重负荷乳化型切削液的研制

　　[摘要]传统的油基切削液难以适应苛刻的加工条件，为此，研制了一种由表面活性剂、润滑剂、防锈剂、稳定剂、精制矿物油、杀菌剂和水等组成的透明极压乳化切削液，探讨了防锈剂、油性剂、极压剂等添加剂的选择。通过试验选出了最优乳化切削液的配方(质量分数)为：59.9%30号变压器油，10.0%四聚蓖麻油酸酯，5.0%二烷基五硫化物，10.0%防锈剂复合包，2.0%AMP-95胺，8.0%EN-50乳化剂，3.0%MBM杀菌剂，2.0%145偶合剂，0.1%MS575消泡剂。对比了该乳化切削液与市售进口同类切削液的性能、特点。结果表明：研制的重负荷乳化切削液透明稳定，具有优良的防锈性、润滑性、冷却性和清洗性。

　　[关键词]重负荷乳化型切削液：极压性能;润滑性能

　　Abstract: Traditional oil-based cutting fluids hardly meet the severe operation conditions. Hence, a kind of emulsion as extreme pressure emulsion cutting fluid was developed, which consisted of lubricant, antirust additive, stabilizer, refined mineral oil, biocide and water etc. The selection of antirust additives, oiliness additives, extreme ressure additives were discussed detailedly. The optimal composition of emulsion cutting fluid was 59.9% (mass fractions) 30th transformer oil, 10.0% tetrapolyricinoleate , 5.0% dialkyl pentasulfide, 10.0% antirust compound package, 2.0% AMP-95 amine, 8.0% EN-50 emulsifier, 3.0% MBM fungicide, 2.0% 145 coupling agent and 0.1% MS 575 defoamer. The properties and characters of this new type of emulsion cutting fluid and imported similar products on the market were compared and researched. Results showed that this new type of emulsion cutting fluid was transparent and stable with good performances such as antirust lubricating, refrigerating and cleaning properties

　　Key word: extreme pressure cutting fluid; extreme pressure properties; lubricating properties

　　0前言

　　随着金属切削加工技术的不断发展，日益苛刻的加工条件对切削液的质量提出了越来越高的要求。同时随着数控机床、机械加工中心和柔性制造系统等先进制造技术的广泛推广和应用，由于先进制造技术和难加工材料的切削加工都离不开润滑冷却技术，因此，切削液的发展应用显得越来越重要。传统的油基切削液润滑性能好，但其冷却性能差，难以适应苛刻的加工条件。水基切削液冷却性能好，且成本相对较低，操作环境安全、干净，没有油雾和着火的危险。随着水基切削液性能的不断提高，其使用范围逐渐扩大，出现了油基切削液向水基切削液过渡的趋势。目前市面上的水基切削液在替代油基切削液应用于镍基合金等高硬度材料大去除量、大进给重负荷加工的过程中经常出现由于润滑性不足，导致刀具磨损严重，产生大量热量引起水雾及刺激性气味。因此，研发一种能替代切削油用的重负荷乳化切削液显得极为重要。

　　1试验

　　1.1 i验材料

　　主要试验材料：30号变压器油，工业级;AMP-95胺;硬脂酸异辛酯;季戊四醇油酸酯;四聚蓖麻油酸醋;N，N-亚甲基双吗啉(MBM);乳化剂：脂肪醇聚氧乙烯醒，沙索RT 42，HLB值5.5;沙索EN-50，HLB值9.5;联化，AEO3，HLB值6.0;斯盘-80(SP-80)，HLB值4.5;二烷基五硫化物;消泡剂：MS 575。

　　1.2 i验方法

　　防锈试验条件：温度：(35±2)C;时间：单片24 h，叠片8h;执行标准：GB/T 6144.采用四球摩擦磨损试验机考察乳化油的润滑性

　　能、极压性能，试验条件：室温;转速(1 450±50)r/min;执行标准：GB/T 3142.

　　攻丝扭矩试验机是模拟金属攻丝加工的试验方

　　法，使用一个旋转丝锥对一个固定好的通孔进行攻丝加工，测量攻丝过程中的平均扭矩值。攻丝转速1000

　　r/min，丝锥为YAMAWA M4X1，试验材料为45钢测试块：规格M4F，孔径：3.7 mm，厚度：20 mm。润滑剂的润滑性能对攻丝扭矩值的大小产生影响，润滑性能越好，平均扭矩值越小，反之则越大。

　　2结果与分析

　　2.1 油性剂润滑性能测试

　　本工作采用市售的硬脂酸异辛酯、季戊四醇油酸酯、自乳化酯、四聚蓖麻油酸酯作为油性剂调配成稳定的乳化切削液配方。所有的乳化切削液样品以10%的浓度在四球摩擦磨损试验机和Micro Tap攻丝扭矩试验机上进行润滑性能对比试验，试样用45钢块。

　　为了更加直观地表示MicroTap攻丝扭矩试验结果，将表1中攻丝效率以柱形图表示(见图1)

　　从图1可以看出，合成酯的加入可以显著提高乳化液的攻丝扭矩效率，从样品A、B.C、D的结果可以看出，硬脂酸异辛酯对6061铝的加工润滑性影响最小，四聚蓖麻油酸酯的影响最大。其中样品D.E随着四聚蓖麻油酸酯添加量的降低，乳化液的润滑性能也随着下降，添加10%的四聚蓖麻油酸酯的润滑效果与添加15%的季戊四醇油酸酯相当。

