绿色制造用高性能水基全合成切削液研究.docx

o全国机械装备先进锅造技术c广州)高蟑论=l云iq hoq曲坶_印p州-dnm&-_-锄自p_*qhdn舯针口岫“n*_ 支集g 2。 rv “o”j一7、，u一：1r：町|1r” 17 i量第十一届粤港机械与电子工程技术应用研讨会i绿色制造用高性能水基全合成切削液研究戴恩期，李朝圣(广州机械科学研究院，广州510700)摘要：通过试验筛选出了对微生物稳定的润滑材料，如异构饱和脂肪酸、饱和醇酯、脂肪醇胺、pag。还采用了具有润滑、抑 泡作用的聚醚型非离子和阴离子表面活性剂复配，提高切削液的渗透性和冷却性，还选用了具有极压抗磨性和防锈性的硼酸醇 胺，以及铝缓蚀剂和消泡剂等。经过正交试验优化了配方。结果成功研制出了一种长寿命、环保、高性能的水基全合成切削 液，并进行了推广应用，实现了切削液的零排放以及制造业的绿色化。关键词：绿色制造；环保：长寿命；水基合成切削液一、概述 切削液实现切削液零排放。如美国嘉实多公司的 机械装备制造业作为国家的支柱产业之一，发展迅9930c系列产品、马斯特公司c270系列产品等。但是价 猛。而且对金属加工液的需求量愈来愈大。2009年，我 格较高还无法满足我国目前机械装备制造业的发展现 国制造业消耗金属加工油液约30一50万吨。根据柯莱思状。而国内，水基切削液与油基切削液实用性能差距还公司(klinecompany)的报告预计，中国金属加工液需 比较大，如油基切削液在刀具耐用度，工件尺寸精度、 求量每年还将约以15的速度增加。但大量金属加工废表面粗糙度和防锈防止机床油漆剥落，使用维护、管 液的排放，造成了el益严重的生态环境污染，并危害了理及废液处理等方面要优于水基切削液。而作为消耗量 人类健康，急需制造业的绿色化尤其是金属加工液的不断增加的水基切削液，包括水基全合成切削液、微乳 环保性。金属加工液主要是油基和水基两类，而水基金切削液、乳化切削液，它们又具有各自的性能特点，如 属加工液又分为微乳型、乳化型和全合成型。随着世界全合成切削液在储存与使用稳定性、冷却性、清洗性、 石油资源的紧张以及机械装备制造中苛刻的新加工工抗硬水性、抗菌性等方面由于乳化犁和微乳型切削液， 艺和新材料要求以及新型水溶性添加剂的不断开发但在润滑性、防锈性、对机床油漆侵蚀性、对操作者皮 使得水基金属加工液得以快速发展。至上世纪八十年肤损害，以及废液处理方面却处于劣势【1，8一l 1，17,2l】。 代，欧美口等工业国使用水基产品在金属加工液中已占总之，三种水基加工液各有优缺点，而水基全合成切削 了一半以上。目前。我国的水基金属加工液也基本占到液综合性能最好，但还存在一些缺陷需要改善这亦是 金属加工液总消耗量的一半，并且还呈增长趋势【l】。水基全合成切削液的开发已成为了国内外切削液生产厂随着水基金属加工液的普及产品废液的排放已成家和研究机构关注焦点的原因。为金属加工厂急待解决的问题，阻碍r制造业的绿色而到目前，国内仍鲜见自主开发的绿色制造用环保 化。据不完全统计，中国大陆地区仅机械制造业废切削 高性能水基全合成切削液的研究与实际应用。所以本文 液的el排量已达2亿多吨到目前为止，包括进口产品 的目标就是研制一种绿色制造用环保高性能水基全合成 在内，所有金属加工液的废液都未能达到国家规定的排 型切削液，可替代乳化液和微乳切削液，以及油基切削 放标准。