水基切削液CF-1的制備和應(yīng)用

周 斌，盛 興*，李松林，李忠琳，芮 斌

(1.武漢工程大學研究設(shè)計院，湖北 武漢 430073；2.湖北恒鑫化工有限公司，湖北 鄂州 436070)

水基切削液CF-1的制備和應(yīng)用

周 斌1,2，盛 興1,2*，李松林1,2，李忠琳1,2，芮 斌1,2

(1.武漢工程大學研究設(shè)計院，湖北 武漢 430073；2.湖北恒鑫化工有限公司，湖北 鄂州 436070)

針對現(xiàn)代金屬切削工藝對切削液的更高要求，以季戊四醇油酸酯為油性劑，以亞磷酸雙十二烷基酯為極壓劑，與乳化劑、防銹劑、殺菌劑等復配，制備了一種微乳型水基切削液CF-1。該切削液具有良好的潤滑、冷卻、清洗等性能，并且摩擦學性能優(yōu)良，使用壽命長，防銹性好，能充分滿足金屬切削加工的生產(chǎn)需要。

微乳型；水基切削液；摩擦學性能

在上世紀50年代以前，大部分金屬切削加工都是采用礦物油。隨著現(xiàn)代金屬切削加工工業(yè)的飛速發(fā)展，機械加工難度增大，同時國家、行業(yè)對環(huán)保的要求越來越高，以水基切削液代替油基切削液能節(jié)約石油資源，大幅降低對環(huán)境的污染和破壞，是目前金屬切削液的主要發(fā)展趨勢[1-2]。

水基切削液一般分為乳化型、微乳型和全合成型3大類[3]。乳化型和全合成型水基切削液在使用過程中存在兩個主要不足：一是，其潤滑性能滿足不了日益提高的機械加工生產(chǎn)要求，工件與刀具之間切削摩擦所產(chǎn)生的熱量大，導致工件產(chǎn)品表面質(zhì)量下降，刀具磨損變形；二是，由于其不含油或含油極少，水分蒸發(fā)后接觸面之間沒有殘留油膜，容易造成機床的移動部件卡死[4]。基于這些不足，微乳型水基切削液能綜合乳化型和全合成型優(yōu)點而弱化兩者不足。

作者采用多元醇酯[5]為油性劑，配以乳化劑、極壓劑、防銹劑、防腐劑，制備出微乳型水基切削液CF-1，并研究了其摩擦學性能。

1 水基切削液CF-1的研制原理

水基切削液CF-1是依據(jù)金屬防銹和潤滑理論來進行配方設(shè)計的。優(yōu)良的金屬切削液需具備如下主要性能：(1)潤滑、冷卻性好；(2)具有耐酸堿和耐硬水性；(3)無腐蝕性，不會對加工工件與機床造成損害；(4)防銹性，保證加工工件與機床無銹蝕；(5)對操作人員健康無害，如果堿性太強，會腐蝕皮膚，引起脫脂[6]；(6)廢液應(yīng)低污染，易于處理[3]；(7)使用方便，價格便宜。

1.1 潤滑性

潤滑性是水基切削液的主要性能。潤滑性是通過添加潤滑添加劑(包括極壓劑和油性劑)而體現(xiàn)出來的。配方中添加少量的極壓劑和油性劑，能夠減少刀具與工件間的摩擦，降低切削溫度，減少刀具磨損[3]。常見極壓劑和油性劑[7]見表1。

表1 常見極壓劑和油性劑

Tab.1Commonextremepressureagentsandoilyagents

添加劑種類常見品種極壓劑氯化石蠟、酸性亞磷酸二丁酯、硫磷酸含氮衍生物、硼化油酰胺、環(huán)烷酸鉛等油性劑硫化鯨魚油、二聚酸、油酸乙二醇酯、硫化棉籽油、亞磷酸三苯酯、油酸丁酯等

水基切削液中同時含有極壓劑和油性劑，利用二者的增效作用能達到更好的減摩抗磨效果，在金屬加工過程中表現(xiàn)為較高的切削精度和較低的機械消耗。開發(fā)和選用性能優(yōu)良的極壓劑和油性劑是提高水基切削液潤滑性能的關(guān)鍵[2]。

1.2 清洗性

金屬加工過程中不可避免地會產(chǎn)生金屬屑和金屬皂，它們不僅使磨損率提高，而且還影響金屬加工的效率和速度。水基切削液需具有一定的分離沉降清洗作用，保持金屬加工件、刀具及機床的清潔。

1.3 冷卻性

在金屬加工過程中，外力所做的功有90%以上變成了熱能，使金屬在切削過程中溫度不斷上升。水的導熱系數(shù)和熱容量都很大，是理想的冷卻介質(zhì)[7]，可采取循環(huán)水單槽冷卻或大循環(huán)冷卻等措施；以及選用一些熱焓大、分子量較大的物質(zhì)(如一些高分子化合物)作潤滑添加劑，盡量使其自身具有一定的容溫性。

