一液型水系環(huán)保潤(rùn)滑劑的開發(fā)

曾光宇

摘 要：本文主要介紹了一款適用于金屬材料冷塑性加工用的一液型水系環(huán)保潤(rùn)滑劑。該款產(chǎn)品將傳統(tǒng)的磷皂化工藝，由原來的先使用磷酸鹽、草酸鹽等復(fù)合藥劑進(jìn)行磷化處理，再與皂化藥劑反應(yīng)的組合式潤(rùn)滑體系，變更為單一的水系潤(rùn)滑劑的處理。通過其水系環(huán)保屬性和高潤(rùn)滑性，很好地改善了傳統(tǒng)工藝條件下惡劣的高溫、腐蝕氣氛的生產(chǎn)環(huán)境，并且大幅降低了生產(chǎn)過程中的能耗以及廢液處理成本。目前市場(chǎng)上還沒有成熟產(chǎn)品，能夠以單個(gè)工序同時(shí)滿足加工性能、環(huán)境、廢棄物處理、節(jié)能及皮膜結(jié)合力等諸多要求，因此傳統(tǒng)的磷皂化潤(rùn)滑體系仍然占據(jù)我國(guó)塑性加工市場(chǎng)70%以上的份額。在日益嚴(yán)苛的環(huán)境要求及對(duì)成本改善的驅(qū)動(dòng)下，該產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用與推廣，將會(huì)給市場(chǎng)帶來革命性的變化。

關(guān)鍵詞：一液型;潤(rùn)滑劑;環(huán)保;廢液處理

1.前言

1.1 選題的依據(jù)及意義

冷鍛及冷鐓通常是指室溫下將金屬材料（特別是棒材、線材）進(jìn)行冷拔、擠壓等塑性加工的工藝，多用于螺栓螺母等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。在這些冷擠壓的過程中，比如管材的冷鍛與冷拔，為了降低被加工材料與模具、拉模、沖頭等工具之間產(chǎn)生的摩擦，防止模具與零件之間發(fā)生咬死、拉毛或熱膠著，必須使用潤(rùn)滑材料來保證在被加工材料表面形成潤(rùn)滑皮膜，起到潤(rùn)滑和降低不良率、延長(zhǎng)模具使用壽命的作用。

潤(rùn)滑處理的目的是為了降低金屬加工變形時(shí)的摩擦系數(shù)、在一定的負(fù)重下增加變形量及防止加工工具和金屬基材之間引起烤焦現(xiàn)象。傳統(tǒng)的潤(rùn)滑劑可以分為液態(tài)的油基潤(rùn)滑劑和固態(tài)的磷皂化化學(xué)皮膜[1]。液態(tài)油基的潤(rùn)滑方式，出現(xiàn)的時(shí)間較早，主要是在加工過程中通過裝置讓潤(rùn)滑油自動(dòng)添加到生產(chǎn)設(shè)備和金屬材料之間，在生產(chǎn)的同時(shí)保證潤(rùn)滑性能。使用過程中工作環(huán)境比較臟亂差，并且油的添加量和粘度等參數(shù)會(huì)對(duì)潤(rùn)滑性產(chǎn)生比較大的影響。另一種傳統(tǒng)潤(rùn)滑體系，固體磷皂化皮膜就是我們今天所要研究討論，并進(jìn)行改進(jìn)的工藝。相比于油基液體潤(rùn)滑體系，固體磷皂化皮膜與被加工材料發(fā)生反應(yīng)，能夠與材料本身形成良好附著的功能性皮膜，業(yè)內(nèi)通常將其稱為磷皂化固體潤(rùn)滑層。對(duì)于碳鋼和低合金鋼，皮膜的主要成分是磷酸鋅層與皂化層;對(duì)于不銹鋼的基材，則形成草酸層與皂化層。這樣通過磷酸、草酸等不同藥劑先進(jìn)行前處理，再由皂化進(jìn)行潤(rùn)滑的組合工藝，即為傳統(tǒng)固態(tài)磷皂化潤(rùn)滑。相比于傳統(tǒng)的液態(tài)油基潤(rùn)滑，這樣的處理可以強(qiáng)化潤(rùn)滑層的耐熱咬合性。并且同時(shí)保證足夠的潤(rùn)滑性與磷皂化層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

