環(huán)保型全合成切削液的制備與潤滑性能研究

唐華杰，孫建林，王成龍

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

金屬切削液作為必不可少的加工介質(zhì)對制造業(yè)的發(fā)展有著關(guān)鍵性的影響。傳統(tǒng)切削液的研制基于工藝需求、質(zhì)量要求和經(jīng)濟(jì)成本等[1-2]，未考慮資源、環(huán)境和人體健康等一系列社會發(fā)展要求。目前，國內(nèi)切削加工用切削液以乳化液和微乳液為主，冷卻性能不足，加工過程中易產(chǎn)生油霧，容易進(jìn)入呼吸道。油基切削液所用基礎(chǔ)油以礦物油的潤滑性能為最佳，但生物降解性差，并含有大量對生態(tài)環(huán)境有危害的物質(zhì)和元素。新材料的涌現(xiàn)進(jìn)一步突顯出傳統(tǒng)切削液的不足，導(dǎo)致金屬加工業(yè)的發(fā)展遇到新難題[3-4]。傳統(tǒng)切削液使用周期短，易因細(xì)菌滋生而引起變質(zhì)腐敗，常用的酚醛類殺菌劑對操作者的健康和生態(tài)環(huán)境具有負(fù)面影響[5]。文獻(xiàn)中關(guān)于全合成切削液工藝因素與性能優(yōu)化設(shè)計的研究描述較少。本研究以油酸和三乙醇胺合成的產(chǎn)品為添加劑[6]，制備全合成切削液。通過安定性試驗、四球機(jī)試驗、腐蝕防銹試驗及現(xiàn)場切削加工試驗進(jìn)行全合成切削液的性能表征。

1 實 驗

1.1 實驗原料

油酸、三乙醇胺、1，2，3-苯并三唑、硼砂，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；聚乙二醇400，實驗試劑，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；DT-135消泡劑，太洋電鍍防腐原料有限公司生產(chǎn)；S-P水溶性極壓劑，蘇州金鉬潤成潤滑科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 切削液的制備

1.2.1添加劑的合成將油酸和三乙醇胺以質(zhì)量比1.8的比例混合均勻后，在反應(yīng)溫度為60 ℃、攪拌速率為80～100 rmin、反應(yīng)時間分別為0，1.5，3.0，4.5，6.0 h時，通過酯化反應(yīng)得到5種合成酯添加劑組分。

1.2.2切削液配方全合成切削液濃縮液配方見表1。將合成酯添加劑、S-P水溶性極壓劑、DT-135加入到聚乙二醇400中，經(jīng)充分?jǐn)嚢瑁尤氩煌瑴囟?5 ℃、50 ℃)的去離子水，攪拌均勻后，加入1，2，3-苯并三唑、硼砂，并繼續(xù)攪拌至固體組分完全溶解，得到均一狀態(tài)的濃縮液，標(biāo)記為1號～7號(見表2)。使用時按一定比例稀釋，以下試驗所用質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為95%。

表1 全合成切削液濃縮液配方

表2 1號～7號切削液的制備條件

1.3 切削液性能的評價方法

穩(wěn)定性和透明度是評價切削液理化性能的重要指標(biāo)。將等量的7種切削液分別置于玻璃瓶中，對比樣品的透明度，并于室溫下靜置，觀察樣品的分層析出情況。

腐蝕試驗和防銹試驗分別是切削液對機(jī)床、工件破壞性和保護(hù)性的評價指標(biāo)。兩種試驗均采用GBT 6144—2010方法。鑄鐵試片材質(zhì)符合GBT 718—2005的規(guī)定，并按照SHT 0218—1993方法進(jìn)行制備，腐蝕試片尺寸為25 mm×50 mm×3 mm，防銹試片尺寸為Φ35 mm×20 mm。

腐蝕試驗方法：將試片分別浸于7種被試樣品中，加蓋玻璃罩后，移置55 ℃恒溫箱中，24 h后取出試片觀察。若試片表面光澤如新，則為A級，即合格。

單片防銹試驗：按梅花格式，于試片磨光面滴入5滴樣品，每滴直徑4～5 mm。將試片置于密閉的干燥器內(nèi)，并移置35 ℃恒溫箱內(nèi)，試驗96 h(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為24 h)后觀察，若5滴樣品全無銹，則為A級，即合格。

疊片防銹試驗：將試片置于干燥器隔板上，用樣品涂布試片后，對齊疊放另一塊試片。密封干燥器后置于35 ℃恒溫箱內(nèi)，連續(xù)試驗4 h后用乙醇擦拭試片后觀察，距試片邊緣1 mm以內(nèi)兩疊面無銹蝕或無明顯疊印為合格。

摩擦學(xué)性能評價：采用MRS-10A四球摩擦磨損試驗機(jī)，按照GBT 12583—1998的方法測量樣品的PB值。在392 N、轉(zhuǎn)速1 750 rmin的條件下進(jìn)行30 min長磨試驗，所用鋼球為一級GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑為Φ12.7 mm，硬度為61～65 HRC。磨斑形貌使用德國蔡司公司生產(chǎn)的Axio Lab.A1電子顯微鏡觀察。