由于国家非常重视环境保护，提出了清洁生 液，能满足多种材料及多种工艺加工要求，提高我国金 产，节能减排、低碳等，促使了当前金属加工液朝着环 属加工液的技术发展水平。保、节能、高效、通用的方向发展【7】。在国外，水基切二、性能要求 削液的诸多加工性能可以与油基切削液相媲美，并逐渐根据当前国内水基合成切削液存在的不足，并借鉴 代替油基的。特别是欧美发达工业国，早在上世纪中就国外同类先进产品的主要性能。要求开发的高性能水基 已经进行了金属加工油液更新换代。并研究出了满足加全合成切削液具有，长寿命性，要求在不加杀菌剂的工要求、环保、便于废液维护再生的高性能水基全合成情况下，切削液使用寿命达到一年以上；良好的防l全国机械装备先进制造技术f广州)高峰论坛91joh支集u一t-e _1、t u。 7t一l第十一届粤港机械与电子工程技术应用研讨会曼一im妇m曲啊圳“垆4怕ri&e-靠州5nh州h哺帕岫p4*8-_葺 一锈、防腐性，对黑色金属和有色金属均具有防锈和防腐解产生臭味，不受操作者欢迎。水溶性的氯化物稳定性 性能；良好的极压润滑性；优异的排油除污性； 也较差，会导致机床和工件生锈。由于硼酸醇胺和聚醚 优异的消泡性；良好的金属屑沉降性；优异的润湿 复合可以改善切削液的极压抗磨性，笔者选用了硼酸醇 性；环境友好性，不含亚硝酸盐、酚、氯及重金属等胺和聚醚复合作为极压抗磨剂。经过硼酸醇胺与不同聚 有害物质，符合绿色制造；多功能性，可用于铸铁、 醚的复合(见表2)可知硼酸醇胺与聚醚a的配伍性 碳钢、合金钢、铜、铝等多种金属的加工，满足机械制较好，pb、pd均有明显的提高，而且泡沫少。同时，硼 造厂的车、铣、钻、磨等多种加工工艺的要求；零排 酸醇胺还具有防锈、防腐功能。 放性即反复循环使用。通过补加新液，可长期反复使表2考察硼酸醇胺与聚醚的配伍性用，无需排放。三、高性能水基合成切削液的研制【1 0，1 4】档。曩目蕊o序号本文主要是研究水基合成切削液，主要成分就是水翻酸， 秘a- 疆13plnpd，n蕾雌-(可用自来水，最好用脱盐水)，并辅以一些关键的添l6如12 3加剂。对于高性能水基全合成切削液，其性能主要从以下26j3如14 2一些添加剂方面考虑：365430l伽 2a、解决切削液的长期稳定性和长寿命问题462j2j3501400 2传统的水基切削液一般用脂肪酸皂作润滑剂。脂肪酸皂抗硬水比较差，泡沫较多。大多数液态脂肪酸碘值在：张异杓删锄黢坝萌酲酯瓤k胁醇胂定焖昭肛比聚醚嗦量水：都较高带有大量的不饱和键，容易被氧化和被微生物铺h鼢5细咏鞭藉g溉侵蚀，影响切削液的使用寿命。笔者选用了pag、硬脂c、表面活性剂的选择酸皂、异构饱和脂肪酸等，把它们的8的水溶液在常温下放置60天(无加盖)观察它们的微生物稳定性。经冷却性和清洗性是水基合成切削液的重要指标，提 过60大后，pag、异构饱和脂肪酸、饱和醇酯类和脂肪高冷却性的关键是保证金属加工过程中切削液能快速渗 醇胺的生物和环境稳定好，具体见表1。同时这些化透进切削区，带走热量。清洗性是通过切削液的润湿、 合物亦具有较好的润滑性。渗透作用，将切屑从工件和刀具表面分离，被切削液带表l考察pag与不同脂肪类化合物的生物稳定性走并沉降下来。