的研制工作開展較早目前的研究焦點主要集中在水基揮發(fā)性沖壓油和油基揮發(fā)性沖壓油其中日本在此方面的研究更加深入。他們的研究思路大致相同如Boshoku和住友輕金屬公司的專利JP 2009073916[6]、JP 20100651.34[7]、JP 4485390[8]中都提出基礎油從礦物油、異構烷烴中選取。由于環(huán)保要求都不使用含氯極壓抗磨劑。但是油性劑和極壓劑的選擇也主要是選取硫代脂肪酸酯、胺類化合物住友公司特別在專利JP 20100651.34中選用了錳系有機羧酸金屬鹽作為抗磨劑取得了良好的潤滑性但是成本過高。

由于現在國內外尚無沖壓油的統(tǒng)一標準因此國內的研究機構多以國外進口沖壓油產品為參比油進行研究工作。中國石油大連潤滑油研發(fā)中心參比德國多用途萬能拉延油研制出可滿足汽車行業(yè)大、中零部件沖壓潤滑要求及其他行業(yè)鋼板沖壓潤滑要求的多功能金屬沖壓油產品該產品具有優(yōu)良的潤滑性、滲透性、防銹性及可清洗性[9]。洛陽石化研究院研制的HC-L200揮發(fā)性沖壓油主要用于空調兩器生產中的鋁翅片的沖壓加工[10]。針對揮發(fā)性沖壓油對揮發(fā)性能的要求選擇適合的基礎油是關鍵。吳世逵在揮發(fā)性沖壓油的研究中采用SHD40溶劑油作為基礎油[1.1]而楊基和則分別采用了三種深度精制的石蠟基基礎油進行研究所研制的沖壓油產品均能達到與參比油相當的性能[1.2]。由于揮發(fā)性沖壓油的揮發(fā)性導致產品油膜厚度不大因此需要添加適宜的油性劑和極壓抗磨劑來提高產品的潤滑性能。戴恩期、張華豪都在產品中添加了脂肪酸酯類添加劑作為油性劑[1.3]而吳世逵則采用易于生物降解的硼酸鹽系列添加劑作為極壓添加劑。

通過以上文獻可以看出采用窄餾分輕質油作為基礎油可以滿足產品對揮發(fā)性能的要求同時為了提高產品的潤滑性能整個產品配方體系應該由適宜的油性劑、抗磨劑、防銹劑組成。

而此次研發(fā)的揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油屬于揮發(fā)性沖壓油是專門針對鋼板沖切工藝條件所研發(fā)的潤滑油品。目前市場上同類的進口產品有殼牌的Proformer 、福斯的RENOFOR UBO等系列產品售價在25000～35000元/t屬于高收益產品。要求產品具有以下特點：①具有較低黏度易于噴涂于鋼板表面；②在沖壓成形加工后的加熱條件下具有很好的揮發(fā)性不在產品表面遺留過多殘留物不需清洗；③優(yōu)良的潤滑性能能在沖切過程中保護模具并且保證板材表面光滑；④具有良好的防銹防腐性能；⑤不含氯避免對操作人員的傷害。

1實驗部分

1.1實驗原料

實驗所用添加劑和原料如下由淄博惠華石油添加劑有限公司提供：

加氫精制窄餾分油；合成酯；防銹劑（工業(yè)級）；硫磷型抗磨劑（工業(yè)級）；硫磷型抗磨劑B（工業(yè)級）。

1.2實驗方法

1.2.1揮發(fā)性試驗

1.2.2鋼片銹蝕試驗

鋼片銹蝕試驗是模擬加工工件的實際存儲條件評價油品的防銹性能的自建試驗方法。試驗步驟：將100 mm×20 mm×1 mm的45號鋼片均勻涂滿揮發(fā)性沖壓噴霧油然后在（1.20±1）℃溫度下烘干5 min將鋼片取出冷卻至室溫在室溫條件下自然放置7 d然后觀察鋼片表面是否出現銹蝕情況。

1.2.3其他相關試驗方法

其他所涉及的試驗方法列于表1。

2結果與討論

2.1基礎油的選擇

[JP3]揮發(fā)性沖壓油的特點是：工件沖壓時油品汽化吸熱起到很好的冷卻作用保證模具在相對低溫下作用并且保證沖壓制品不必進行后續(xù)清洗工序就具有良好的清潔性能。這要求基礎油具有很好的揮發(fā)性能。同時油品在使用過程中與操作人員會產生皮膚和呼吸道接觸 對油品的毒性控制要求很高 油品中應盡可能不含芳烴、烯烴、氯化物、硫化物等對人體有害的物質 并要求油品味道盡量小。此外為了便于形成噴霧不至于堵塞噴嘴該產品黏度要求很低要求40 ℃運動黏度在100～300 mm2/s因此選取幾種低黏度的窄餾分基礎油進行對比并加以篩選結果見表2。

