王月慧，張珍，王海軍，于佩華

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近十幾年來(lái),隨著切削技術(shù)不斷提高、先進(jìn)切削機(jī)床不斷涌現(xiàn)、刀具和工件材料不斷發(fā)展，推動(dòng)了切削液技術(shù)的進(jìn)步。切削液的用量占工業(yè)潤(rùn)滑油總用量的8%左右，其中水基與油基的比例為6∶4[1]。礦物油是一種混合物，由不同碳?xì)浠衔锝M成，根據(jù)烴類(lèi)組成不同可以分為石蠟基、環(huán)烷基及芳香烴基3類(lèi)。其中石蠟基油所占比例較高；芳香烴基含量少的基礎(chǔ)油油品黏度隨溫度變化較小，具有較高的黏度指數(shù)，性能穩(wěn)定[2]，適合用來(lái)調(diào)配切削油。油性切削油的基礎(chǔ)油一般采用低黏度礦物油，與特殊添加劑復(fù)配制成切削油。與水溶性切削油相比，油性切削油一般潤(rùn)滑性較好，壽命長(zhǎng)，對(duì)皮膚刺激較小[3]。

我國(guó)切削油研究水平進(jìn)步顯著，但切削油評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)仍然不統(tǒng)一，這是由于金屬切削加工工藝存在多樣性，導(dǎo)致切削油由眾多的小企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)[4]，切削油的市場(chǎng)也呈現(xiàn)出一種分散和多樣化的格局。目前，國(guó)外切削油的發(fā)展趨勢(shì)為生產(chǎn)廠家逐漸由小廠家轉(zhuǎn)為大型石油公司或合并成為大公司，切削油向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化方面發(fā)展。

為了滿足市場(chǎng)巨大的需求潛力，并提高自產(chǎn)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的利用率和附加值，填補(bǔ)礦物型切削油產(chǎn)品領(lǐng)域的空白，筆者團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了2款市場(chǎng)主流礦物型切削油，并制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工業(yè)轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。

表1 礦物型切削油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基礎(chǔ)油體系

基礎(chǔ)油是切削油液的功能組分，也是切削油液中各種添加劑的載體[5]，這就要求基礎(chǔ)油的顏色淺、揮發(fā)性小、氣味小、無(wú)污染，同時(shí)，基礎(chǔ)油應(yīng)具有良好的溶解性，理想情況下還需要適當(dāng)保留油品中天然的極壓和抗氧化組分[6]。因此，以低黏度餾分油為原料進(jìn)行切削油液專(zhuān)用基礎(chǔ)油的開(kāi)發(fā)和研究。

利用40×104t/a石蠟基潤(rùn)滑油高壓加氫裝置，以二段高壓加氫工藝生產(chǎn)不同黏度的優(yōu)質(zhì)Ⅱ+和Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油，其性質(zhì)如表2所示。

表2 石蠟基基礎(chǔ)油分析數(shù)據(jù)

由表2可知：通過(guò)調(diào)整2 mm2/s、6 mm2/s的比例可以滿足產(chǎn)品M10A/M10B的黏度要求；二者的閃點(diǎn)均可滿足高溫儲(chǔ)存的安全性；從傾點(diǎn)來(lái)看，作為基礎(chǔ)油組分，2 mm2/s、6 mm2/s具有優(yōu)越的低溫性能。因此，認(rèn)為2 mm2/s、6 mm2/s作為基礎(chǔ)油組分較為理想。

1.2 極壓抗磨劑

篩選了幾款不同類(lèi)型的極壓抗磨劑，分別為硫化烯烴型(A)、硫化聚合酯(B)、硫化植物油(C)、硫化甲酯(D)、亞磷酸酯(E)、聚合酯潤(rùn)滑劑(F)，將其按照一定的比例加入調(diào)合基礎(chǔ)油中，通過(guò)四球?qū)嶒?yàn)考察極壓劑類(lèi)型及添加比例對(duì)PB/PD值的影響(表3、表4)，篩選出合適的極壓抗磨劑。

表3 極壓劑類(lèi)型及添加比例對(duì)PB的影響 N

表4 極壓劑類(lèi)型及添加比例對(duì)PD的影響 N

由表3、表4可知：硫化聚合酯、亞磷酸酯對(duì)PB和PD的影響均比較優(yōu)異，二者提高PB值的能力最佳，提高PD值的能力也高于硫化甲酯、硫化植物油；硫化烯烴添加比例為3%時(shí)可以獲得最佳PD值，但對(duì)于PB的影響一般；硫化植物油對(duì)于PB和PD的影響一般；聚合酯潤(rùn)滑劑對(duì)PB和PD的影響均最低。通過(guò)價(jià)格比較可知，硫化烯烴及硫化甲酯價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，在滿足產(chǎn)品性能要求的前提下，產(chǎn)品具有很好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此分別選擇硫化烯烴及硫化甲酯作為M10B/M10A配方的優(yōu)選極壓抗磨劑。