为此，切削液中需添加表面活性剂，降低切削液的表面张力，提高润湿速度。由于聚醚型非离。牟二异构啪子表面活性剂既具有很好的润湿性和降低表面张力性阻c码商瞧期糕 置捌强蕞 硒髓堋埔能，又具有润滑、增粘效果，而且泡沫少，对硬水、嘲邑无变化颤色较嘻无囊化被化撩邑弼无蔓化酸、碱等物质稳定的性能【3，19】。笔者选用了不同非离子和阴离子表面活性剂进行了复配。具体见表3。结果有歧较重臭訇寨无蠹化砒无变化有臭味积化非离子表面活性剂b(即聚醚b)与阴离子表面活性剂嚎a的配伍性较好，表面张力小。消泡时间短而且抗杂黼泡濂很少泡渫较多挹漾少泡漾步泡津多泡沫少油性优异。评糊cbd、切削液排杂油性能的调控班：a力好：b为_般：c燧优质合成切削液必须具备排油性能。在金属加工过 b、极压抗磨添加剂的选择程中，加工设备的漏油和加丁零件带进的油都会混入切 削液中，如果切削液不具备良好的排油能力，切削液很由资料知【4，16，201，并结合笔者在实际应用中遇到的问题，在全合成切削液中，采用水溶性的硫、磷、氯 快就会将油乳化，使透明切削液变成乳状液。影响切削 极压剂都不太理想。硫磷化合物在水溶液中易助长微生 液的加工性能，还会导致切削液的腐败变质。为了提高 物的繁殖，含硫添加剂在水溶液中也不太稳定。容易分 切削液的排油性能，笔者经试验证明(见表3)在一定的配方中加人非离子表面活性剂b和阴离子表面活性一母全国机械装备先进制造技术广州)高峰论坛lt “q 11to坤_帅铲叫*啪，-叫口曲t_ov_h玛r峙婶母茸如-掣支集： 7、 1 。v：lh一，量第十一届粤港机械与电子工程技术应用研讨会i1剂a对液压油和导轨油具有优异的分离性，此时。表 有优异的防锈和防腐蚀性。同时。硼酸醇胺还可以提高 面活性剂的hlb值比较小。了切削液的极压润滑性，可能满足车、钻、镗等多种加表3考察不同表面活性剂的性能工工艺。 表4考察不同防锈剂与铝缓蚀刺的防锈、防腐性能铭5曩目i；p鹏 强 辊子籀 赫 强漱- 萄目叻- 搦啪 觥辍子啊秆 研寓子锚曩目。葛蜘i童(张戳 戳， 礴 镁蚀 铝重蚀崩甜撒甓 锶蚀序粤嘲哟_“ 删b 佃价蚰) lp 酗呸ht卫k_h h譬， 誓a 翟丑蛙曩t，曩帕如(育乳 (乱ili8dbbl，s3躬幅)雌)2l1如舶(育乳 田(张2，s4审蛆)惯，3ii姐b2(；毪 铽黝3jloj剪4ll9jb分离)童，17(有点 17(有占，il4，82jm乳i嘿， 乳化层)6ll”庄：瓤鼻祷嘲睹舫麓+6饱和甄置娄啪话防暮盈定比事膏子表面活性蠢卜定嘲膏子蓑面在：0前甥蝴抬防酸娟矧嚣r焉黉羹+一定比l酗盘羧酸盐或焉酸醇歧峨比锅疑蚀齐糸量旨睦砷尊量承：0项目掷圜嘟：是戥籽喜礼水：0顶目捌稳艇县戥糯氟e、环境友好防锈剂的选择在水基合成切削液中。过去大部分使用亚硝酸钠作 g、切削液沉降性能的调控 防锈剂，用酚类作杀菌剂。亚硝酸钠是一种有毒物质，合成切削液必须具备良好的沉降性，特别在加工铸 在一定条件下，亚硝酸钠会和醇胺起反应生成亚硝酸胺铁时，要快速将铁粉沉降下来，否则会影响产品的加工 等致癌物质，影响操作者健康。酚类杀菌剂严重污染水质量和切削液的使用寿命。切削液的沉降性与切削液配 质，欧美等国已被禁止使用。亚硝酸钠防锈效果很好。方组成有关。