半合成鋁合金切削液的研制及應(yīng)用

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海研究院

汽車零部件制造業(yè)是切削液的最大終端用戶之一[1]。與其他材料相比，鋁合金密度小、強(qiáng)度高，具備減重效果好的優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)內(nèi)外環(huán)保要求、汽車輕量化及新能源汽車的規(guī)劃[2]。近年來(lái)已有越來(lái)越多的車型采用了全鋁車身或鋼鋁混合車身[3，4]。但鋁合金化學(xué)活性較強(qiáng)，質(zhì)地較軟，黏性強(qiáng)，生產(chǎn)加工中出現(xiàn)的問(wèn)題也比較多[5]，為了降低刀具與鋁合金之間的摩擦，往往需要加入具有不同功能的切削液[6]。

高含油量的乳化液加工時(shí)存在使用壽命短、加工時(shí)能見(jiàn)度較差、易腐敗發(fā)臭、廢液較難處理等問(wèn)題。全合成型切削液在使用過(guò)程中有潤(rùn)滑性不夠等情況。半合成切削液的潤(rùn)滑、清洗和冷卻性能介于乳化液和合成切削液之間，綜合了乳化液和合成液的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們的不足，性能優(yōu)異，通用性強(qiáng)[7]。

針對(duì)上述市場(chǎng)需求，有必要及時(shí)開(kāi)發(fā)半成型鋁合金切削液。目前根據(jù)客戶工藝材質(zhì)現(xiàn)狀和用液需求，本文研制了一種具有優(yōu)異的防銹性和消泡性等性能的半合成鋁合金切削液，以滿足設(shè)備的使用要求。目前產(chǎn)品已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

配方研制

半合成切削液是透明穩(wěn)定、均勻分散的油水混合體系，在表面活性劑及耦合劑的共同作用下自發(fā)形成的[8]。研制的關(guān)鍵是基礎(chǔ)油與各功能添加劑的合理選擇和復(fù)配，以達(dá)到良好的防銹性、防腐蝕性和潤(rùn)滑冷卻等性能。

基礎(chǔ)油的選擇

基礎(chǔ)油是半合成切削液的主要組成部分，其對(duì)切削濃縮液的調(diào)配、儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及稀釋液的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)影響很大。不同類型的基礎(chǔ)油由于烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴含量的不同，其化學(xué)和物理性質(zhì)如傾點(diǎn)、黏度指數(shù)和苯胺點(diǎn)等方面有明顯不同。與石蠟基油相比，環(huán)烷基油環(huán)烷烴含量高，正構(gòu)烷烴含量少且芳烴含量低，具有獨(dú)特的理化性能，密度在0.9 g/cm3左右，與水的密度接近，對(duì)添加劑的溶解能力強(qiáng)，容易乳化并且有較好的乳化穩(wěn)定性[9]。為使配方達(dá)到適宜的有效成分和潤(rùn)滑性，故基礎(chǔ)油選用對(duì)添加劑有良好的相溶性且較為穩(wěn)定的環(huán)烷基油作為基礎(chǔ)油原料。

乳化劑的選擇

乳化劑是半合成切削液最主要的添加劑之一。非離子型乳化劑在水中溶解后不電離，根據(jù)親水基團(tuán)類型不同可分為多元醇型和聚氧乙烯型。該乳化劑穩(wěn)定性比較好，受酸堿和強(qiáng)電解質(zhì)等的影響較少[10]。陰離子型乳化劑為在水中解離產(chǎn)成帶有烷基或芳基的負(fù)電荷親水基團(tuán)的乳化劑，常見(jiàn)如磺酸鹽等，有利于增強(qiáng)切削液的防銹性能。陽(yáng)離子型乳化劑通常在全合成切削液使用[8]。選用陰離子型乳化劑和非離子型乳化劑，兩種類型混合使用既可以維持濃縮液穩(wěn)定性，又可以增強(qiáng)乳化效果。乳化劑的配伍性考察結(jié)果見(jiàn)表1。