　　2.2 极压剂的抗磨、减磨性能测试通过测试摩擦系数、磨斑直径、磨斑表面形貌考察了氯化石蜡及其取代物的减磨、抗磨效果。减磨、抗磨性能选用浓度为10%的乳化液通过196 N负载下长磨30 min试验，摩擦系数小、磨斑直径小，磨斑形貌光滑说明该极压剂的润滑性能好。

　　随着极压剂的加入，乳化液的抗磨性能有所提高，长磨摩擦系数降低，磨斑直径变小。30号变压器油乳化的摩擦系数为0.141，加入极压添加剂后，52号氯化石蜡的摩擦系数降至0.121;磷酸酯的摩擦系数降至

　　0.113，二烷基五硫化物的摩擦系数降至最低0.099，由于磷酸酯具有较强的极性，容易在金属表面形成一层油膜即流体润滑膜，在长磨过程中降低摩擦系数。而二烷基五硫化物化合物能降低摩擦系数可能是由于二烷基五硫化物化合物中含有电负性很强的硫原子，容易吸附在金属表面，在长磨过程中易于钢球表面产生化学反应生成硫化铁，从而使摩擦系数变小。

　　在 196 N 的负荷下，长磨 30 min 后的钢球用溶剂清洗干净，干燥。选择有代表性的钢球磨斑用电镜进行扫描，该电镜为原四球摩擦磨损试验机自带电镜，放大倍数为 250 倍，得到的磨斑形貌见图 2。

　　由图2可知，在相同的试验条件下，磨斑直径的变化趋势为30号变压器油>氣化石蜡添加剂>磷酸酯添加剂>二烷基无硫化物添加剂。磨斑直径越小说明添加剂的减磨、抗磨性能越优异。30号变压器油乳化条件下的钢球表面的划痕较深，在加入氯化石蜡后，钢球表面很明显地变光滑，犁沟变浅，说明氯化石蜡在乳化液中具有一定的抗磨性，这是由于在长磨过程中，氯化石蜡中的氯与钢球表面产生化学反应，生成了氯化铁所致;而加入磷酸酯后，磨斑直径明显变小，钢球表面划痕线，没有犁沟，这主要是由于磷酸酯极性较大，容易吸附在钢球表面，形成一层润滑膜，增加30号变压器油的油膜强度，在长磨过程中显著降低摩擦系数，从而使得磨斑直径变小;加入二烷基五硫化物后，磨斑直径变小，摩擦系数降低，这是由于二烷基五硫化物中含有氮元素，与钢球表面发生反应形成保护膜，并且二烷基五硫化物容易吸附在钢球表面，有效地抑制了钢球与钢球摩擦副之间的直接接触，从而表现出较好的减磨效果。

　　2.3乳液稳定性研究

　　乳液稳定性是乳化切削液的一个重要指标，如果乳化液母液不稳定，产品容易出现分层、不乳化、结成果冻状等现象。确定乳化液是否稳定的最好办法是将该产品静置观察1a，但耗时太长。因此需要一些加快老化进程的方法。本工作参考ATSM的D3707方法，取100 mL.乳化液样品在55 ℃下储存12h后降温至常温，放入0℃冰箱内储存12 h，观察乳化液样品的外观。

　　由于乳化液本身需要用水稀释后再使用，因此还需要评定其稀释液的稳定性。稀释液的稳定性取决于乳化液母液的产品质量和用来稀释的水质。测定稀释液的稳定性具体步骤是：使用100 mlL的量筒，在95 ml.

　　的水(150 mg/L的碳酸钙)中加入5 ml.乳化液母液，用塞子塞住量筒，倒转180，然后再回到原来的垂直位置，充分摇匀后静置24 h，测定浮油或分脂的量，以此判断稀释液的稳定性。

　　表3为不同乳化剂的乳化液的稳定性。从表3可以看出，采用EN-S0作为表面活性剂，调制的乳化液母液高、低温稳定性及5%稀释液稳定性都达到要求。

　　2.4乳化液配方的确定及其性能指标由于在产品研制过程中，秉承一剂多用的原则，对选用的几种添加剂进行合理的配对，能达到各种性能指标增效的效果。根据以上试验结果，通过正交试验筛选和配方优化，研制的重负荷乳化液的最终配方见表 4。

　　表5为研制的重负荷乳化液与在国内某大型模具钢加工企业成功应用的同类进口乳化液的性能指标进行的比较。通过对比可以看出，研制的重负荷乳化液与进口产品的各项理化性能指标一致，且都不含对环境有污染的氯化石蜡、亚硝酸盐、苯酚等物质。

　　3结论

　　(1)四聚蓖麻油酸酯具有优异的润滑性能，在乳化液配方中添加10%能有效提高乳化切削液在6061铝合金的攻丝扭矩效率。

　　(2)通过四球摩擦磨损试验机考察了含有二烷基五硫化物、氯化石蜡、磷酸酯在乳化切削液的润滑极压性能。结果表明：二烷基五硫化物和磷酸酯在抗磨减磨性能方面明显优于氯化石蜡，当二烷基五硫化物添加量为5%时，乳化切削液的抗磨、减磨效果最佳。(3)制备出的重负荷乳化切削液加工性能好，能用于铸铁、碳钢、不锈钢、模具钢等材质加工，效果良好，能有效替代切削油。

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