表2是幾種不同烴類組成基礎油的性能對比結果。

從表2中可以看出基礎油、B、C、E都具有餾程窄、揮發(fā)性好、低硫、低芳烴、無毒等特點可以作為產品基礎油綜合考慮原料的來源、成本等因素選取基礎油B作為基礎油組分。

2.2添加劑配方研究

沖壓加工的潤滑狀態(tài)是流體潤滑和邊界潤滑共存的混合潤滑狀態(tài)?；A油的黏度越大其油膜強度也越高而揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油所選基礎油屬于輕質油品黏度小在邊界潤滑條件下其油膜強度不能滿足要求油膜容易破裂會引起金屬與金屬的接觸產生燒結。所以需要使用油性劑和極壓劑來彌補這一不足。

2.2.1油性劑的選擇

（1） 油性劑與基礎油的互溶性

在邊界摩擦狀態(tài)下油性劑分子的一端所含有一些極性基可使油性劑產生化學或物理吸附而基礎油就存貯在這些分子的網絡中在金屬表面形成高韌性的潤滑膜。一般來說隨著油性劑含量的增加油膜強度逐漸增高摩擦因數會降低但增加油性劑會影響到油品的揮發(fā)性能。而且因為所選基礎油為低黏度的輕質油品選擇油性劑時同時要考慮其溶解性。

常用的油性劑一般是長碳鏈末端帶有極性基團的脂肪酸、醇、酯等。因此分別選取不同類型的脂肪酸、脂肪醇和合成酯以質量分數為5%的加入量加入基礎油B中考察其溶解性能。結果見表3。

從表3中可以看出合成酯與基礎油的互溶性最好。因此可以從合成酯中挑選油性劑。

（2） 油性劑的摩擦性能

酯類油性劑一般分為：①以硬脂酸、油酸等一元脂肪酸與一元醇所形成的的單酯；②以癸二酸、己二酸等二元脂肪酸與一元醇所形成的雙酯；③以三羥甲基丙烷、季戊四醇等形成的新戊基多元醇酯；④以多元醇和兩個以上的脂肪酸合成的復酯。分別選取不同類別的酯類油性劑以一定的劑量加入基礎油B中考察各個油樣在四球機中各條件下的摩擦學性能結果見圖1～圖3。

從圖1中可以看出油性劑的加入能夠明顯地提升基礎油的PB值PB值可以表征油品的油膜強度因此表明油性劑的加入有助于大幅提高油品的油膜強度在實際工況下防止加工過程中油膜破裂造成工件表面損傷。而多元醇酯和雙酯對基礎油PB值的提升最為明顯優(yōu)于硬脂酸酯和油酸酯。但是油品的PB值也不宜過高否則會引起過量潤滑導致工件與磨具間無法咬合或者由于油膜過厚產生“屏蔽效應”造成工件表面光亮度下降。

從圖3中可以看出這幾種油性劑的加入都能夠明顯降低基礎油的摩擦系數但對基礎油摩擦系數的影響力卻不同。油酸酯加入后隨著負荷的增加其摩擦系數也快速提高說明油酸酯在高負荷工況條件下對改善油品的摩擦系數貢獻不大。硬脂酸酯、雙酯和多元醇酯加入后在較低負荷下對油品的摩擦系數降低效果明顯。硬脂酸酯的最大失效負荷小于686 N說明其高負荷下的減摩效果不佳須與其他油性劑復配；多元醇酯的摩擦系數隨著負荷的增加變化很小說明其減摩性能優(yōu)良；多元醇酯B在低負荷時其摩擦系數沒有太大變化可是當負荷繼續(xù)加大時摩擦曲線逐漸下降說明多元醇酯B尤其適合應用于較高負荷工況下；雙酯和雙酯B的摩擦曲線也沒有太大的波動說明這兩種油性劑均具有不錯的減摩能力其中雙酯的摩擦系數最低是最為理想的油性劑組分。

從以上各項摩擦性能可以看出雙酯和多元醇不但能有效提高基礎油的油膜強度而且還具有優(yōu)良的減摩性能是油性劑的理想選擇綜合原料成本考慮最終選擇雙酯作為油性劑。

（3） 油性劑加入量的確定

油性劑的加入固然能夠大幅提高基礎油的減摩性能但是加入量過高不僅會影響產品的黏度而且會降低產品的揮發(fā)性能。因此將運動黏度和揮發(fā)性能作為考量油性劑加入量的指標結果見表4。