由表 1 可見(jiàn)，4號(hào)方案原液外觀均一透明，稀釋液狀態(tài)符合指標(biāo)要求，因此選用4號(hào)方案作為乳化劑體系。

表1 乳化劑的配伍性考察

防銹防腐蝕劑的選擇

切削液在實(shí)際使用過(guò)程中一般需要用90%以上的水進(jìn)行稀釋，為保護(hù)機(jī)床、刀具和工件不受切削液的侵蝕，需要在切削液中加入合適的防銹劑，從而在金屬表面形成保護(hù)膜，防止銹蝕問(wèn)題的發(fā)生。防銹劑一般有兩大類：無(wú)機(jī)防銹劑和有機(jī)防銹劑。無(wú)機(jī)防銹劑主要針對(duì)的是工序間防銹，防銹周期短，常見(jiàn)的可分為亞硝酸鹽和硼酸鹽等幾種類型。有機(jī)防銹劑有羧酸及其鹽類和有機(jī)胺等幾類。通過(guò)配伍性和防銹性考察，選用由醇胺和有機(jī)酸復(fù)配生成的羧酸胺鹽和同樣具有優(yōu)異的防銹性能的硼酸酯類作為防銹劑。防銹劑加劑量考察結(jié)果見(jiàn)表 2。

由表2可知，2號(hào)方案可使3%稀釋液達(dá)到防銹性合格，因此選擇2號(hào)方案作為配方組成。

鋁合金有較強(qiáng)化學(xué)活性等情況，在加工過(guò)程會(huì)與環(huán)境中水、空氣、切削液分解氧化產(chǎn)生的腐蝕性產(chǎn)物等接觸，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，致使材料表面受到腐蝕產(chǎn)生黑斑等問(wèn)題。為了保護(hù)工件表面，鋁合金材料切削時(shí)需要加入鋁腐蝕抑制劑。硅酸鹽和磷酸酯是常用的鋁腐蝕抑制劑，硅酸鹽在配方中比較容易析出產(chǎn)生沉淀，穩(wěn)定性較差[11]。因此，選用磷酸酯類作為配方的鋁腐蝕抑制劑。鋁防腐蝕劑加劑量考察結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，3號(hào)方案原液外觀透明均一，防腐蝕性合格且加劑量最少，因此選擇3號(hào)方案作為配方組成。

表2 防銹劑的配伍性考察

表3 防腐蝕劑的配伍性考察

其他添加劑的選擇

切削液中含有大量的表面活性劑，為了降低泡沫對(duì)刀具的影響并減少泡沫溢出造成的切削液損失，需要在切削液中加入適量的消泡劑。同時(shí)為了保證切削液的抗菌性，需要在切削液中加入適量的殺菌劑。

產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

主要理化性能

對(duì)研制半合成鋁合金切削液進(jìn)行主要理化性能指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，研制的產(chǎn)品具有優(yōu)異的防銹性和消泡性等性能。

鋁合金防腐蝕試驗(yàn)

對(duì)研制半合成鋁合金切削液進(jìn)行鋁合金防腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，采用GB/T 6144全浸試驗(yàn)時(shí)，LY12鋁、2024鋁、6061鋁和7075鋁都顯示A 級(jí)，表明研制的半合成切削液具有優(yōu)異的鋁防腐蝕性。

應(yīng)用情況

研制的半合成鋁合金切削液在浙江某汽車零部件有限公司進(jìn)行了試用，用于車輪轂、剎車鼓緊固件加工。應(yīng)用結(jié)果表明，產(chǎn)品潤(rùn)滑性、冷卻性及防銹性能優(yōu)良，加工產(chǎn)品的精度和光潔度較高，可滿足產(chǎn)品工藝技術(shù)要求。

表4 主要理化性能

表5 鋁合金防腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

☆通過(guò)對(duì)乳化劑、防銹劑等添加劑的合理配伍，研制產(chǎn)品不含硫、氯、亞硝酸鹽和苯酚等物質(zhì)，對(duì)操作者及環(huán)境無(wú)損害。

☆理化性能和鋁合金防腐蝕試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明，半合成鋁合金切削液具有優(yōu)異的防銹防腐蝕性能，乳化穩(wěn)定性良好。

☆實(shí)際應(yīng)用表明，研制產(chǎn)品可用于車用零部件加工，滿足實(shí)際工況下的加工要求和工序間防銹要求。