鋁合金合成型高光切削液的研制

徐 賀， 孫 明， 李茂生，4， 徐立庶， 阮藝鋒， 徐夏楠， 朱嘉莉

(1.廣州市方川潤滑科技有限公司， 廣東 廣州 510006；2.廣工-方川金屬加工液及工業(yè)潤滑研發(fā)中心， 廣東 廣州 510006；3.廣東工業(yè)大學輕工化工學院， 廣東 廣州 510006；4.廣東省傳動潤滑流體工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510006)

0 前 言

隨著汽車、手機、3C 電子消費類產(chǎn)品市場不斷擴大，市場對產(chǎn)品的外觀效果要求也不斷提高，高光加工新工藝在金屬加工領域逐漸興起。 目前，高光加工已廣泛應用于3C 電子、汽車輪轂、航空鋁材以及其他金屬材料的加工領域，尤其在鋁材金屬加工領域的應用最多[1－3]。

鋁合金是一種活潑金屬，在空氣中易氧化，在酸性、堿性環(huán)境中均易發(fā)生反應，耐蝕性差，因此用于鋁合金的高光切削液在緩蝕性、pH 值方面的指標很重要，對潤滑性和清洗性的要求更高。 傳統(tǒng)的礦物油型乳化液、微乳液存在穩(wěn)定性差和后續(xù)清洗繁瑣等缺點，因此合成型高光切削液逐漸引起關(guān)注[4－7]。 根據(jù)鋁合金材料自身的特性、加工工藝、工況的要求，鋁合金高光切削液應具有優(yōu)異的潤滑性、較高的防腐蝕性、抗硬水性和生物穩(wěn)定性。 目前市場上的鋁合金高光切削液還存在諸多問題，國產(chǎn)產(chǎn)品存在防腐蝕時間短、工件加工后的表面精度低、抗硬水性差、微生物穩(wěn)定性不足的缺點。 基于上述需求， 本工作開發(fā)了一種鋁合金合成型高光切削液，并對其性能和工程應用情況進行了研究。

1 試 驗

1.1 合成型高光切削液的制備

亞硝酸鈉對防止金屬表面生銹和殺菌有很好的效果，而且價格低廉，抗硬水性好，因此被一些低端的切削液大量使用。 然而亞硝酸鈉被人體少量吸收后，會出現(xiàn)皮膚過敏，大量吸收則會有致癌作用，因此，在環(huán)保要求嚴格的場合，特別是貿(mào)易出口領域，亞硝酸鈉被禁止添加到切削液中。 我國切削液中高端市場和進口產(chǎn)品一般采用硼酸、有機羧酸作為新型防銹劑，通過與有機醇胺反應生產(chǎn)硼酸酯和羧酸鹽，該類物質(zhì)的防銹性能與亞硝酸鈉基本相當[8]。 針對鋁合金高光切削對切削液的潤滑性、抗硬水性、冷卻性的要求，本工作以蓖麻油酸和甲氧基聚乙二醇為原料，合成一種聚醚多元醇酯潤滑劑，再以馬來酸酐合成物復配硼酸、三元羧酸為防銹劑，調(diào)制合成型高光切削液樣品。 蓖麻油酸和甲氧基聚乙二醇發(fā)生的反應如下:

該切削液按100.0 質(zhì)量份計包括以下組分:改性有機醇銨15.0 ～25.0 份；馬來酸酐合成物3.0 ～8.0 份；三元羧酸3.0 ～8.0 份；硼酸3.0 ～8.0 份；反式聚醚5.0～15.0 份；聚醚多元醇酯5.0 ～15.0 份；異壬酸(作為分散劑)2.0～5.0 份；工業(yè)精甘油2.0 ～5.0 份；磷酸酯鋁緩蝕劑0.5～3.0 份；其余成分為去離子水。 將各種原料按順序加入，攪拌均勻即得到合成型高光切削液。

1.2 性能表征

選取市面常見的進口某品牌切削液和國產(chǎn)某品牌切削液，分別配制質(zhì)量分數(shù)為5%的高光切削液、進口切削液和國產(chǎn)切削液的水溶液稀釋液，再對3 種切削液稀釋液進行性能測試。

采用四球試驗機，按照GB/T 3142－2019 測試3 種切削液稀釋液的最大無卡咬負荷PB值。

在常溫條件下，采用M4×0.7 的絲錐，底孔尺寸為3.68 mm、厚度為18 mm 的鋁合金面板，采用megatap II攻絲扭矩機，設置扭矩機的參數(shù)為攻絲深度6.0 mm、轉(zhuǎn)速600 r/min，分別測定3 種切削液稀釋液的攻絲扭矩值。