從表4中數據可以看出當雙酯加入量超過20%時基礎油的揮發(fā)性已經受到嚴重影響因此雙酯的加量應控制在20%以下。2#、3#油樣的抗磨性能均有好的表現。雖然3#油樣中雙酯的加入量比2#油樣增加了5%但是其PB值與磨斑直徑并未有大幅度的提高所以基于經濟成本的考慮選擇雙酯的加入量為10%更為合理。

2.2.2極壓抗磨劑的選定

在苛刻的邊界摩擦狀態(tài)下摩擦表面負荷很重吸附膜容易脫附而被擠出從而失去潤滑作用產生磨損和燒結現象這時添加極壓抗磨劑可以形成極性膜從而降低金屬的摩擦和磨損。

極壓抗磨劑大多為含有硫、磷、氯等元素的極性化合物。其中以硫化物、氯系極壓抗磨劑提高油品極壓性能的效果最好。但是此類添加劑酸值高易導致工件和模具生銹同時氯系極壓抗磨劑對人體皮膚有很大的刺激性因此不采用此類極壓抗磨劑而使用磷系極壓抗磨劑。研究表明[14] 磷系酯類添加劑具有良好的熱氧化安定性和抗磨性 同時其中的P元素在基礎油中可提供有利于微生物繁殖的養(yǎng)分以提高潤滑油的可生物降解性 故在生產中得到了廣泛應用。磷型極壓抗磨劑主要有亞磷酸酯和磷酸酯系列。其中亞磷酸酯的承載性能和抗磨性能明顯地受到烴基的亞磷酸酯結構和鏈長的影響。但長鏈亞磷酸酯可起到磷酸酯的作用長鏈烴基起到油溶性的作用并且腐蝕也小這個結論已得到證實。對于鋼鐵材料的摩擦副 目前普遍認為磷酸酯類抗磨劑在摩擦表面可生成

FePO4化學反應膜 從而起到較好的抗磨作用和一定的抗擦傷作用。

挑選了2種磷酸酯添加劑和SP劑以不同的劑量與油性劑復配考察油品的抗磨性能結果見表5。

從表5中的數據可以看出當磷酸酯與油性劑復配時能有效提高油品的極壓抗磨性能而當加入SP劑后油品的PB值可以得到進一步提高并且磨斑直徑有明顯的下降。這是因為引入了含潤滑活性元素S 在摩擦副金屬表面形成有效的邊界潤滑膜所以其極壓抗磨效果得到了提高。因此將磷酸酯與SP劑復配油性劑有很好的增效作用。

2.2.3防銹劑的選擇

沖壓加工件一般會在烘干處理后在進行下一步工序。烘干處理后的加工件表面不可避免的會留有微量的殘油這要求殘油必須對鋼板無腐蝕。因此要加入不易揮發(fā)的防銹劑來達成這一目標。防銹劑多為極性化合物吸附在金屬表面上隔絕金屬與腐蝕介質的接觸從而起到防腐防銹的作用。

從常見的防銹劑中挑選了幾種與其他功能劑復配進行了防銹性能的測試結果見表6。

從表6中的數據可以看出防銹劑、B均有不錯的防銹效果。進一步考察防銹劑、B加量對油品潤滑性能的影響。結果見圖4。

從圖4中可以看出隨著防銹劑的加入油品的PB值明顯降低這是因為防銹劑可以優(yōu)先占據金屬表面降低了極壓抗磨劑的承載能力。而防銹劑B對油品潤滑性能的影響更勝于防銹劑這與防銹劑極性基團的種類不同有關。因此可以確定選用02%的防銹劑就足以滿足加工工件的防銹要求。

2.2.4產品配方體系的確定

根據以上試驗結果可以確定揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油產品可以由以下成分組成：

基礎油。選用精制的窄餾分基礎油B。

添加劑組合物。其中包含①油性劑為雙酯。②極壓抗磨劑由磷酸酯和硫磷劑復配組成。③防銹劑。

2.3揮發(fā)性沖壓噴霧油的性能評定

2.3.1產品性能評定

根據2.2.4所述配方體系制備揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油并對其進行理化性能的評定數據見表7。

2.3.2產品的低溫穩(wěn)定性

有些油性劑因溫度降低而在油中的溶解度降低 從而影響油品的低溫使用性能； 有些基礎油由于所含烴類的影響 其低溫性能不好。 用測傾點的辦法通常不能很好地反映這種性能 為此建立了低溫性能模擬試驗方法。為了預防油性劑因溫度降低而在油中的溶解度下降 出現沉淀 影響油品的使用性能 建立了低溫性能模擬試驗方法。將試驗油品放入低溫槽中 降溫到設定溫度（-10 ℃） 恒溫放置7 d 觀察油品的外觀 產品未出現渾濁或沉淀現象 可以判斷該油品的低溫性能合格。