1.4 防腐蝕性、防銹性

水基切削液需具有防腐蝕性，否則，將會破環(huán)金屬加工件表面的結(jié)構(gòu)，影響其性能。金屬腐蝕往往是化學腐蝕和電化學腐蝕同時發(fā)生。為了減弱化學腐蝕，通常選用石油環(huán)烷酸鋅、油酸、三乙醇胺等油溶性有機化合物；為了減弱電化學腐蝕，通常選用亞硝酸鈉、磷酸三鈉、酒石酸等[8]能在金屬表面形成鈍化膜的鹽類。

水基切削液還需具有很好的防銹性，應(yīng)避免金屬加工件表面生銹而影響其表面光潔度及精度。在配方中加入有效的防銹劑，以滿足加工件和機床對防銹的要求，應(yīng)該選擇不含S、Cl的活性低毒物質(zhì)，選用有機防銹劑更為合適。

1.5 防腐敗性

由于微生物分解作用，溫度適宜時，水基切削液極易腐敗變質(zhì)，導致其破乳、發(fā)臭、變色等[9]，切削性能下降，使用壽命縮短。在原液中需加入一定量殺菌劑，如甲醛釋放劑、酚類化合物、噻唑啉化合物等[8]。甲醛釋放劑、酚類化合物用量少且殺菌時效持久、毒性小，加入切削液中不與其它成分發(fā)生反應(yīng)且不影響其潤滑性等。

1.6 消泡性

由于水基切削液均含有一定量的表面活性劑，在不同程度上都有泡沫產(chǎn)生。泡沫會影響切削速度、工人操作環(huán)境等。因此理想的水基切削液本身應(yīng)具有一定的消泡性，需加入適量的消泡劑。礦物油具有消泡和成膜的作用，是極壓劑、油性劑、防銹劑等添加劑的主要載體[10]。

2 水基切削液CF-1的制備

2.1 主要添加劑的選擇

對于金屬切削液來說，最重要的是潤滑添加劑的合理選擇和配伍，以及解決其濃縮液和稀釋液的穩(wěn)定性等，使其具有良好的潤滑、冷卻、防銹等性能。

(1)潤滑添加劑

潤滑添加劑是水基切削液的精髓，主要起潤滑作用。目前，金屬加工液大多用動植物油、脂肪酸皂等作為油性劑，然而，這類油性劑一般都含有不飽和鍵，易氧化分解，影響其氧化穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性。近年來，多種類型的合成酯進入金屬加工液市場，其潤滑性能相比動植物油、脂肪酸皂有較大提高。表2為幾種常用油性劑的摩擦學性能比較。

表2 幾種常用油性劑的摩擦學性能比較

Tab.2 Comparison of tribological properties of several common oily agents

注：PB為最大無卡咬負荷,摩擦系數(shù)為長時磨損實驗的平均值。

從表2可看出，合成酯季戊四醇油酸酯的潤滑性能優(yōu)于其它幾種常用油性劑。

在金屬切削加工過程中，僅靠油性劑的潤滑性能是遠遠不夠的，還需加入極壓劑。目前，極壓劑主要以含S、P、Cl等活性元素的物質(zhì)為主[6]。其中，水溶性極壓劑的穩(wěn)定性較好，并且能降低復配成分的復雜程度，例如亞磷酸酯類。亞磷酸酯中，除了亞磷酸芳基酯多為固體外，其余各類烴基的亞磷酸酯一般為無色液體。亞磷酸酯可分為亞磷酸單酯、亞磷酸二烷基酯以及亞磷酸三烷基酯[11]。3種常用極壓劑的摩擦學性能比較見表3。

表3 3種常用極壓劑的摩擦學性能比較

Tab.3 Comparison of tribological properties of three kinds of common extreme pressure agents

由表3可看出，亞磷酸雙十二烷基酯在極壓抗磨性方面優(yōu)于其它2種常用亞磷酸酯類極壓劑。

由于S、Cl型極壓劑易腐蝕銅和鋼，因此，選用亞磷酸二烷基酯作為極壓劑。

綜上選用季戊四醇油酸酯作為油性劑、亞磷酸雙十二烷基酯作為極壓劑進行復配，可得到潤滑性能優(yōu)良的復合潤滑添加劑。

(2)乳化劑

乳化劑的穩(wěn)定性直接影響到水基切削液的潤滑性、清洗性以及使用壽命。陰離子型乳化劑同時具有油性劑和防銹劑的作用，而非離子型乳化劑則不受水中Ca2+、Mg2+、Fe2+等離子的影響。因此，選用陰離子和非離子型表面活性劑作為復合乳化劑，切削液的乳化穩(wěn)定性更好，效果更佳。

(3)防銹劑

常用的防銹劑有苯并三氮唑(BTA)、有機胺類、石油磺酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等[6]。其中BTA是良好的有色金屬及合金防銹劑。將其與一種含P防銹劑復配，發(fā)現(xiàn)其對有色金屬及鋼均具有較好的防銹能力。幾種防銹劑的防銹蝕性對比見表4。

