金属拉拔润滑剂的应用与发展.doc

金属拉拔润滑剂的应用与发展秦鹤年 100101中国石油华北润滑油销售中心摘要研究了以铜、钢加工为主的金属拉拔润滑剂的种类、使用现状和发展方向，并介绍 了中国石油润滑油公司根据用户要求和金属加工业的进展而新开发的一种铜材拉拔润滑剂和 钢材拉拔润滑剂。铜材拉拔润滑荆具有良好的乳化液稳定性，可用于铜丝和铜管的拉拔加 工；钢材拉拔润滑剂有较高的粘度，能够在拉拔材料表面形成一层厚而坚固的油膜，由此起 到良好的润滑作用，使用后可用水将其冲洗去，不妨碍下道工序加工。关键词 金属加工拉拔润滑剂 研究 发展1 概述金属拉拔是通过模具孔减少加工材料的截面积、获得高精度、高光泽度的线材和管材的 一种塑性加工工艺。它广泛应用于加工碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝及其合金等各种金属 材料。通常拉拔加工所消耗的能量，大部分都消耗在模具和拉拔材料的摩擦上，造成界面温 度升高，容易发生润滑膜破裂甚至烧结。在此加工过程中，良好的润滑状态能减少拉拔时摩 擦所产生的热量，有助于延长模具寿命、提高拉拔速度以及改善拉拔材料的表面质量和力学 性能，尤其是可确保拉丝过程中不断线。随着拉拔速度的不断提高，对拉拔润滑剂提出了越 来越多的要求，既要有良好的润滑性能、冷却性能，又要求不影响下道工序加工。本文介绍 了两种新开发的分别用于铜丝或铜管拉拔及钢管拉拔的润滑剂，铜拉拔润滑剂为水乳化型， 能够在水中形成稳定的乳化液，而且腐蚀性小，不会对铜管造成腐蚀而影响退火清净性。钢 材拉拔润滑剂的特点是：具有较高的粘度，能够在拉拔材料表面形成一层厚而牢固的油 膜，从而起到良好的润滑作用；能溶于水，使用后可用水冲洗除去，因此不影响下道工 序；可根据材料硬度的不同采取直接使用(硬质合金钢)或调配成油与水为l：11：3比例 的水乳化液使用(一般合金钢或碳钢)；有一定的防锈作用。该产品可用于碳钢及合金钢的 线丝、管材和棒材的冷拔加工。2拉拔过程中的摩擦状态与润滑剂性能要求在金属拉拔过程中，拉件与模具间的摩擦状态为滑动摩擦状态，同时拉拔材料经过模具 孔时受到挤压发生形变，又导致了金属内分子间的摩擦。按摩擦表面接触区润滑油的数量，摩擦可分为干摩擦、边界摩擦和液体摩擦。摩擦体表 面直接接触而无任何润滑剂的摩擦称为干摩擦；当接触表面存在极薄油膜、其厚度数量级为 o001o1_um时，称为边界摩擦；液体摩擦是摩擦体表面之间存在着较厚的润滑层，完全 没有表面不平度的直接咬合。在拉拔过程中，这三种摩擦状态可能同时都存在，但是应尽可 能地减少干摩擦状态。高粘度的润滑剂和较低的拉拔速度有利于液体摩擦状态的形成，由此 适合于硬质材料如钢管和钢棒的拉拔。250为了提高润滑油的抗磨性能和润滑性能，通常加入极压抗磨剂和油性剂。极压抗磨剂主 要是含有活性元素S、Cl和P的有机化合物，当表面接触压力增高时，两金属表面的凹凸点 互相啮合，产生局部高温、高压，此时极压抗磨剂中的活性元素与金属发生化学反应，形成 抗剪强度低的固体保护膜，即化学吸附膜把两金属表面隔开，从而防止金属磨损和烧结。一 般反应活性越高，极压抗磨性能就越好。油性剂在摩擦表面形成物理吸附膜，从而降低摩擦 而起润滑作用，并且具有增强油膜的能力。除了润滑，冷却也是润滑剂的重要作用，在拉拔过程中，加工材料在模具孔受到挤压而 发生形变，同时受到加工件和模具问的摩擦作用，都会导致拉拔材料温度的急剧升高，如果 不及时冷却，就可能造成粘结、断线，使拉拔过程中断。水乳化型润滑剂具有非常优异的冷 却效果，在拉拔变形区域内，乳化液中的水分因受热而变成蒸汽蒸发，带走了热量，油的组 分则留下来吸附在金属表面起润滑作用。3钢、铜及合金拉拔润滑剂应用与发展31 钢材拉拔目前适用的碳钢拉拔油，多以高级脂肪酸的钠、钾等金属皂、蜡和固化油等熔点较高的 物质作为主要成分，向不进行润滑覆盖膜处理也可进行拉拔加工的方向发展。另外，也使用 含有氯系、硫系等极压添加剂的油剂。此外，磷酸盐覆盖膜处理与高级脂肪酸盐等并用，在 拉力相同的情况下，其抗烧结性更好。目前国内外高速拉丝普遍采用皂基润滑剂，性能优良的的高速拉丝润滑剂必须具有良好 的流动性、粘附性和润滑性。