按照GB/T 6144－2010 測定3 種切削液稀釋液對LY12、A356.20、ADC12、6061 鋁合金的腐蝕性，在(55±2)℃溫度條件下，將打磨后的LY12、A356.20、ADC12、6061 鋁合金試片放入切削液稀釋液中，完全浸泡4，8，24 h 后取出試片檢查。

按照GB/T 6144－2010 測定3 種切削液稀釋液的消泡性，在室溫條件下，手搖切削液，上下晃動40 下，靜置10 min，觀察讀取泡沫最高高度。

按照JB/T 9189－2016，測試3 種切削液稀釋液對灰鑄鐵屑的防銹性。

配制質(zhì)量分數(shù)為5%的高光切削液、進口切削液和國產(chǎn)切削液的自來水、硬度分別為500、1 000 mg/L 的硬水溶液稀釋液，在常溫下靜置24 h 測試抗硬水性能。

切削液的其他性能按照GB/T 6144－2010 進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 切削液的基本性能

合成型高光切削液及對比樣品的性能測試結(jié)果見表1。 正常情況下，切削液的pH 值呈弱堿性，一般控制在8.00～10.00 之間。 切削液的pH 值大于10 時，對皮膚有刺激性，容易加劇有色金屬腐蝕；pH 值小于8 時，切削液易受到細菌的侵害，導致切削液腐敗變質(zhì)。 由表1 可知，本工作研制的高光切削液的pH 值為9，符合要求。

表1 合成型高光切削液及對比樣品的性能測試結(jié)果Table 1 Performance test results of synthetic high-gloss cutting fluid and comparison samples

切削液的表面張力反映其快速鋪展?jié)B透性。 在金屬切削過程中，切削液的表面張力越低越有利于其快速鋪展，從而盡快使金屬表面冷卻降溫。 由表1 可知，本工作研制的高光切削液具有較小的表面張力，為32 mN/m，與進口產(chǎn)品類似，低于國產(chǎn)產(chǎn)品。

機床在出廠之前都會涂覆油漆，以提高耐蝕性。機床所使用的切削液一般呈堿性，且含有各種表面活性劑，如果切削液使用不當，容易導致機床設備油漆的褪色脫落，從而造成機床零部件腐蝕老化，因此，要求切削液具備一定的油漆適應性。 本工作研制的高光切削液對油漆的適應性與進口產(chǎn)品類似。

本工作研制的高光切削液不含亞硝酸鹽。

2.2 切削液的潤滑性

切削液通過減小刀具前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的摩擦，形成部分潤滑膜，從而減小切削力、摩擦和功率消耗[9，10]。

2.2.1 切削液的四球試驗結(jié)果

高光切削液、進口切削液和國產(chǎn)切削液稀釋液的最大無卡咬負荷PB值分別為735，686，588 N，這表明高光切削液可提高產(chǎn)品的潤滑性。

圖1 是不同切削液稀釋液的四球試驗磨斑形貌。由圖1 可見，國產(chǎn)切削液稀釋液的磨斑直徑最大，本工作制備的高光切消液稀釋液的磨斑直徑最小，優(yōu)于進口切削液稀釋液的磨斑直徑。

圖1 四球試驗磨斑形貌Fig.1 Morphology of wear scars of four ball test

2.2.2 切削液的攻絲扭矩值測試結(jié)果

圖2 為不同切削液稀釋液的攻絲扭矩值測試結(jié)果。 由圖2 可以看出，高光切削液稀釋液的攻絲扭矩值最低，進口切削液次之，國產(chǎn)切削液稀釋液的攻絲扭矩值最高。 由此可知，相比進口切削液和國產(chǎn)切削液，本工作研制的高光切削液具有更好的潤滑性。

圖2 攻絲扭矩值測試結(jié)果Fig.2 Test results of tapping torque values

2.3 切削液對鋁合金的防腐蝕性

金屬零部件的加工要經(jīng)過數(shù)道乃至數(shù)十道加工工藝，且部分成品在加工完成后需放置數(shù)月而無清洗和其它防護，因此，要求切削液具有良好的工序間和短時間內(nèi)的防腐蝕性。

3 種切削液稀釋液對LY12、A356.20、ADC12、6061鋁合金的腐蝕試驗結(jié)果見圖3 和表2。

圖3 腐蝕24 h 后試片的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the test pieces after 24 h of corrosion

