行业应用 / 2014/8/22
金属加工中的防锈、防蚀、润滑是机加工行业长期探讨的问题。一般使用的切削液有油液型、乳化液型、水溶液型。近年来,由于水基切削液在冷却性、清洗性、防锈性、加工可视性和抗菌性方面具有显著的特点而得以越来越广泛的应用,并有逐步取代油基润滑剂的趋势。 金属加工对切削液的主要性能要求可以归纳为4个方面:冷却、润滑、防锈、清洗。同时要求产品具有工艺简单、性能稳定、价格低廉等特点。由于水溶性切削液中95%以上的成分是比热较大且流动性好的水,所以具有良好的冷却性能。配方中的组分选择主要考虑以下几个方面。 1、润滑添加剂 切削液的润滑性能对于保证刀具、工模具使用寿命以及工件加工表面质量十分关键。一般认为乳化油较之不含油的水溶性切削液润滑效果好,是由于乳化油中的油性基团物理吸附于摩擦副表面形成润滑膜。但有关研究表明,乳化油中起主要润滑作用的是带极性基团的表面活性剂,它能在金属表面形成比较牢固的吸附膜,从而起到良好的润滑作用。有机钼化合物MoDTP即[(RO)2P(S)S]2MO2OXSY,是一种优良的油溶性润滑添加剂,不能直接在水基切削液中添加使用。如果用本身即为润滑添加剂的油酸二乙醇酰胺对MoDTP进行改性,引入水溶性基团,使其具有表面活性,容易在金属表面吸附形成润滑膜,大大改善形成产物的润滑性能,可直接用做水溶性润滑添加剂使用。具体配置如下:称取油酸28.2g,在惰性气体保护下加热至110℃时加入二乙醇胺6.3g搅拌,在150℃时反应3～4h,然后降温至80℃,再加入二乙醇胺6.3g和氢氧化钾0.1g,继续反应2h,得到淡黄色粘稠状液体油酸二乙醇酰胺;然后,加入少量催化剂,五硫化二磷5.6g,在90℃时反应2h,得到硫磷化油酸酰胺;称取钼酸铵[(NH4)6Mo7O24·4H2O]3.0g,溶解在30ml水中,用浓盐酸调节pH值到2.53.0之间,把此溶液加入上述硫磷化油酸酰胺中,在90℃下反应一段时间,得到蓝色膏状物,即为油酸酰胺的粗产物,不需提纯可直接作为润滑添加剂使用。使用证明:硫磷化油酸酰胺的润滑性能比油酸二乙醇酰胺有了大幅度提高,而钼化后的油酸酰胺润滑性能又有很大提高。有机钼MoDTP系列物质结构复杂,最终得到的产物难以提纯,考虑到用作润滑添加剂,直接使用更为方便。由实验可知,在油酸二乙醇酰胺中引入P、S元素后可大大改善极压润滑效果,再引入Mo元素性能得到进一步提高。分析认为,可能在极压情况下,摩擦副表面生成了润滑性能很好的MoS2膜。有机钼MoDTP系列物质具有润滑性能好,使用浓度低(1%),对人体无害等优点,是一种很有前途的优良水基切削液的润滑添加剂。 2、防锈添加剂 亚硝酸钠价廉易得,在碱性条件下对黑色金属有较强的缓蚀能力,对提高磨削性能也有帮助,是目前使用最广的缓蚀添加剂。但亚硝酸有毒性,而且能和有机胺生成强致癌物质亚硝基胺。近年来人们越来越认识到亚硝酸钠的危害,为了对使用者的健康负责和环境保护的需要,有必要选用更加安全无害的添加剂。钼酸钠具有良好的缓蚀防锈能力,使用浓度低(0.8%)可以弥补其价格较高的缺点。钼虽为重金属,但实验证明钼酸盐为低毒无公害物质,因此从1975年起,美国环保协会(EPA)已将钼酸盐从可疑毒物目录中除去。美国公共卫生公报No.293指出,钼具有低毒性。