但是，20世紀(jì)以來，隨著工業(yè)的全球化發(fā)展，國(guó)內(nèi)塑性加工行業(yè)對(duì)于提高效率、降低成本的迫切需求不斷發(fā)酵。特別是2018年的全國(guó)范圍內(nèi)環(huán)保普查，使得塑性加工行業(yè)大洗牌，各大企業(yè)對(duì)于工人工作環(huán)境及廢氣、廢液的排放被亟待改善[2]。在這樣的大背景下，一款具有原來傳統(tǒng)固體潤(rùn)滑層性能甚至更高潤(rùn)滑性能的環(huán)保型潤(rùn)滑藥劑就顯得十分迫切。這就需要新的環(huán)保潤(rùn)滑劑不僅潤(rùn)滑性能要好，同時(shí)需要改善工作環(huán)境（例如，傳統(tǒng)國(guó)體潤(rùn)滑的前處理需要使用鹽酸或者硫酸等強(qiáng)酸去除被加工產(chǎn)品表面的氧化層，而在70-80℃的高溫使用酸性處理液，會(huì)產(chǎn)生臭氣和煙霧使污染作業(yè)環(huán)境）;降低廢棄物（廢液、廢渣等）的倉(cāng)儲(chǔ)和處理成本;減少工藝處理的環(huán)節(jié)（由原來的的7-10道工序縮短為現(xiàn)在的2-4道工序）;最終達(dá)到提升效率、降低成本、最大程度減少環(huán)境污染的目的。

因此，塑性加工行業(yè)中對(duì)于一款新型潤(rùn)滑劑十分期待。既要能滿足加工性能對(duì)于潤(rùn)滑、附著力、耐蝕性等方面的性能，又要能有效降低能耗，改善工人工作的工況。就是在這樣的大背景下，該款產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.2 對(duì)個(gè)人在工作中的提升

通過本課題的設(shè)計(jì)，本人在下述能力上得到培養(yǎng)和鍛煉，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)：（1）能夠提供客戶所需要的產(chǎn)品;（2）多次造訪客戶現(xiàn)場(chǎng)，了解客戶在環(huán)保政策、設(shè)備局限、三廢處理等方面的瓶頸和痛點(diǎn);（3）將新產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用和推廣，讓更多的國(guó)內(nèi)客戶使用環(huán)境友好型潤(rùn)滑劑;（4）系統(tǒng)梳理潤(rùn)滑劑從研發(fā)到技術(shù)應(yīng)用的系列知識(shí)，從理論研究到實(shí)踐掌握;（5）掌握寫論文的一般步驟及格式方法，同時(shí)提高自己對(duì)于新知識(shí)、新技能的學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)化自己獨(dú)立思考、解決實(shí)際問題的應(yīng)對(duì)能力。

2.本文研究的主要內(nèi)容

2.1 研發(fā)思路

開發(fā)一液型水系環(huán)保潤(rùn)滑劑，在潤(rùn)滑性能不低于傳統(tǒng)固體磷皂化潤(rùn)滑層的前提下，優(yōu)化簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、減少對(duì)環(huán)境的污染改善工人的生產(chǎn)環(huán)境。選用水系基體作為基礎(chǔ)，并在基體中添加水溶性無機(jī)鹽;將起到潤(rùn)滑作用的基團(tuán)按照一定比例復(fù)配到產(chǎn)品當(dāng)中，最后再添加必要的活性劑及其他需要的添加劑，形成均一、穩(wěn)定的水洗一液型液體潤(rùn)滑劑。之后將開發(fā)的產(chǎn)品在各種不同金屬材料表面進(jìn)行測(cè)試，通過在鐵材、鋁材、不銹鋼和鎂合金、鈦合金等不同材質(zhì)的產(chǎn)品上運(yùn)用后統(tǒng)計(jì)結(jié)果，調(diào)整配方，觀察產(chǎn)品的實(shí)際使用情況以及這些金屬表面潤(rùn)滑層的潤(rùn)滑性能和抗熱要和性能。最終目標(biāo)是代替現(xiàn)有處理方法，從而減少對(duì)環(huán)境的污染、提高生產(chǎn)效率、降低綜合成本。