表2 腐蝕試驗結(jié)果Table 2 Corrosion test results

3 種切削液稀釋液在4、8、24 h 試驗時間下，LY12鋁和A356.20 鋁的腐蝕試驗結(jié)果均為無腐蝕；高光切削液、進口切削液稀釋液對ADC12 鋁的腐蝕試驗結(jié)果均為無腐蝕，4、8、24 h 試驗時間下，國產(chǎn)切削液稀釋液對ADC12 鋁的腐蝕試驗結(jié)果依次為輕微腐蝕、重度腐蝕、重度腐蝕；高光切削液、進口切削液稀釋液對6061 鋁的腐蝕試驗結(jié)果均為無腐蝕，4、8、24 h 試驗時間下，國產(chǎn)切削液稀釋液對6061 鋁的腐蝕試驗結(jié)果依次為無腐蝕、輕微腐蝕、重度腐蝕。 由表2 可見，3 種切削液稀釋液對LY12、A356.20、ADC12、6061 鋁合金的防腐蝕等級均為A 級；高光切削液、進口切削液稀釋液對ADC12 鋁合金的防腐蝕等級為A 級，國產(chǎn)切削液稀釋液則為D 級，而高光切削液、進口切削液稀釋液對6061 鋁合金的防腐蝕等級為A 級，國產(chǎn)切削液稀釋液為B 級，這表明本工作研制的高光切削液和進口切削液對鋁合金具有優(yōu)異的防腐蝕性能，國產(chǎn)切削液次之。

2.4 切削液的防銹性

高光加工過程中，機床容易發(fā)生銹蝕，因此，要求切削液具有較強的防銹功能。 本工作按照JB/T 9189－2016 測試3 種切削液稀釋液對灰鑄鐵屑的防銹性，結(jié)果見表3。 從表3 可知，本工作研制的以馬來酸酐合成物復配硼酸、三元羧酸為防銹劑的高光切削液對灰鑄鐵屑具有很好的防銹性，而以亞硝酸鈉為防銹劑的國產(chǎn)切削液的防銹性稍差，且存在環(huán)保性問題，而以有機羧酸為防銹劑的進口切削液的防銹性最差。

表3 防銹性試驗結(jié)果Table 3 Anti-rust test results

2.5 切削液的消泡性

高光加工工藝過程中，切削液通過高壓噴射在加工區(qū)域時，會產(chǎn)生大量的氣泡。 這會引發(fā)崩刀現(xiàn)象，同時消泡不及時會造成切削液槽中液體溢出，因此，要求切削液具有良好的消泡性。 本工作研制的高光切削液中含有反式聚醚和聚醚多元醇酯，由于結(jié)構(gòu)中存在嵌段聚合物，可生成不溶于水的物質(zhì)，從而降低液膜中表面活性劑的濃度，促使泡沫破裂，達到快速消泡效果。

3 種切削液稀釋液的消泡性測試結(jié)果如下:合成型高光切削液稀釋液的泡沫高度為0，進口切削液稀釋液的泡沫高度為5 cm，國產(chǎn)切削液稀釋液的泡沫高度為10 cm。 由此可知，合成型高光切削液的消泡性最好，進口切削液次之，國產(chǎn)切削液的消泡性最差，這表明本工作研制的高光切削液具有優(yōu)異的消泡性能。

2.6 切削液的抗硬水性

切削液中含有的有機羧酸防銹劑容易與水中的鈣鎂離子結(jié)合產(chǎn)生沉淀，影響性能。 3 種切削液稀釋液的抗硬水性測試結(jié)果見圖4 和表4。 可以看出，本工作研制的高光切削液和進口切削液的抗硬水性均在1 000 mg/L 以上，而國產(chǎn)切削液的抗硬水性在500 mg/L 以下，本工作研制的高光切削液顯示出良好的抗硬水性能。

圖4 24 h 抗硬水性測試結(jié)果Fig.4 24 h test results of hard water resistance

3 結(jié) 論

基于國內(nèi)市場需求，針對鋁合金精密高光現(xiàn)場加工工藝，以及鋁合金自身的特性，研發(fā)了一種合成型高光切削液，該高光切削液具有如下特點:

(1)具有優(yōu)異的潤滑性、對鋁合金的防腐蝕性、防銹性、抗硬水性、消泡性；

(2)可以替代同類進口產(chǎn)品，并可滿足出口型加工企業(yè)的環(huán)保要求；

(3)產(chǎn)品適用性強，有望應用于不同材質(zhì)輪轂鋁、電子鋁、壓鑄鋁等的高光加工。