1.3 防銹劑

磺酸鋇是目前應(yīng)用最廣泛的防銹劑，具有優(yōu)良的熱安定性和抗潮濕、抗鹽霧性能，人汗置換和水膜置換性能也較好，適用于多種金屬的防銹。水分、汗液是引起工序間銹蝕的主要原因[7]，因此選擇3種不同牌號(hào)的磺酸鋇類(lèi)防銹劑進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)(表5)，其中實(shí)驗(yàn)溫度為(49±1)℃，相對(duì)濕度大于95%，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為45號(hào)鋼片。由表5可知，3種防銹劑對(duì)鋼的防銹效果相近，加入3.0%的防銹劑即可取得較好的效果，實(shí)驗(yàn)5 d無(wú)銹蝕。

表5 防銹劑性能篩選

磺酸鋇類(lèi)防銹劑與其他防銹劑復(fù)合使用可進(jìn)一步提高油品的水置換、人汗置換性能及抗?jié)駸嵝?，可置換金屬表面沾附的水分和汗液，防止人汗造成銹蝕，同時(shí)，其吸附于金屬表面并生成牢固的保護(hù)膜，可防止外來(lái)腐蝕介質(zhì)的侵入。此類(lèi)防銹劑主要包括高碳醇、環(huán)己胺、N-油酰肌氨酸、十二烯基丁二酸(T746)、羧基苯硬酯酸、油酸等[8]。此次研究通過(guò)考察3號(hào)磺酸鋇類(lèi)防銹劑及T746復(fù)配效果及用量[9]確定切削油配方(表6)。由表6可知，3.0%的3號(hào)防銹劑與0.3%十二烯基丁二酸(T746)防銹劑復(fù)配，油品抗潮濕性能有較大提高，濕熱實(shí)驗(yàn)10 d未見(jiàn)銹蝕，脫水速度明顯提高。

表6 復(fù)合防銹劑的防銹效果

1.4 金屬減活劑

噻二唑衍生物類(lèi)金屬減活劑T571是傳統(tǒng)噻二唑衍生物T561的升級(jí)替代產(chǎn)品，硫含量可達(dá)31%以上。T571是以噻二唑、長(zhǎng)分子鏈烷硫醇等為原料在大分子主鏈中引入S、N等具有抗磨活性的雜原子，經(jīng)復(fù)雜氧化偶聯(lián)反應(yīng)制得的黃褐色透明液體[10]。該產(chǎn)品油溶性極好，具有極壓抗磨性、抗氧性、抗腐性及降低金屬活性的能力，與T561相比抗氧化性更佳。T571廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油、齒輪油及金屬切削液中。在潤(rùn)滑油中，T571作為極壓抗磨劑，能顯著抑制潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中產(chǎn)生的硫化物的腐蝕性，是極佳的抗氧化劑[11]。其特點(diǎn)是低劑量、高性能，在油品中使用與有色金屬表面作用形成保護(hù)膜，有效地防止添加劑中活性硫和氧化作用產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對(duì)金屬引起的腐蝕，同時(shí)，也抑制了金屬及金屬離子對(duì)油品的催化氧化作用，避免使其喪失活性質(zhì)點(diǎn)[12]。由于設(shè)備對(duì)潤(rùn)滑劑有一定負(fù)荷的要求。為適應(yīng)工況，該類(lèi)潤(rùn)滑劑必須使用活性硫，而活性硫可能與金屬表面發(fā)生不良反應(yīng)。硫化甲酯中硫的含量為17%，在較高的溫度下易轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚粤颍瑢?duì)設(shè)備形成腐蝕。此時(shí)加入一定金屬減活劑將起到保護(hù)作用。開(kāi)展銅片腐蝕性能實(shí)驗(yàn)，分析T571添加量分別為0%、0.2%、0.3%時(shí)銅片腐蝕結(jié)果(表7)。由圖7可知，T571添加量為0.3%時(shí)抗銅腐能力最佳。

表7 硫化甲酯切削油銅片抗腐蝕性能評(píng)價(jià)