2.3.3產品性能對比

自制揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油與進口同類產品進行對比結果見表8。

從表8數據可以看出自制揮發(fā)性鋼板沖壓噴霧油與進口產品相比潤滑性能優(yōu)于進口產品防銹能力相當完全可以取代進口產品進行使用。

2.4產品的應用

在某開關設備制造公司進行了實際使用試驗。試驗采用連續(xù)自動沖壓技術 全自動制帶機制帶高速沖床 157×106 N 負荷級進模自動連續(xù)沖壓線。沖壓件為板厚0 8 mm的冷軋鋼板； 對比油為福斯RENOFOR UBO377； 試驗周期為5 d 每天8 h 工作。將原使用對比油（ 進口沖壓油） 的沖壓機油箱進行徹底清洗后 換上自制的揮發(fā)型鋼板沖壓噴霧油 運轉機器并滴油清洗潤滑油路兩次；沖壓機更換新的沖壓凸模進行試驗。試驗結束后停機檢查模具沖壓凸模磨損情況發(fā)現沖壓凸模表面光亮無明顯磨損；沖壓件邊緣光滑無明顯毛刺合格率達到98%。并且跟蹤5批工件數個生產周期后無腐蝕現象 且揮發(fā)油揮發(fā)性能優(yōu)良。試驗結果表明 自制的揮發(fā)性沖壓噴霧油的潤滑性、冷卻性、揮發(fā)性以及耐腐蝕性等各項性能均達到生產工藝的要求 使用效果良好 無異味 生產的工件質量合格 油品的消耗量與進口油大致相當 性能達到進口揮發(fā)性沖壓油水平 完全能夠滿足生產工藝的需要。

3結論

（1）采用低黏度窄餾分油B 作基礎油 添加多種極壓劑、油性劑、防銹抗腐劑等 所調制的揮發(fā)性鋼板噴霧沖壓油質量可以滿足暫定指標要求 并且通過與同類進口噴霧沖壓油對比發(fā)現其潤滑性能優(yōu)于進口油。

（2）通過實際的工業(yè)應用試驗結果表明所研制的揮發(fā)性沖壓噴霧油的潤滑性、冷卻性、揮發(fā)性以及耐腐蝕性等各項性能均達到生產工藝的要求。

參考文獻：

[1]黎明摩托車的“前生”與“今世”[J]摩托車201.3（6）：1.1-2.2

中原洋一 2.1世紀沖壓加工的重點因素[C]//中國鍛壓協(xié)會 2007（北京）中國國際金屬成形會議—第三屆中國國際金屬切割、沖壓、成形及制作會議暨中國鍛壓協(xié)會金屬鈑金及制作委員會成立大會論文匯編 北京：中國鍛壓協(xié)會2007：41

[2]張海濱 沖壓概論[C]//菲尼克斯電氣中國第二屆菲尼克斯電氣學術年會論文集 南京：菲尼克斯電氣中國2008：188

[3] 張旭 車身沖壓油現狀與發(fā)展趨勢[J]汽車工藝與材料201.2（7）：52-56

[4] 張旭 汽車零部件沖壓油研制及應用[C]//中國汽車工程學會 第1.3屆中國汽車工程學會燃料與潤滑油分會論文集 重慶：石油商技2008：107

[5] 陳洋 轎車板材沖壓油的研制[J]合成潤滑材料201.2.39（1）：4-6

[6] Toyota Boshoku Corporation Lubricating Oils and ethod for Press Forming of Electrogalvanized Steel Sheets Using the OIls：JapanJP2009073916[P]2009

[7] Sumitomo Light etal Industries Ltd Lubricating Oils and ethod for Press Forming of （Stainless） Steel Sheets Under Them： JapanJP20100651.34[P]2010

[8] Toyota Boshoku Corporation Lubricant for etallic aterial Working and a ethod of Press Working a etallic aterial： JapanJP 4485390[P]2010

[9] 王洪斌 多功能金屬沖壓油的研制與應用[J]潤滑油200520（5）：14-18

[10] 張華豪 HC-L200揮發(fā)性沖壓油的研制及工業(yè)應用[J]石油煉制與化工200738（8）：44-47

[11] 吳世逵 揮發(fā)性沖壓油的研制[J]潤滑油20062.1（4）：10-1.3

[12] 楊基和幾種沖壓加工油的研制[J]天然氣與石油2001.19（4）：40-42

[13] 戴恩期 環(huán)保高性能沖壓拉深工藝潤滑劑的研究[C]//中國機械工程學會 第九屆全國沖壓學術年會論文集 長沙：中國機械工程學會2008：80

[14] 李勇 HEDP作為潤滑油抗磨劑的應用研究[J] 石油煉制與化工200637（2）：42-46