32钢材拉拔润滑剂的研究进展钢丝拉拔采用混脂肪油(动植物油或合成酯油)的高质量润滑油，也有用肥皂粉、石灰或 润滑脂润滑，细钢丝则用1525浓度的皂基脂或合成酯的乳化液，乳化液是用皂基膏 制备的。拉拔硬质合金钢时，需事先进行焖火处理，并使用耐热润滑油。拉拔钢棒时一般用 重油或预先涂抹皂基脂肪的浓混合液，低合金钢及碳钢钢管或钢棒的拉拔，使用15一20的皂基脂肪的浓乳化液浸泡。不锈钢管或钢棒，拉拔前须进行预处理，有三种方法：普通管材拉拔用浓液处理；云母粘附物处理；铅披覆，即镀一层铅膜。此外也有用高 粘度氯化油等新型化学拉拔液进行拉拔的，但拉拔后需用溶剂洗净。此外还有使用极压润滑 脂或含脂肪油或合成酯油的乳化液进行润滑的。在金属材料当中，钢材的硬度较大，特别是不锈钢和高合金钢等，有非常高的硬度，在 冷拔时处于极压状态，要求润滑油具备优异的极压抗磨性能。另外，冷拔加工后要将工件上 的附油冲洗掉，使工件表面无油污，并且防锈性能达到40h以上。4因此需要添加各种添加 剂，以下是产品所采用的组分： 、(1)基础油料。基础油料一般采用矿物油残渣组分(150BS)，这种油料不仅粘度高，而 且廉价易得。(2)抗磨添加剂。含有S、P、Cl等元素的极压抗磨剂在极压条件下能够发生分解与金 属表面形成化学吸附膜，该膜可保护金属表面而避免磨损，本实验采用硫磷型极压抗磨剂。 油性剂则是在金属表面形成物理吸附膜，提高了油膜强度使油品抗磨性能得以提高。对于抗 磨性能要求较高的油品，极压抗磨剂和油性剂复合使用才行。25，(3)表面活性剂。使用高粘度润滑油虽然有良好的润滑性能，但加工后残留在金属表面 的油膜不易除去而影响下一道工序的加工，为了解决这一问题，可采用加入乳化剂(即表面 活性剂)的方法，使产品能溶于水，加工后用水将油膜冲去。高粘度矿物油在水中形成乳化 液的难度较大，般的表面活性剂难以满足要求，采用复合型表面活性剂，效果较好。(4)防锈添加剂。油品中应加入吸附性较强的防锈荆，能够与金属表面发生化学反应形 成一层极薄的薄膜不易被水洗去，在一定的时间内仍起防锈作用，羧酸型防锈剂如烯基丁二 酸或脂肪酸等可满足这种要求。中国石油润滑油公司研制开发出一种高粘度拉拔润滑油，该润滑油以高粘度的矿物 油残渣油组分(150BS)为基础油，加人表面活性剂、极压抗磨剂和油性剂等添加剂，具 有良好的粘附性，在拉拔过程中能够在金属表面形成牢固的油膜，起到良好的润滑作 用。使用后残留在金属表面的油膜可用水冲去，不影响下一道工序的加工。该拉拔油 可溶于水形成乳化液，适用于碳钢及多种合金钢冷拔丝、线材棒材、管材等型材加工 时的润滑，加工后可用水冲洗除去。该产品还可根据材料硬度的不同采取直接使用(硬 质合金钢)或调配成油与水为l：11：3比例的水乳化液使用(一般合金钢或碳钢)，产 品质量满足表l所示的各项指标要求。袭l金属冷拔油质量标准项目质量指标 实测结果分析方法100运动粘度(m28) 20一40 3768 GBT265 开口闪点 不低于254 268 GBT3536 倾 点 不高于一5 8 GB7r3535 铜片腐蚀(100，3h)级 不大于l lb GBT56 自乳化性 合格 合格油晶外观 棕色畿浅棕色 棕色 目茜蝤33铜材拉拔由乎硫化物易引起铜及铜合金的变色和腐蚀，所以铜和铜合金的拉拔液中一般不使用含 硫油剂。另外，在拉拔过程中要经过反复退火，油剂的残碳值要小。由于铜与铜合金比钢 软，易于加工，因此铜丝和铜管的拉拔多采用水基型乳化液。铜材拉拔产品中难度最大的是 铜管，对拉拔油(内壁用称内膜油，外壁用称外膜油)的要求也更高，尤其是要求润滑剂具有 良好的退火清净性，要求退火后铜管表面光洁。铜管拉拔方式有直线拉拔和圆盘拉拔。直线 拉拔料短i而且只能生产直管，不能满足市场要求，因此近年来大多采用圆盘拉拔。34铜材拉拔润滑剂的研究进展 目前，随着通信、电力和空调制冷等行业的飞速发展，对钢丝和铜管的需求量和质量要求越来越高，由此带动了铜丝*、铜管拉拔润滑剂需求量和质量要求的提高。铜材的拉拔速度是越来越高，对润滑剂的冷却性能提出了更高的要求，因此铜材拉拔润滑剂多为水乳化型。 钢材拉拔润滑油的配置方法是采用基础油加入抗磨剂和表面活性剂的方法，根据产品的性能要求，应采用合适的组分。