硫化烯烴型為硫烯型極壓劑，含硫量為37%，較高的溫度下會(huì)快速、大量地轉(zhuǎn)化成活性硫。硫化異丁烯之所以性能優(yōu)異，與其合理的硫鍵結(jié)構(gòu)密不可分，但抗銅腐表現(xiàn)欠佳。因此，測(cè)試極壓抗磨劑為硫化烯烴型時(shí)不同T571添加量對(duì)銅腐的改善性能，結(jié)果如表8所示。由表8可知，添加量為0.4%時(shí)對(duì)銅腐改善性能最佳，達(dá)到1a級(jí)別。

表8 硫化烯烴型切削油銅片抗腐蝕性能評(píng)價(jià)

2 切削油配方組成及評(píng)價(jià)

2.1 M10A

該型號(hào)的切削油適用于鋼、銅、鋁、鎂等金屬中負(fù)荷加工，尤其是在進(jìn)口機(jī)床高速工藝中作為潤(rùn)滑介質(zhì)，油品具有優(yōu)良的潤(rùn)滑、冷卻性能及低油霧性。該配方擬通過(guò)加入一定劑量的極壓劑來(lái)改善基礎(chǔ)油的負(fù)荷級(jí)別，其具體配方比例如表9 所示。

表9 切削油M10A配方

油品在長(zhǎng)期儲(chǔ)存或高溫使用工況下，表現(xiàn)為酸值增高，黏度增大，生成含氧化合物，如醇、醛、酸、酯、羥基酸等，各種有機(jī)酸類(lèi)產(chǎn)物還會(huì)造成金屬的腐蝕。因此，配方中加入少許劑量的T501酚類(lèi)抗氧劑可以改善產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性及高溫使用工況油品的可循環(huán)性，提高油品的使用經(jīng)濟(jì)性[13-14]。M10A切削油的理化性質(zhì)見(jiàn)表10。

表10 切削油M10A基本理化性質(zhì)

2.2 M10B

該型號(hào)的切削油適用于金屬的拉削、絞削、攻牙、齒輪加工等多種工藝的加工潤(rùn)滑，也適用于不銹鋼等難加工材料的重負(fù)荷加工潤(rùn)滑，尤其是在深孔鉆鏜床中作為潤(rùn)滑介質(zhì)。油品應(yīng)具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，能提高加工面的光潔度，延長(zhǎng)刀具使用壽命；抗油霧能力強(qiáng)，利于環(huán)境改善。其配方見(jiàn)表11，理化性質(zhì)見(jiàn)表12。

表11 切削油M10B配方

表12 切削油M10B基本理化性質(zhì)

在相同硫含量條件下，硫化烯烴型產(chǎn)品往往具有較好的極壓性能和較差的溶解性。該配方與基礎(chǔ)油相容性較差，經(jīng)過(guò)配方改善添加3%肪酸雙脂可以改善溶解性不佳的現(xiàn)象(圖1)。圖中，從左到右分別為添加0%、1%、2%、3%脂肪酸雙酯的切削油，由圖可知，添加量為3%時(shí)，油品澄清透明，透光性好。

圖1 添加不同含量脂肪酸雙酯的切削油

硫鍵的結(jié)構(gòu)對(duì)極壓劑的性能起到重要的作用。硫的存在方式主要有C-S和S-S鍵2種，其中：S-S鍵的鍵能較小，較為活潑，有利于金屬硫化物的快速生成，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致有效組分消耗過(guò)快，產(chǎn)品腐蝕性大，含活性硫較多的組分往往用在金屬加工油中；C-S鍵較為穩(wěn)定，在較高溫度和摩擦下S才會(huì)被釋放，更加適用于長(zhǎng)期處于較高負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械的潤(rùn)滑。制備性能較好的齒輪油極壓劑，要求在保證硫含量的基礎(chǔ)上，將盡可能多的硫元素放在C-S鍵中而非S-S鍵中。硫化異丁烯之所以性能優(yōu)異，與其合理的硫鍵結(jié)構(gòu)密不可分。

3 結(jié)論

(1)開(kāi)發(fā)出了2款切削油，可應(yīng)用于金屬切削、磨削、沖壓、拉拔等金屬加工過(guò)程中，具備良好的潤(rùn)滑性能、冷卻性能、防銹性能等特點(diǎn)，對(duì)節(jié)能環(huán)保具有一定的意義。

(2)依托自產(chǎn)基礎(chǔ)油優(yōu)勢(shì)以及先進(jìn)的105t/a調(diào)油裝置，可以開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)要求的切削油，產(chǎn)品具備一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。