金屬加工液
金屬及其合金在切削、成形、處理和保護(hù)等過程忠使用的工藝潤滑油統(tǒng)稱為金屬加工液,又名
切削液。在金屬加工過程中,為了降低切削時(shí)的切削力,及時(shí)帶走切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量以降低切削溫度,提高刀具耐用度,從而提高生產(chǎn)效率,改善工件表面粗糙度,保證工件加工精度,達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果,通常使用金屬加工液。
金屬加工液在金屬加工過程中具有潤滑、冷卻、清洗、防銹等作用;其中核心作用是:一方面通過冷卻作用降低加工過程中的變形熱,另一方面通過潤滑作用來減少金屬加工過程中的磨擦熱,從而來提高金屬加工質(zhì)量,延長刀具的使用壽命等。
1、冷卻性能:冷卻作用是通過乳化液和因切削而發(fā)熱的刀具、切屑和工件間的對流和汽化作用把切屑熱從固體(刀具、工件)處帶走,從而有效地降低切削溫度,減少工件和刀具的熱變形,保持刀具硬度提高加工精度和刀具耐用度。
2、潤滑性能:潤滑作用就是其減少前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的摩擦形成部分潤滑膜的作用,以防止刀具與切屑或工件間的粘著,所以良好的潤滑可以減少功能消耗、刀具磨損和良好的表面光潔度。
3、清洗性能:在金屬加工過程中,切屑、鐵粉、磨屑、油污、沙粒等常常粘附在工件、刀具或砂輪表面及縫隙中,同時(shí)沾污機(jī)床和工件,不易清洗,使刀具或砂輪切屑刃口變鈍,影響切削效果。所以要求乳化液有良好的清洗作用。乳化液的清洗性能就是指乳化液防止這些細(xì)顆粒粘結(jié)和利用液流的機(jī)械沖洗作用將其沖走的能力。
4、防銹性能:在金屬加工過程中,工件要與環(huán)境介質(zhì)如水、氧、硫、二氧化硫、二氧化碳、硫化氫、氯離子、游離酸堿和乳化液分解或氧化變質(zhì)所產(chǎn)生的油泥等腐蝕性介質(zhì)接觸而受到腐蝕,機(jī)床部件與乳化液接觸的部分會(huì)產(chǎn)生腐蝕。因此要求乳化液有一定的防銹能力。
金屬加工液除了應(yīng)具有良好的冷卻性、潤滑性、清洗性、防銹性外,還應(yīng)具有防腐蝕性、抗菌性、防垢性、抗泡性、熱穩(wěn)定性、無毒、無害、無刺激性氣味、不污染環(huán)境、使用方便等條件。
金屬加工液可分為純油性
切削液和水溶性
切削液兩種。金屬加工液應(yīng)具有如下作用:
1、 改善加工表面,提高表面光潔度;
2、 提高加工件尺寸的精密度;
3、 延長切削工具的壽命;
4、 隨時(shí)排除切削屑末,洗凈加工面;
5、 防止加工件腐蝕或生銹;
6、 提高切削加工效率;
7、 隨時(shí)冷卻加工件表面和加工刀具。
因而要求金屬加工液必須具備如下性能:
⑴ 要求有良好的邊界潤滑性能,而需由極好的極壓性;
⑵ 防止切削刀具和加工金屬表面熔接的性能;
⑶ 良好的熱傳導(dǎo)性能和耐熱性能;
⑷ 良好的防腐蝕性能和防銹性能;
除此之外,對于純油性
切削液還要求具有:
①在一定的長的時(shí)間內(nèi)不腐蝕金屬,不氧化變質(zhì),不變色;
②使用中不產(chǎn)生煙霧,不變質(zhì),不發(fā)臭并無不良?xì)馕叮?br />
③抗膠質(zhì),抗結(jié)焦積碳,并不發(fā)生沉淀物;
④對加工部件不發(fā)生不良作用等。
對于水溶性
切削液還要求:
① 在硬水條件下,不得分層或分離,如用300~700ppm的硬水或冷水時(shí),都應(yīng)能很好地乳化;
②良好的抗腐敗性,抗細(xì)菌性,并不發(fā)生臭味;
③良好的抗泡沫性;
④和切削的迅速分離性;
⑤不沉積在加工工具上,也不得侵蝕工具等。
如何選擇好的添加劑,并能保證金屬加工液所應(yīng)具有的性能是加工液生產(chǎn)廠商的核心
純油性