1.4 現(xiàn)場切削試驗

切削加工是評價切削液加工實用性的重要方法。切削液對提高工件表面光潔度和加工精度具有重要作用[7-8]。材料本身的塑性對工件最終加工精度和微觀形貌起著決定性的影響[9]。切削液的冷卻性能和抗磨極壓性能在切削加工過程中尤為重要[10-11]。切削熱和摩擦熱的產(chǎn)生造成材料的塑性增加，撕裂變形惡化，最終降低工件表面的光潔度。試驗采用塑性較高的45號鋼進(jìn)行外圓車削加工，通過現(xiàn)場加工過程中油霧產(chǎn)生情況、加工可視性以及工件表面光潔度和微觀形貌等對樣品的綜合加工性能進(jìn)行評價。主要加工參數(shù)：數(shù)控機(jī)床為GSK 980TDb車床；加工方式為外圓車削；試驗刀具為硬質(zhì)鋁合金刀；切削速率為904 rmin時，進(jìn)給量為117 mmmin，粗車背吃刀量為3 mm，精車背吃刀量為2 mm，加工長度為20 mm；受試切削液為商業(yè)切削液和自制切削液。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定性和透明度

7種切削液樣品外觀對比見圖1。從圖1可以看出：3號～7號樣品的透明度明顯高于1號、2號樣品的透明度，室溫靜止24 h后，1號、2號樣品的底部有少量白色固體析出，無析油析皂現(xiàn)象，3號～7號樣品均無任何析出現(xiàn)象；靜置50天后，1號、2號樣品底部有固體析出，上層有明顯的析油析皂現(xiàn)象，而其余樣品性能穩(wěn)定，未發(fā)生析出。主要原因在于調(diào)制水溫對添加劑的分散或溶解性有明顯影響，在50 ℃水中，油脂(油酸和油酸三乙醇胺酯等)以極小的液滴均勻分散于溶液中，不易發(fā)生團(tuán)聚，而5 ℃水中，油脂液滴則以較大粒徑分散于溶液中，易發(fā)生團(tuán)聚析出。因而，50 ℃水所制切削液的穩(wěn)定性和透明度均高于5 ℃水所制切削液的穩(wěn)定性和透明度。油脂液滴的粒徑?jīng)Q定了切削液的透明度和理化穩(wěn)定性，粒徑越小，透明度和穩(wěn)定性則越高。透明度是分散液滴粒徑的直觀反映，能夠作為表征切削液穩(wěn)定性的依據(jù)。

圖1 7種切削液樣品的外觀對比

2.2 摩擦學(xué)性能

2號和6號樣品試驗的摩擦因數(shù)隨時間的變化見圖2。從圖2可以看出，6號樣品試驗曲線位于2號樣品試驗曲線的極值之間，曲線整體相對平穩(wěn)。長磨試驗曲線的波動幅度和位置反映了油膜的成膜穩(wěn)定性和摩擦因數(shù)的大小。試驗表明水溫對于油膜成膜穩(wěn)定性有一定影響。油脂在切削液中的分散程度是影響切削液成膜穩(wěn)定性的重要因素。油酸和油酸三乙醇胺酯作為極壓抗磨的重要添加劑，在切削液中分散粒徑越小，越容易在摩擦副之間鋪展形成潤滑膜。粒徑較大的液滴造成摩擦成膜不均勻，形成大面積干摩擦。50 ℃水制備的切削液，由于油脂液滴粒徑小，分散均勻，成膜則更加均勻穩(wěn)定。

圖2 2號和6號樣品試驗的摩擦因數(shù)隨時間的變化

試驗測得3號～7號樣品的PB分別為461，588，588，667，784 N。3號～7號樣品與商業(yè)樣品試驗的摩擦因數(shù)隨時間的變化見圖3。從圖3可以看出，隨合成酯含量的增加，5號～7號樣品相對于3號樣品試驗的平均摩擦因數(shù)大幅降低，分別降低19.2%，28.9%，29.9%。切削液摩擦因數(shù)的變化與酯化速率密切相關(guān)。本次試驗條件下，合成時間在1.5～3.0 h時，油酸三乙醇胺酯具有最大的生成速率，因此試驗的摩擦因數(shù)大幅減小；合成時間達(dá)到6 h時，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，6號、7號樣品試驗的摩擦因數(shù)降幅接近，而5號樣品試驗的摩擦因數(shù)降幅最大。從圖3還可以看出，3號～7號樣品試驗曲線相對穩(wěn)定，摩擦因數(shù)明顯低于商業(yè)樣品試驗的摩擦因數(shù)。