切削液的渗透性和表面张力对切削液的沉 对砂轮有自锐作用并有一定的防霉菌的作用，且价格降性均有影响。切削液用于磨削时，砂轮粘结剂的成分 低廉，要寻找替代品，并广泛用于工业中并非易事【5 对磨屑的沉降性也有影响。必要时，可以加一些水溶性 6，12，13】。笔者通过试验佐证了，采用硼酸、羧酸与混 絮凝剂，使悬浮在切削液中切屑微粒凝聚下来。经过试 合醇胺的反应物很好地解决了替代噩硝酸钠的问题，见验，在一定的水溶液中添加不同的絮凝剂，再测5水稀 表4。由表4知。硼酸醇胺与铝缓蚀剂复合的防锈、防腐 释液的铁粉沉降性，见表5可知。在一定的水溶液 效果明显优于硼酸盐或羧酸盐与铝缓蚀剂的复合效果。 中不加絮凝荆与加絮凝剂a的效果相当。决定开发产 由于铝缓蚀剂的成本问题，选用硼酸醇胺与铝缓蚀剂品时暂不添加絮凝剂。b符合。表5考察不同絮凝剂和不加絮凝剂时的铁粉沉降性f、切削液高性能、多功能的调控根据资料和笔者的开发经验，黑色金属和铜、铝等档4曩目错4序号有色金属在防锈蚀方面有很大区别，黑色金属在碱性条劂a，刚b，鞲耐c-帕铁藉阳l恫件下比较稳定而铜铝等有色金属在ph=48的范围下l0i较稳定，所以在ph值的控制上要找到一个平衡点【15】。2覆l切削液ph值在8以下时。对黑色金属的防锈不利而且ph值在8以下容易导致微生物繁殖影响切削液的使用301如寿命。因此将ph控制在859的范围较为合适，适当4卫 加入一些有色金属缓蚀剂，可以保证铜、铝等有色金属 生：蜘炳鳓嘲脚瓣嗽嘲礤映哟燃十，臼疆彤硼寓子表碲蛙女h堋露簿 的防蚀性能。经过试验(见表4)，同时加入硼酸醇胺睦壕量水；锕目指标谢试是a湘，冰濒：铁耪取自于机床加工琨场的磨削出的黼和铝缓蚀剂，ph可以控制在859，而且铸铁片和铝片全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛9支集 i -m一 t。n 。、t mt km“一，f，i第十一届粤港机械与电子工程技术应gt研讨会曼”h钿呻由蕾y蚰r蜊e_口船lv-哪mm“由y印k狮_w经过上述试验与综合考虑结果，初步选用的添加剂性和清洗性，使切削液容易进入切削区。起到冷却和抗 是异构饱和脂肪酸、饱和醇酯、脂肪醇胺、聚醚b、阴粘附磨损的作用。 离子表面活性剂a、硼酸醇胺、铝缓蚀剂b和水溶性硅消表7实验优化设计表 泡剂。同时，考虑到一剂多用的原则，尤其对防锈剂的使用由于硼酸醇胺既具有好的润滑性，又具有优良的蠕 舅干 囊囊 嗣膏 蕾缸 魄啪t产防锈性对黑色金属。由于表面活性剂和脂肪类化合物的 序号 l 矗i薯 鹤 _譬 曩 附k k 耻tli1 氮i住量 骱 一骨硅影响。即使已有抑泡的聚醚考虑聚醚添加量有限，溶i：j4iii：加 12 l液_t能产生一些泡沫会降低切削液的润滑、冷却效：64j5lli： l0l果，影响生产的正常运转，将添加005的水溶性硅。l56teiillq i为了铝及铝合金加工的防腐蚀性，加了铝缓蚀剂b为 8 9 7 l l j 15 j 1。裉据供应商推荐，异构饱和脂肪酸加剂量在5以 j j t l i i i ： 14 上较佳，考虑还有成本。复配其他润滑剂，把其添加量 6 5 6 2 9 6 i i ： l_ 固定为4。