切削液主要由基礎(chǔ)油、加工性能添加劑、性能增強(qiáng)劑等組成,純油性
切削液具有良好的潤滑性能,適合對潤滑性要求高,重負(fù)荷、低速大進(jìn)給的切削,切削余量高的加工,表面精度要求高,水對刀具或零件有不良影響的場合以及難加工材料等。其中加工性能添加劑目前普遍使用的如:酯類(醚類)、氯、磷、硫、固體類添加劑為主,性能增強(qiáng)劑包括:抗氧劑、抗油霧劑、防銹/防蝕劑、抗泡劑、著色劑/顏料、香味劑等。
油性油選擇原則:
1、黏度:
由于不同的加工應(yīng)用需要不同的黏度,以滿足不同的冷卻、潤滑要求,所以純油性
切削液在生產(chǎn)過程中,黏度的選擇優(yōu)為重要,可根據(jù)不同的加工工藝生產(chǎn)出與之相適合的油性
切削液,以滿足不同的金屬加工要求。以下列舉了幾種金屬加工工藝所需的黏度范圍:
▲ 珩磨:
▲ 深孔鉆:
▲ 拉削(立式):
▲ 切削:
▲ 齒輪加工:
2、 加工特性:
油基
切削液的潤滑性能好,冷卻性能較差,水基
切削液則相反,但其成本低,操作環(huán)境安全、干凈,沒有油霧和著火的危險(xiǎn);近年來微乳化型
切削液發(fā)展很快,隨著高性能水基
切削液新產(chǎn)品的不斷開發(fā),其使用范圍逐漸擴(kuò)大,開始出現(xiàn)油基向水基過渡的趨勢,可以預(yù)料它將是未來
切削液的主導(dǎo)品種。
乳化劑
水基
切削液包括乳化
切削液、微乳化
切削液和合成
切削液,大都主要用在高速切削上。水基
切削液主要由:礦物油、乳化劑、助溶劑、防銹劑、抗磨添加劑、極壓添加劑、消泡劑、防腐殺菌劑、水等組成。
其中礦物油一般選擇環(huán)烷基基礎(chǔ)油,此類礦物油具有易乳化,與添加劑兼容性好,像回收環(huán)烷基變壓器油,黏度在10CST左右;此外,也有用重烷基苯類或合成油。重點(diǎn)考慮的是作為分散體或助溶劑使用,潤滑作用在其次。
水性油乳化劑目前國內(nèi)外
切削液生產(chǎn)廠商普遍使用的主要有以下幾種:
1. 烷基酚聚氧乙烯醚:如NP、OP系列
2. 脂肪醇聚氧乙烯醚:如MOA、FAE系列
3. 山梨糖醇聚氧乙烯醚;如:SPAN,TWEEN系列
4. 脂肪酸酰胺,脂肪酸鹽:如T704、妥爾油鹽、蓖麻油鹽系列
5. 磺酸鹽:如T701、T702,土耳其紅油系列
乳化劑屬于表面活性劑類物質(zhì),但并非表面活性劑就可以用于
切削液中作為乳化劑使用,只有那些對乳化液體系起著有效的穩(wěn)定作用、同時(shí)又不影響乳化體系其它組分的表面活性劑,才適合作
切削液生產(chǎn)的乳化劑。
水基
切削液的組成之一 ——表面活性劑(即乳化劑),能降低
切削液界面張力,使其擴(kuò)散、滲透能力強(qiáng),提高
切削液潤滑防銹能力。如何選擇合適的表面活性劑是研制工作的關(guān)鍵之一。表面活性劑分子具有雙親結(jié)構(gòu),一端親油,一端親水。不同類型的表面活性劑主要區(qū)別是其極性基團(tuán),分別有陽離子型,陰離子型,兩性型與非離子型。選擇單一的表面活性劑要注意它們的協(xié)同效應(yīng)以及其它添加劑的互溶性、經(jīng)濟(jì)性和低泡性。陰離子表面活性劑價(jià)廉,易制,它的極性基團(tuán)帶負(fù)電,易與切削過程中的金屬表面形成吸附膜,是一種良好的油性劑,能起潤滑、防銹作用。非離子表面活性劑不怕硬水,耐酸堿,具有清洗能力,且穩(wěn)定。兩者以一定比例復(fù)配可增強(qiáng)效應(yīng),表面活性劑如何選擇方法之一 ——HLB值法。
通常在選擇好表面活性劑后,通過HLB值確定各種表面活性劑的配比后,按此調(diào)成的
切削液往往還是有點(diǎn)混濁或放置一段時(shí)間后分層或變混濁等,此時(shí)一般在金屬加工液中往往需要添加一些長鏈脂肪醇、醚類等助乳化劑,通過助乳化劑來調(diào)節(jié)
切削液的HLB值,使