7號樣品與商業(yè)樣品摩擦試驗鋼球磨斑形貌照片見圖4。試驗測得7號樣品試驗鋼球磨斑直徑為0.540 mm，商業(yè)樣品試驗鋼球磨斑直徑為0.833 mm，表明7號樣品試驗的油膜穩(wěn)定性高。原因在于7號樣品中的油酸三乙醇胺酯和硼砂所含極壓活性元素N、B具有極佳的抗磨減摩性能[12]，樣品中的油性劑和極壓劑，在三乙醇胺表面活性劑的作用下[13]，以粒徑極小的液滴分散于切削液中，能夠在摩擦表面迅速形成具有極壓抗磨性能的薄膜，因此7號樣品試驗的摩擦因數(shù)明顯低于商業(yè)樣品試驗的摩擦因數(shù)。

圖3 3號～7號樣品試驗的摩擦因數(shù)隨時間的變化

圖4 7號樣品與商業(yè)樣品摩擦試驗的鋼球磨斑形貌照片

2.3 腐蝕防銹性能研究

1號～7號樣品的腐蝕試驗結(jié)果表明，不同水溫制備切削液的腐蝕性能無明顯差異。通過觀察試驗結(jié)束后的剩余樣品，發(fā)現(xiàn)3號～7號樣品性狀穩(wěn)定，沒有任何析出，而1號和2號樣品發(fā)生了明顯的析油析皂，如圖5所示。該試驗現(xiàn)象也進(jìn)一步驗證了調(diào)制水溫對切削液理化穩(wěn)定性有明顯影響的結(jié)論。

圖5 腐蝕試驗后1號、2號樣品的析出現(xiàn)象

1號～7號樣品的單片防銹試驗結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，鑄鐵試片在滴加樣品的位點沒有發(fā)生任何銹蝕，光澤如新，而在其周圍發(fā)生了嚴(yán)重的銹蝕。

圖6 單片防銹試驗的試片

疊片防銹試驗的試片銹蝕情況見圖7。從圖7可以看出，1號～7號樣品具有極佳的防銹性能，鑄鐵試片表面均沒有發(fā)生銹蝕，也沒有明顯疊印。

圖7 疊片防銹試驗的試片

三乙醇胺和油酸三乙醇胺酯是良好的表面活性劑，具有較強(qiáng)的清洗、防銹能力，能夠在金屬表面形成一種穩(wěn)定的薄膜，因而切削液樣品具有良好的抗腐防銹性能。而調(diào)制水溫對切削液腐蝕防銹性能沒有明顯影響的原因在于，防銹成膜過程不同于潤滑成膜過程，防銹成膜過程是一種緩慢的化學(xué)成膜保護(hù)行為，而摩擦過程中的成膜保護(hù)是一種瞬時成膜保護(hù)過程。切削液中極壓劑的分散粒徑越小，潤滑成膜能力越強(qiáng)，越均勻。而銹蝕過程作為一種緩慢發(fā)生的化學(xué)行為，防銹劑分散粒徑的大小并不明顯影響最終的防銹膜成膜狀態(tài)。一定時間內(nèi)，防銹鈍化膜的最終形成狀態(tài)僅與防銹劑本身的成膜鈍化能力有關(guān)，而與成膜速率無關(guān)。

2.4 現(xiàn)場切削試驗

現(xiàn)場切削過程中，7號樣品無油霧產(chǎn)生，加工可視性明顯高于商業(yè)樣品，其加工后工件的表面粗糙度為2.262 μm，商業(yè)樣品加工后工件的表面粗糙度為2.408 μm。圖8為使用不同切削液加工后工件的表面微觀形貌照片。由圖8可以看出，商業(yè)樣品加工工件表面發(fā)生了大面積連續(xù)性撕裂變形，工件表面光潔度明顯降低，而7號樣品加工工件表面的犁壟分布相對規(guī)整，雖存在撕裂變形，但撕裂變形區(qū)域基本不發(fā)生連接。原因在于7號樣品具有極佳的冷卻性以及穩(wěn)定的抗磨減摩性能，能夠保持刀具硬度和工件塑性基本不發(fā)生變化，增強(qiáng)工件的易切削性，因而工件的微觀表面相對規(guī)整，光潔度良好。

圖8 工件表面的微觀形貌照片

3 結(jié) 論

(1)將油酸和三乙醇胺在60 ℃反應(yīng)3 h以上得到的組分作為添加劑，制得具有高抗磨高防銹性能的環(huán)保型切削液。該種切削液的單片防銹時間達(dá)到96 h，最高油膜強(qiáng)度達(dá)到784 N，室溫靜置50天后仍具有良好的穩(wěn)定性，能夠應(yīng)用于多種材料的切削加工。

(2)在60 ℃恒溫條件下，油酸和三乙醇胺脫水縮合形成油酸三乙醇胺酯，反應(yīng)速率的峰值介于1.5～3 h之間，6 h時反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

(3)制備含難溶油脂的全合成切削液時，為確保組分的充分分散，應(yīng)加強(qiáng)物理攪拌或采取輔助加熱等方法。分散物粒徑的大小影響著切削液的透明度和穩(wěn)定性，粒徑越小，透明度和穩(wěn)定性越高。透明度可以作為表征切削液穩(wěn)定性的依據(jù)。

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