为了考察添加剂在不同添加量对水基拿合成 t 5 88 l s l i l i l： l8sio65iii： l i切削液性能的影响，以切削液的防锈性、防腐性、pb、9669jlli渤 15pd、稳定性为考核指标，采用正交试验进行优化配方。lo668t4lii20it i采用5因素4水平(l16(45)，因素水平见表6，试验优 ll 6 52 5 t i i i l l l化设计表见表7。12610 t：6li渤 l如 l 表6因素水平表1lt8s6iii踟 14 i i7563tiil钟i i翻匾崾戥壤，l15t849li：的 l口 i醐矾寓=f莉酷16t10zt5iii400l i疆i髑啊睦脚薅蓝麟删表8 wscl的主要技术指标与国家标准和国外同类l4243进口先进产品指标的对比256i5 536866t矗口b门耵41c1r曼呸口主珏产品4t108tg矗毒王分居王侨口，井夏哺麓皂嘶訇矗作拧色均勺涪傩 t呈均勺扶辕儡律寰窆惟主升最舨王丹层i童均一，王暑掌 簟由正交表7可知4号与13号样的结果比较理想，同违触遗霸骏阜遗嘱谴一谴一时，考虑到表面活性剂量多会起泡，而且聚醚b具有抑phte口e6 90泡性，最终配方定为13号样的。一妊mqth 酌0，tl袁商像力10hh40353，e四、产品性能评价矗暂优e性丑h3l 31经过对13号样(定义为wsc1)的5稀释液的主蚀诅t铸镑j瓤曩掘扭要理化性能指标的测试和模拟台架试验，其主要指标不hc曲)警饲强b曩蟹扭仅符合国家标准gb6144要求。而与同类进口先进产品的狲lyn鼍氟bt扭b囊指标相当(见表8)。单片】4h曩啦板由表8知，研制的产品wsc一1的综合指标性能与同寿镑投，曩震oq,41口5c越)叠片h台捧台炜台持类进口先进产品的相当，而且铝片的防腐蚀性稍优。特pr n；400姗450别是模拟台架的试验结果(如图1、2)，wsc一1的pb值p，nlii占优(即润滑性稍好)，而且攻丝扭矩亦稍占优，这也量太衰垃越麓1孤3强如说明了攻丝扭矩越小，润滑性越好。同时，wsc一1的消平均哀兰矗姥1弧崩nl泡性和表面张力均较少，说明能有效提高切削液的渗透rr 慰恕!i憋罂要!臻想熙妒文集：唧!o塑剖鼎!畸五、实际应用dusl rlallubricaking 4“ hl。e2003 5511)=1522 15)幸$g*t女4m自m镕十m笔者*发的绿色制造月环保高性能水垒弁成切【j1ir#$2010 44 f 5)93956shen c 0 zh。m zw y n“svne g mticluh tlne琏e在r糸长!角的n家公目的加i巾。和进口蘑床bif r月 rt h hil cei中到目前十*4公司e使月挺t1年2寥(一般水efft ct 3 of全合成切“城使用寿命为36q月)，产“的综台性p“nd】w2000 24611)55 59 能一直m稳定，且戏有变质发臭象出，租好*7【7】李#b*#r【|j#m#月mr#& 加ii艺的g球。s外，pb特别镕月2机、月月自*ia，2010 44 f 6)6-9缩机等太女n#加l，企雄供应月*系统mi【啦fi目*m目￥#a自m*w目#po世汽车零部件的加i使用。月2010 f 6)：263019】程镕r目a月g自tma“翮*d口】目*目女目，201035(6)：1011030脐f女r#mmi*圈ljcl哪1门i ”f1tr uii lj目