切削液的HLB值達(dá)到最佳值,一方面可以提高表面活性劑的乳化性能,另一方面可以提高金屬加工液的穩(wěn)定性,長時(shí)間放置不會(huì)分層變混濁等。具體應(yīng)用如:當(dāng)有一個(gè)
切削液基本配方時(shí),由于要適合不同的金屬加工要求,可能要額外添加一些潤滑劑、極壓劑或抗磨劑等功能性添加劑,當(dāng)額外添加功能性添加劑時(shí),往往會(huì)改變金屬加工液原有的HLB值,使得改進(jìn)的金屬加工液出現(xiàn)分層或混濁,這時(shí)就需添加醇醚等功能性添加劑,使HLB值重新達(dá)到最佳值而呈現(xiàn)透明液體,具體添加量需要在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)調(diào)試,綜合考慮其添加量。若不加調(diào)整直接使用,會(huì)使金屬加工液各組分無法充分發(fā)揮原有的功能,嚴(yán)重影響金屬加工液的性能。因此,醇醚等功能性添加劑在金屬加工液研發(fā)中的地位尤其重要,被廣泛用于原有配方的改進(jìn)和新配方的研發(fā)等。
水性油助溶劑主要有:
①醇胺類,如:MEA,TEA,IPA,MORPHILINE,苯醇胺等;
②醇類:長鏈脂肪醇,尤其帶支鏈的醇,抗氧化,凝固點(diǎn)低,無腐蝕;
③醇醚類:此類物質(zhì)具有高沸點(diǎn),如聚醚等。
水性油抗磨/油性劑使用較多的有:二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)、天然合成油脂、合成酯、脂肪酸酯等。
水性油防銹劑可以分為有機(jī)系列、無機(jī)系列、復(fù)合系列;其中有機(jī)系列入苯羧酸、磺酸、二元酸、氨基酸等,此類防銹劑防銹性能特別好,低毒,生物降解,不含金屬鹽,唯一的缺點(diǎn)是價(jià)格太高,但隨著亞硝酸鹽類防銹劑的禁用,此類防銹劑還是得到了廣泛應(yīng)用;無機(jī)系列主要有亞硝酸鹽、鉬酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等,此類產(chǎn)品便于運(yùn)輸,應(yīng)用已經(jīng)比較成熟了,但有毒或者價(jià)格高,兼容性差,后處理難等,逐進(jìn)被有機(jī)系列替代;而復(fù)合系列多為多元組分復(fù)合,所以此類產(chǎn)品種類繁多,且復(fù)雜。
由于水性油含有大量表面活性劑等有利于微生物繁殖的養(yǎng)分,給微生物繁殖提供了培育的溫床,微生物的繁殖會(huì)導(dǎo)致
切削液變質(zhì)發(fā)臭,有機(jī)成份的分解、導(dǎo)致PH值下降、腐蝕金屬等嚴(yán)重后果,為了防止
切削液變質(zhì)發(fā)臭,通常在金屬加工液生產(chǎn)過程中添加殺菌劑,以提高
切削液的使用壽命等。
殺菌劑
水性油殺菌劑主要有甲醛釋放型和有機(jī)合成型兩種:
甲醛釋放型具有價(jià)廉,殺菌譜廣,兼容性好,便于檢測,但其缺點(diǎn)是有毒,刺激,可能對工人皮膚過敏,對真菌效果差;
有機(jī)合成型具有殺菌譜廣,低毒,殺菌效率高,霉菌真菌都有效,缺點(diǎn)是價(jià)格高,兼容性差,刺激,可能過敏。其中殺細(xì)菌劑有三嗪類和磺酸鹽類殺菌劑,殺真菌劑有異噻唑啉酮類、三嗪氨基酸酯類、硼酸酯酰胺類等 。
消泡劑
由于水性
切削液在生產(chǎn)過程中使用了大量的表面活性劑等乳化劑,在使用過程中一般都有不同程度的泡沫產(chǎn)生,嚴(yán)重影響金屬加工的效率和加工件質(zhì)量,為了盡量減少金屬加工液使用中泡沫的產(chǎn)生,很多
切削液生產(chǎn)商都會(huì)在生產(chǎn)
切削液時(shí)加入不同類型的水性油消泡劑,消泡劑類型主要有:有機(jī)硅、聚醚、復(fù)合型和其它類型的消泡劑,有機(jī)硅具有消泡效果好,而廣泛被使用,但是溶液在
切削液中分層;聚醚類水溶性好,不易過濾掉;而使用復(fù)合型消泡劑主要考慮其在