这些都为钼酸盐应用于防锈缓蚀领域提供了可能性。钼酸钠在溶氧充足的中、碱性水中,能在钢铁表面生成络合钝化膜,具有很好的防腐蚀和防锈蚀能力。钼酸钠还有抑制孔蚀的独特性能,溶解的钼酸钠能聚集于蚀孔内,减少浸蚀性氯离子在蚀孔内的聚集,从而使蚀孔重新钝化。据报道,络合钝化膜和氧化钝化膜的磨削性能不同,它具有一定的润滑性能,磨削的金属表面相对光洁。硼砂是一种pH值(8.09.5)缓冲剂,对铁有较显著的缓蚀能力,主要以吸附型膜附着在铁的活性质点上覆盖阳极表面,阻滞阳极电化过程从而达到防锈效果。 硅酸钠对pH值敏感性低,可在较大的pH值范围中在金属表面形成较坚硬的保护膜,当膜厚在(2～4)×10-8时,对黑色金属和有色金属都有良好的缓蚀作用。苯并三氮唑能和铜起络合作用形成稳定的络合保护膜,是铜和铜合金的特效缓蚀剂。对铝也有很好的缓蚀作用。经过实验,采用硼砂、硅酸钠、钼酸钠复合使用,同时添加200×10-6苯并三氮唑,能够在满足黑色金属防锈要求的同时,兼顾对有色金属的缓蚀保护作用。按照GB6144-1985进行的腐蚀性试验中,对铸铁和铝合金防腐蚀能力达到A级,紫铜达到B级。防锈性试验中,单片防锈性达到A级,叠片防锈性试验同样达到要求。 3其他添加剂 切削液的清洗作用是通过降低切屑和液体之间的表面张力,在浸润、渗透作用下将切屑从刀具和工件表面分离开来,随切削液带走,并通过渗透、助沉作用将切屑沉降下来。因此切削液中的表面活性物质的浸润、渗透、分散等综合作用是清洗作用的基础。然而,表面活性剂用量过多,又会使泡沫增多,影响切削加工的可视性,过量泡沫甚至会影响正常使用。因此,一般在满足浸润渗透性能的情况下,配方中尽量减少表面活性剂的用量并配以少量消泡剂。本配方的切削液按照GB6144-85进行了消泡性能试验,结果符合要求。此外,本品用做磨削液时可以考虑加入少量助沉剂。 4切削液在配制和使用中的其他几个问题 切削液pH值是一个不容忽视的指标,因为pH值会对组分的稳定性和金属防腐蚀性能有直接影响。据资料介绍,在有氧条件下,pH值为10时,腐蚀明显减轻,在天然水或纯水中,pH值为10.5时,腐蚀基本停止。pH值的变化会影响金属膜的溶解和形成,因而影响金属的腐蚀速度。建议配制的切削液的pH值控制在89.5。为进一步降低成本较高的钼酸钠的使用量,可用50%的葡萄糖酸钠配合使用。葡萄糖酸钠对钼酸钠的防锈性能有协同效应,配合使用能大大增加钼酸钠所生成的络合钝化膜的致密程度,可以降低钼酸钠的用量,使配方成本得以降低。葡萄糖酸钠廉价、易得、无毒,是配方中很好的辅助防锈剂。由于水溶性切削液不含油性物质,因此切削液的变臭问题较之乳化液轻。引起切削液变臭的主要原因是厌氧性细菌,经常使用设备,使切削液经常循环,增加切削液中的溶氧量可以有效延长切削液使用寿命。在夏季高温时,可视情况加入一定比例的防腐剂,如苯甲酸钠,以提高防腐性能,延长使用寿命。 5、结束语 由于水溶性无油切削液具有的良好冷却性能和成本低、易配制、使用方便等特点,完全可以取代油液型和乳化液型切削液而得到广泛的使用。在配方中充分考虑环保等因素后,进一步降低成本,将会使其具有更加良好的推广前景。
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