江 存，張俠婷，何彥波

(德旭新材料(廣州)股份有限公司，廣東 廣州 510520)

水基金屬切削液是一種用在金屬切、削、磨過程中，用來冷卻、潤滑刀具和加工件的工業(yè)用液體，主要起潤滑、冷卻、防銹和清洗等作用。水基金屬切削液分為全合成切削液、半合成切削液和乳化液三個(gè)類型[1]。乳化液和半合成切削液的主要組份為水、礦物油和乳化劑，其特點(diǎn)是潤滑性較好，但清洗性差、穩(wěn)定性低、加工易產(chǎn)生油霧、使用周期短、易發(fā)霉發(fā)臭，其使用有逐漸減少的趨勢(shì)。全合成切削液由水溶性添加劑和水構(gòu)成，其特點(diǎn)是完全不含油，在性能上具有良好的潤滑性、冷卻性、清洗性、穩(wěn)定性，使用周期長，它是國內(nèi)外水基切削液發(fā)展的主流[2]。

我國當(dāng)前市場(chǎng)上的全合成切削液大多性能較單一，可滿足一般的金屬切削加工，但針對(duì)銑、削等特殊的加工方式，為了保證加工的順利高效進(jìn)行，減少損耗，切削液除具備一定的防銹性外，還需具備優(yōu)秀的潤滑性和清洗性。為滿足機(jī)械加工業(yè)的快速發(fā)展要求，我們需提高切削液性能?；诖?，我們通過篩選防銹劑、緩蝕劑、潤滑劑、殺菌劑、消泡劑等，得到了一種環(huán)保型多功能全合成金屬切削液。該全合成切削液具有優(yōu)秀的防銹性、緩蝕性和潤滑性，可應(yīng)用于黑色金屬和銅、鋁等有色金屬材料在不同加工形式下的成型加工。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

三乙醇胺硼酸酯、防銹劑DX309、多功能緩蝕劑DX5810、潤滑劑DX529、油酸二乙醇酰胺、表面活性劑，德旭新材料(廣州)股份有限公司；消泡劑，畢克化學(xué)；三乙醇胺，美國陶氏化學(xué)；苯駢三氮唑、三元酸、二元酸、殺菌劑、軟水劑，市售；去離子水，自制。

1.2 儀器設(shè)備

TTTsystem G8攻絲扭矩機(jī)，德國Microtap；DHG-9030A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海索普儀器有限公司。

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 防銹性能測(cè)試

取濾紙放入培養(yǎng)皿內(nèi)，稱取GG25鑄鐵屑(2±0.1)g，散布于濾紙上，用滴管移取待測(cè)液3 mL，使所有的鑄鐵屑潤濕，蓋上培養(yǎng)皿，18～28 ℃自然放置2 h，用自來水沖掉濾紙上的鑄鐵屑，室溫(18～28 ℃)自然干燥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)濾紙上銹斑的多少按0～4級(jí)評(píng)定。0級(jí)為最優(yōu)等級(jí)，表示鑄鐵屑無銹蝕。

1.3.2 緩蝕性能測(cè)試

參照GB/T6144-2010合成切削液。腐蝕性實(shí)驗(yàn)中，紫銅(符合GB/T 5213)、LY12鋁(符合GB/T 3190)試片尺寸均為25 mm×50 mm×2 mm，將打磨平整并用酒精清洗干凈的試片放入到工作液中，然后置于55 ℃的烘箱中，8 h后觀察試片的腐蝕情況。A級(jí)為最優(yōu)等級(jí)，代表試片光亮如新，無腐蝕。

1.3.3 潤滑性能測(cè)試

使用microtap攻絲扭矩機(jī)測(cè)試攻絲扭矩值，平均攻絲扭矩值越低，代表潤滑性越好。

1.4 多功能型全合成金屬切削液的制備

根據(jù)添加劑的防銹性能、緩蝕性能和潤滑性能等優(yōu)選出添加劑進(jìn)行復(fù)配，采用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化全合成切削液配方。常溫下，將各組分混合攪拌均勻即可得到一款多功能型全合成金屬切削液的濃縮液，使用時(shí)按一定比例稀釋。

表1 多功能全合成金屬切削液濃縮液配方Table 1 Multifunctional fully synthetic metal cutting fluid concentrate formula