從表4可看出，采用0.15%BTA有機胺反應(yīng)物+0.8%含P防銹劑的防銹效果最好。因此，選用0.15%BTA有機胺反應(yīng)物+0.8%含P防銹劑作為復合防銹劑。

表4 幾種防銹劑的防銹蝕性對比

Tab.4 Comparison of corrosion resistances of several kinds of anti-rust agents

2.2 配方的確定

微乳液含少量低黏度礦物油，礦物油及油溶性添加劑低于50%[8]，與水混合形成的顆粒很小，只有0.05～1μm，清洗性好，穩(wěn)定，潤滑性優(yōu)良。因此，選用微乳液體系配制水基切削液。另外，在配方中應(yīng)添加適量的螯合劑及其它助劑，以保證微乳液的穩(wěn)定性。

對潤滑添加劑、白礦油、乳化劑、防銹劑等進行配比實驗，配方見表5。

表5 3種水基切削液配方/%Tab.5 Formulation of three kinds of water-based cutting fluid/%

注：表中各種添加劑的組成為質(zhì)量分數(shù)。

按表5配方配制水基切削液，均配成1∶10微乳液用MR-S10(G)型四球機進行摩擦學性能測試，結(jié)果見表6。

表6 3種水基切削液的摩擦學性能對比

Tab.6 Comparison of tribological properties of three kinds of water-based cutting fluid

從表6 可看出，配方Ⅱ水基切削液的綜合效果較好。

按配方Ⅱ配制水基切削液CF-1，并將其與美國E709水基切削液進行摩擦學性能比較，結(jié)果見表7。

由表7可看出，水基切削液CF-1的摩擦學性能優(yōu)于美國E709水基切削液。

表7 國內(nèi)外水基切削液的摩擦學性能對比

Tab.7 Comparison of tribological properties of water-based cutting fluid at home and abroad

注：兩種水基切削液均配成10%稀釋液；PD為燒結(jié)負荷。

2.3 工藝的確定

水基切削液CF-1的生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 水基切削液CF-1生產(chǎn)工藝示意圖

選用配方Ⅱ按圖2生產(chǎn)工藝連續(xù)生產(chǎn)了幾批樣品，送到武漢、浙江等地的船舶集團及研究所進行工業(yè)應(yīng)用。在美國產(chǎn)數(shù)控機床CPL-20和瑞典產(chǎn)高精度數(shù)控坐標磨床HAUSER-S-55上分別進行了為期兩個月的切削應(yīng)用試驗，均反饋使用效果良好。水基切削液CF-1無刺激性氣味，具有良好的潤滑、冷卻、清洗、防銹等性能，有利于提高工件產(chǎn)品質(zhì)量，延長刀具使用壽命，并能提高切削效率。適用于黑色、有色金屬工件等的切削加工。

3 結(jié)論

以季戊四醇油酸酯為主要油性劑，以亞磷酸雙十二烷基酯為主要極壓劑，研制了一種穩(wěn)定的微乳型水基切削液CF-1。該切削液的PB值等極壓性能提高，潤滑性能和環(huán)保性能得到良好改善。CF-1稀釋液外觀透明，潤滑性能優(yōu)良，能提高工件的表面光潔度，延長刀具的使用壽命，對機床和工件有較好的防銹作用。經(jīng)多個廠家應(yīng)用，性能完全達到國外同類產(chǎn)品的使用效果，完全能滿足現(xiàn)代化的金屬切削加工生產(chǎn)。

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Preparation and Application of Water-Based Cutting Fluid CF-1

ZHOU Bin1,2,SHENG Xing1,2*,LI Song-lin1,2,LI Zhong-lin1,2,RUI Bin1,2

(1.InstituteofResearch&Design,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430073,China; 2.HubeiHengxinChemicalIndustryCo.,Ltd.,Ezhou436070,China)

Duetothehigherrequirementsofcuttingfluidformodernmetalcuttingprocess，amicroemulsiontypeofwater-basedcuttingfluidCF-1waspreparedbyusingpentaerythritololeateasanoilyagent，phosphitebi-alkylesterasanextremepressureagent，andcompoundingwithemulsifyingagent，anti-rustagent，fungicide，etc.Thecuttingfluidhadgoodproperties，suchaslubrication，coolingandcleaning，aswellashadexcellenttribologicalproperty，longservicelifeandgoodanti-rustproperty.Itcouldfullymeettheproductionrequirementsofmetalcuttingprocess.

microemulsiontype;water-basedcuttingfluid;tribologicalproperty

2016-09-22

周斌(1978-)，男，湖北黃石人，主要從事潤滑材料及產(chǎn)品的研發(fā)工作，E-mail:rhcl_zb@163.com;

盛興，高級工程師，E-mail:909796409@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.015

TG501.5

A

1672-5425(2017)03-0062-04

周斌，盛興，李松林，等.水基切削液CF-1的制備和應(yīng)用[J].化學與生物工程，2017，34(3)：62-65.