其中關(guān)鍵技術(shù)有：1）藥劑方面：原料的選擇、配方建立2）處理工藝：通過簡(jiǎn)單的處理工藝，就能滿足材料表面對(duì)于潤(rùn)滑層的高潤(rùn)滑性能要求、并實(shí)現(xiàn)藥劑的檢測(cè)與添加自動(dòng)化3）冷塑性加工性能驗(yàn)證：潤(rùn)滑性能（抗拉毛、抗咬合）、防銹周期。

2.2目標(biāo)和前景

目標(biāo)是為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)磷皂化工藝中，易產(chǎn)生大量環(huán)境污染型氣體的前處理過程，包括熱酸洗、磷酸與草酸的酸化處理等環(huán)節(jié)，通過使用環(huán)保友善型的潤(rùn)滑劑，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化一體化生產(chǎn)、減少周轉(zhuǎn)流動(dòng)次數(shù)、減少人工成本、減少空間、降低能耗、提高生產(chǎn)效率、減少CO2排放以及三廢排放（最綠色環(huán)保的新型潤(rùn)滑級(jí)），比目前磷酸鹽和草酸鹽處理等化學(xué)被膜處理與反應(yīng)型皂處理技術(shù)更降低綜合成本（30%以上）并提高利潤(rùn)。該項(xiàng)目豐富貼合目前國(guó)家對(duì)綠色環(huán)保、節(jié)能減排等政策。同時(shí)該潤(rùn)滑劑擁有非常高的耐熱咬合性能，所以在許多棒材、線材的冷鐓加工行業(yè)有著非常寬的使用范圍，特別是在目前的螺栓螺母等批量塑性加工件行業(yè)中得到十分廣泛的應(yīng)用前景。所以該產(chǎn)品的推廣和使用對(duì)于塑性加工行業(yè)有著極其深遠(yuǎn)的意義。

3.關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)的解決措施

3.1 藥劑方面

1）原料的選擇

該產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念為水系弱堿性體系，有別于目前磷酸鹽和草酸鹽的酸性前處理體系+堿性皂化處理體系，屬于一液型環(huán)保藥劑體系。水系弱堿性體系可以明顯減少對(duì)人體以及環(huán)境的危害。

原料選擇方式：首先選擇多種水溶性好的無機(jī)鹽、蠟、有機(jī)樹脂等原料，通過不同的組合，完成N+1個(gè)樣品，對(duì)以上樣品進(jìn)行產(chǎn)品相融性、穩(wěn)定性等基礎(chǔ)的驗(yàn)證。經(jīng)過在不同溫度、濕度的環(huán)境下測(cè)試，擇優(yōu)選擇抗老化性能優(yōu)良的基礎(chǔ)組合。

2）配方建立

設(shè)定多個(gè)不同的配方藥劑，主要從潤(rùn)滑性和變形率來區(qū)別配方，以保證將來實(shí)際應(yīng)用時(shí)的不同需求。通過前期對(duì)各原料的了解與基本性能評(píng)估分析，通過固體重量比設(shè)計(jì)理論配方，之后再通過實(shí)際冷鍛和冷拔處理來最終確認(rèn)配方，同時(shí)制定簡(jiǎn)易而又便于操作的產(chǎn)品檢測(cè)方式。通過對(duì)原料和配方體系建立的過程確定， 最后使該產(chǎn)品擁有更可靠的穩(wěn)定性，同時(shí)便于客戶對(duì)藥劑進(jìn)行日常管理和抽驗(yàn)工作。