切削液中起到抑泡性能;其它類型主要是一些鈣鹽、礦物油類的。
微乳化
切削液
一、 乳化
切削液也稱為皂化溶解油,是石油系油加入乳化劑,如環(huán)烷酸皂、磺化油、磺酸鈉、C14以上的飽和脂肪酸皂,石油酸皂、妥爾油酸皂等樹脂酸皂,氧化石油脂,以及C17~20的合成脂肪酸皂等表面活性劑,并加入結(jié)合劑,如各種醇類和醇胺類等乳化穩(wěn)定劑,再加入抗磨劑,抗擦傷劑,抗腐蝕劑,抗泡劑,抗氧化劑及抗腐敗劑和防菌劑等。并用少量的水調(diào)制成的母液,及時(shí)用15~40倍的水稀釋成乳白液使用。根據(jù)使用要求,可制成油包水或水包油型的兩種乳化液。這種水溶性乳化
切削液中含石油系油較多,潤滑性能較好。由于含大量的水而冷卻性也好,而且腐蝕性也比一般電解系的無機(jī)鹽型透明水溶液為小,常用在粗、中精度的切削或研磨加工上。
這種乳化切削油,必須根據(jù)PH值區(qū)分使用,一般PH值在8.5~10.5的適用于鋼、鐵材料的切削,6~8.5的適用于鋁、銅等非鐵金屬材料的加工上。其常用的典型組分,為由4~5%的表面活性劑(平均分子量350~525的石油磺酸鈉),和30~70%的石油潤滑油(50℃粘度10~30厘沲),及最多到20%的親和劑,最好是C1~20的醇或醇胺,和適量的電解質(zhì)(最好是無機(jī)鹽),以及15~66%的水組成。
二、微乳化液是礦物油溶于水后形成的,一般含礦物油5—35%,乳化劑含量與油性物含量比乳化液高出3—6倍,但其油的含量遠(yuǎn)低于乳化液中油的含量,因而能使油滴形成微粒的直徑很小。由于微乳化液特有的組成特點(diǎn),使得它兼有乳化液和合成液兩者的優(yōu)點(diǎn),潤滑、冷卻、清洗、防銹性能均較好,且其使用壽命比乳化液要長4~6倍。其中乳化
切削液屬于傳統(tǒng)產(chǎn)品,價(jià)格經(jīng)濟(jì),穩(wěn)定性差,壽命短,維護(hù)難,兌水后呈乳白色;微乳化
切削液具有多用途,應(yīng)用廣,綜合性能好,穩(wěn)定性較好,壽命長,兌水后呈半透明或透明狀;全合成
切削液主要用于冷卻要求高的場合,如磨削等,兌水后呈全透明狀,極壓性不夠。因此,發(fā)達(dá)國家已經(jīng)走過了從乳化液向合成液,再向微乳化液發(fā)展的過程,微乳化液得到了前所未有的發(fā)展和應(yīng)用。
微乳化
切削液是由水、油(有機(jī)溶劑)、表面活性劑和助表面活性劑等組成的透明或半透明的、各相同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系,具有粒子細(xì)小、大小均一、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。微乳化液常規(guī)制備方法有兩種:一種是把有機(jī)溶劑、水、乳化劑混合均勻,然后向該乳液中滴加醇醚等助乳化劑,在某一時(shí)刻體系會(huì)突然間變得透明,這樣就制得了乳化液,這種方法稱為schulman法;另一種是把有機(jī)溶劑、醇醚、乳化劑混合為乳化體系,向該乳化液中加入水,體系也會(huì)在瞬間變成透明,稱為shah法。乳化液的形成不需要外加功,主要依靠體系中各份的匹配,尋找這種匹配關(guān)系的主要辦法有PPT(相轉(zhuǎn)換溫度)、CER(粘附能比)、表面活性劑在油面相和界面相的分配、HLB值(親水——親油平衡值)和鹽度掃描等方法。目前應(yīng)用最多的是HLB值法和表面活性劑在油面相和界面相的分配。
微乳化
切削液是以中性或非離子型表面活性劑30—50%為主要成分,混入石油系油,再加防銹劑,極壓劑和防腐劑,充分分散而成的含有多量水分的膠體溶液。其表面張力極小,洗滌性能很強(qiáng),幾乎和水一樣透明的分散乳化液。使用時(shí)用水稀釋到30至100倍。一般用在精密研磨時(shí),需用80—100倍的水稀釋,切削時(shí)用20—50倍的水稀釋。