2 結(jié)果與討論

2.1 防腐蝕劑的選擇

金屬工件極易受到周圍環(huán)境中的水分、酸性或堿性物質(zhì)、顆粒雜質(zhì)、氧氣等介質(zhì)的影響，使工件產(chǎn)生腐蝕，影響工件最終的質(zhì)量和性能。全合成切削液以水為基體，含水量大，更易使機(jī)床、刀具及加工件等產(chǎn)生腐蝕[3]。在切削液中加入黑色金屬防銹劑和有色金屬緩蝕劑，使切削液在加工過程中，可在金屬表面形成致密的保護(hù)膜，隔絕腐蝕介質(zhì)與加工工件表面的直接接觸，防止金屬腐蝕，并且對(duì)刀具的保護(hù)和機(jī)床的保養(yǎng)也都起到了積極的作用。防腐蝕劑性能的優(yōu)劣、配比及添加量的高低對(duì)體系性能有重要的影響。添加量過低，則會(huì)導(dǎo)致體系防腐蝕性能不足；添加量過高則會(huì)引起體系潤滑的不足和化學(xué)原料的浪費(fèi)。大量的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)研究表明[4-5]，硼酸酯類、三元酸類和酰胺類在金屬防腐蝕領(lǐng)域中具有較好的效果和廣泛的應(yīng)用。我們初步篩選出七種常用的水性金屬防腐蝕添加劑進(jìn)行防銹、緩蝕和潤滑性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。綜合成本、性能等因素，我們后續(xù)試驗(yàn)選用三乙醇胺硼酸酯、DX309、DX5810、苯駢三氮唑作為全合成切削液體系的金屬防腐蝕劑。通過正交實(shí)驗(yàn)確定全合成切削液體系金屬防腐蝕劑的組成為三乙醇胺硼酸酯10%、DX309 6%、DX5810 5%、苯并三氮唑0.5%。

表2 金屬防腐蝕劑的防銹性、緩蝕性和潤滑性Table 2 Rust prevention，corrosion inhibition and lubricity of metal corrosion inhibitors

2.2 潤滑劑的選擇

金屬機(jī)加工過程中，刀具與金屬表面切削時(shí)產(chǎn)生的摩擦力是影響加工質(zhì)量的一大因素。切削液中添加不同類型極壓潤滑劑可達(dá)到不同的潤滑極壓性能。傳統(tǒng)的酯類極壓潤滑劑一般含有硫、磷、氯等對(duì)環(huán)境有害的活性元素，不符合環(huán)保的要求。動(dòng)植物油類的潤滑性能良好，但氧化安定性以及低溫流動(dòng)性能較差，使用后易在機(jī)床表面留下不易清洗的斑跡。合成脂肪酸酯類具有優(yōu)異的潤滑性能，且氧化安定性能好[6]。我們選用德旭新材料(廣州)股份有限公司生產(chǎn)的無泡潤滑劑DX529作為主潤滑劑。將DX529添加到金屬防腐蝕劑組合物中，測(cè)試了不同添加量情況下的平均攻絲扭矩值，如表3所示，平均攻絲扭矩值隨DX529添加量的增加而降低。當(dāng)DX529添加量為5%時(shí)，平均攻絲扭矩值較低，繼續(xù)添加DX529，平均攻絲扭矩值無明顯降低，故優(yōu)選潤滑劑DX529的添加量為5%。此外，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，DX529的加入對(duì)防銹性和緩蝕性也有一定的提升，可在更低濃度條件下實(shí)現(xiàn)防銹0級(jí)和緩蝕A級(jí)。

表3 平均攻絲扭矩值Table 3 Average tapping torque value

2.3 其它添加劑的選擇

細(xì)菌的滋生和繁殖會(huì)導(dǎo)致切削液性能和使用壽命的下降，需添加殺菌劑和抗菌劑，我們選用MBM和BIT復(fù)合劑。在加工過程中產(chǎn)生的金屬切屑、磨屑需及時(shí)地排出沖洗掉，防止其停留在切削區(qū)或者粘附在刀具上，影響加工。切削液的清洗作用可以有效消除這些雜屑在加工過程中產(chǎn)生的負(fù)面影響。配方中加入表面活性劑作為清洗助劑，其中表面活性劑還具有增容、調(diào)整切削液外觀和促進(jìn)防銹劑、緩蝕劑在金屬表面的吸附以提高防腐蝕作用。同時(shí)加入三乙醇胺，起到增溶、pH調(diào)整、耦合、防銹等多重作用。全合成切削液中使用的輔助添加劑還有耦合劑、消泡劑、乳化劑等，如何應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。

2.4 全合成金屬切削液性能

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)功能性添加劑的篩選結(jié)果，我們制備出了金屬加工用全合成切削液。其主要性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 全合成金屬切削液的性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Performance test results of fully synthetic metal cutting fluids

3 結(jié) 論

本文使用環(huán)保型原材料，通過正交實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出一種具有良好防銹、緩蝕和潤滑性的多功能全合成金屬切削液，可適用于鋁材、銅材、黑色金屬的加工。此款切削液性能優(yōu)、通用性強(qiáng)，綠色環(huán)保、不易腐敗、廢液易處理，該產(chǎn)品經(jīng)客戶現(xiàn)場(chǎng)使用，針對(duì)不同類型的加工均具有良好的效果，完全滿足實(shí)際成產(chǎn)使用要求。