3.2 處理工藝

1）簡(jiǎn)化處理過程

通過簡(jiǎn)單的處理工藝，就能得到很好的塑性加工潤(rùn)滑性能。一液型水系環(huán)保潤(rùn)滑劑只需要施用潤(rùn)滑劑的一個(gè)步驟，即將被加工金屬與液體藥劑充分浸漬，使得液體充分包裹在金屬表面，形成一層具有粘結(jié)性的潤(rùn)滑膜，隨后在進(jìn)行一定溫度的烘烤固化潤(rùn)滑層即可得到具有優(yōu)良潤(rùn)滑性能的潤(rùn)滑層。不需要像傳統(tǒng)工藝那樣，由脫脂、酸洗、磷化、水洗和皂化反應(yīng)五個(gè)步驟組成。

2）簡(jiǎn)化藥劑的檢測(cè)與添加方式

傳統(tǒng)的磷皂化固體潤(rùn)滑層體系，在前處理反應(yīng)進(jìn)行的過程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)消耗潤(rùn)滑劑中的有效成分，同時(shí)造成各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的降低，若不及時(shí)進(jìn)行定時(shí)管控和成本添加，會(huì)造成反應(yīng)不良，冷塑性加工性能降低。所以對(duì)于以上處理工藝在生產(chǎn)過程中需要有專人以每2個(gè)小時(shí)進(jìn)行槽液管控和補(bǔ)給，已保證槽液正常。整個(gè)過程屬于重復(fù)勞動(dòng)，由于是人工進(jìn)行藥品的檢測(cè)和添加，難免會(huì)受到情緒好壞、操作誤差等各方面的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量隨著操作者的不確定性而產(chǎn)生波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)影響品質(zhì)，也會(huì)降低生產(chǎn)效率，還存在安全事故的隱患。為避免以上問題，簡(jiǎn)化檢測(cè)和添加方式，將使用機(jī)械控制裝置通過電導(dǎo)率的管控，通過電導(dǎo)率范圍變化，機(jī)械裝置將自動(dòng)添加藥劑或者去離子水，以保持所設(shè)定的電導(dǎo)率指標(biāo)。詳見下圖：

得益于新的配方體系，新產(chǎn)品能更好的保護(hù)中國(guó)的環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。不僅如此，優(yōu)化后的工藝不僅簡(jiǎn)化了工藝，還提高了生產(chǎn)自動(dòng)化程度?？梢哉f即節(jié)省了空間，又提高了生產(chǎn)能力、減少了三廢處理的費(fèi)用，并且有效保證了冷塑性加工的潤(rùn)滑性。使產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有很大提升。 使之成為性能卓越，可靠性優(yōu)良的綠色環(huán)保的潤(rùn)滑劑。

3.3冷塑性加工性能驗(yàn)證：潤(rùn)滑性能（抗拉毛、抗咬合）。

使用同一規(guī)格的圓棒料，在進(jìn)行相同潤(rùn)滑工藝處理之后，使用相同的液壓設(shè)備進(jìn)行冷塑性加工，記錄成型荷重以及尺寸，同時(shí)仔細(xì)觀察是否存在缺陷（拉毛、咬合等問題）。該性能驗(yàn)證將傳統(tǒng)磷皂化固體潤(rùn)滑體系與新型環(huán)保型潤(rùn)滑體系的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了對(duì)比。通過以上冷塑性加工驗(yàn)證一液型水系潤(rùn)滑劑配方體系和性能的可靠性。詳見下圖：

4. 一液型環(huán)保產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

4.1創(chuàng)新性

完成初次配槽后，將槽液的管控參數(shù)調(diào)整至合理范圍，通過自動(dòng)上料、自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自己補(bǔ)給裝置就可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的連續(xù)生產(chǎn)的模式。也可以通過設(shè)備操作界面也可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)生產(chǎn)。這樣做的好處是，在半自動(dòng)模式下可以及時(shí)了解問題發(fā)生的原因，進(jìn)行問題排查，而在全自動(dòng)模式下可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益最大化。從工藝的角度來看，該藥劑能以單個(gè)工序進(jìn)行處理、且潤(rùn)滑層可實(shí)現(xiàn)輕松剝離，在一定條件下可以通過退鍍進(jìn)行返工處理。在生產(chǎn)效率上，使用浸漬法（10秒涂敷）即可實(shí)現(xiàn)批量處理各類金屬材料，使材料表面產(chǎn)生牢固的潤(rùn)滑層，避免產(chǎn)品與模具、工具間由于發(fā)熱導(dǎo)致的熱咬合，相比傳統(tǒng)磷皂化工藝效率大大提升。在性能上能夠滿足客戶對(duì)于加工性能、環(huán)境友好、廢棄物減少，以及減少工藝環(huán)節(jié)降低能耗、改善工作環(huán)境等全新的高需求，更能全面覆蓋一般客戶對(duì)于潤(rùn)滑性能的基本要求。

與傳統(tǒng)磷皂化比較可以發(fā)現(xiàn)，工件在噴砂之后，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱水洗就可以進(jìn)入藥劑涂覆。整個(gè)過程沒有其他環(huán)節(jié)的槽液配置和排放的困擾，只需要一個(gè)主體設(shè)備進(jìn)行浸漬就可以完成。

4.2皮膜性能指標(biāo)及鍛造能力

優(yōu)化后的潤(rùn)滑工藝將皮膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，雖然處理工藝及皮膜結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)磷皂化少了，但是卻能提供優(yōu)于傳統(tǒng)工藝的潤(rùn)滑性能。并且可以在相同性能的條件下有效降低膜厚厚度，合理控制生產(chǎn)成本。針對(duì)目前主流客戶主流產(chǎn)品進(jìn)行鍛造對(duì)比測(cè)試，該項(xiàng)目潤(rùn)滑劑性能不差于傳統(tǒng)磷皂化工藝

4.3經(jīng)濟(jì)效益標(biāo)

根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)月的跟線測(cè)算，由于工藝環(huán)節(jié)減少，在能耗及廢水處理方面相比于傳統(tǒng)磷皂化大幅降低。另外，因?yàn)橹虚g倉(cāng)庫(kù)可以取消，減少了重復(fù)搬運(yùn)等周轉(zhuǎn)過程，也很好的地減少了物料的損耗等。綜上所述，通過一液型潤(rùn)滑劑的綜合處理成本，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝可減低30%以上。

4.4同類技術(shù)的對(duì)比情況

總結(jié)一液型水洗環(huán)保潤(rùn)滑劑與傳統(tǒng)磷皂化工藝的對(duì)比情況，總結(jié)如下：1）一液型潤(rùn)滑性能同等或優(yōu)于傳統(tǒng)型;2）工序簡(jiǎn)單，一液型一般在3分鐘以內(nèi);傳統(tǒng)型在30分鐘以上;3）處理溫度從傳統(tǒng)的75℃左右降低到55℃左右;4）藥劑管理實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制;5）三廢處理大幅減少，一液型是環(huán)保型藥劑;綜合來看整個(gè)一液型產(chǎn)品在性能上和成本上都實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品和工藝的超越。

4.5 設(shè)計(jì)總結(jié)

通過參與本次一液型水系環(huán)保潤(rùn)滑劑的研發(fā)，使我對(duì)塑性加工領(lǐng)域的表面處理技術(shù)有了更為深刻的了解。在整個(gè)開發(fā)推廣的過程匯總，我?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)首先客服了產(chǎn)品體系的難關(guān)。設(shè)計(jì)出環(huán)保型潤(rùn)滑體系，降低對(duì)環(huán)境及人體的損害;其次是攻克潤(rùn)滑性能的難關(guān)，在更換體系、減少工藝的前提下使用新的潤(rùn)滑成分來滿足高潤(rùn)滑性能及其他性能要求;通過在客戶現(xiàn)場(chǎng)多次不斷地調(diào)試，磨合產(chǎn)品與設(shè)備的匹配性，最終得以完成并推廣新型環(huán)保潤(rùn)滑劑。

參考文獻(xiàn)：

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