以下是产品组分及采用的原因。 (1)基础油料。基础油料有矿物油、合成油和动植物油脂等。动植物油脂的抗磨性好，易于乳化，但退火清净性差，而且容易腐败变质；合成油的性能因人工设计而非常优异，但252成本较高；矿物油的来源丰富，价格低廉，所以各种润滑油品的开发都尽可能地立足于矿物油。 (2)表面活性剂。表面活性剂主要有离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂和两性表 面活性剂。其中非离子型表面活性剂溶于水时不发生离解，稳定性高，不易受强电解质存在 的影响，也不易受酸碱的影响，与其他表面活性剂相容性好，在固体表面不发生强烈吸附。因此，非离子表面活性剂的发展极为迅速，今后数年仍会保持这一势头。(3)抗磨添加剂。抗磨添加剂主要分为极压抗磨剂和油性剂两大类。铜材拉拔油中不宜 采用含S、P、cl等元素的极压剂，因这些元素不利于产品的退火清净性。与钢相比，铜材 硬度较低，容易满足润滑要求，同时为保证产品的退火清净性，抗磨添加剂以油性剂为主。 油性剂有脂肪酸、脂肪醇和脂肪酸酯类。(4)抗氧化剂。油品在储存和使用过程中，难免会受到氧化作用，因此加入一定量的抗 氧化剂延缓油品的氧化变质速度。一般抗氧剂以2、6二叔丁基对甲酚(T501)为主，加量 O5。(5)抗菌防腐剂。由于拉拔油是配置成水乳化液使用，水的大量存在、特别在气候炎热 的条件下很容易滋生细菌，导致乳化液变质发臭，影响使用效果。为了防止细菌等微生物的 繁殖，乳化液中必须加入抗菌防腐剂。以前防腐剂主要以酚类化合物为主，但酚类化合物对 人的皮肤有刺激作用，现在多采用三嗪类和噻唑类化合物。中国石油润滑油公司研制的水乳化型铜丝拉拔用油，能够在水中形成稳定的乳化液，而 且具有良好的润滑性能、防锈性能、抗菌性能。按用户要求制订的产品质量标准和产品的实 测结果如表2所示。袭2铜丝拉拔油质量标准及实测结果分析项目质量指标实测结果分析方法50运动粘度(n28)不大于120180 GBT265 自乳化性 合格 合格 目测 凝固点 不高于一5 21 GBT3535 冻融试验 合格 合格 目测分油量mL 无 无5乳化液稳定性(15，SHT0365皂化层lIlL不大于2235) 附录ApH值79 7。8乳化液消泡性mLSH7ID365不大于42(502，lOmin) 附录E5乳化液腐蚀试验(552)，全SH7ID365合格 合格浸13铜片6h 附录D油基外观 橙红色至棕红色均匀流体橙红色 目测由表2可见，产品质量满足指标的要求。本产品适用于电线、电缆等行业拉制铜丝的润 滑与冷却，使用时调入工业软水或自来水中配置成乳化液，在轧制过程中应控制乳化液浓 度，并及时补充和定期更换新液，根据以下使用条件配制不同浓度的乳化液：大拉11。15；中拉7。10；小拉3一5；细拉2一3。25335拉拔润滑剂的发展趋势金属加工用油有相当一部分是水溶性的，可以用水配制成乳化液使用。由于乳化液的主 要成分是水，因此具有良好的冷却性能，而且廉价经济。但废液难以处理，而且乳化液对人 的呼吸道和皮肤有刺激性。干式拉拔粉尘较大，润滑效果也不好。现在一项少油润滑或限量 润滑的技术正在被人们接受，该项技术就是将少量的润滑剂涂在加工件表面和模具表面进行 一次性使用而不是循环使用。这项技术不但适用于切削、冲压和攻螺纹，也可用于拉拔加 工。润滑剂不仅对钢材、不锈钢材适用，对有色金属及合金也适用。4 结束语在金属加工业中，拉拔是一种技术要求非常高的加工工艺，拉拔后的线材或管材要求直 径或厚度都要均匀，而且表面光亮无擦痕，稍有不慎就有可能造成卡咬或拉拔中断以及线丝 的断线等故障，严重影响产品质量甚至整个批次报废。而在金属拉拔加工过程中，润滑剂的 种类、质量及使用方法对模具的使用寿命、拉件的质量(如表面粗糙度等)和拉拔的速度等影 响都十分重要，是技术性能要求十分严格的产品。但金属拉拔用油目前还处于一种无统一质 量标准，生产规模小而分散，用户要求多样性以及依赖进口等状态，因而严重影响了金属加 工业的发展。为解决这些问题，润滑油的研究与生产部门应该同从事金属拉拔加工的单位密 切合作，共同探讨，将拉拔用油既当作润滑油的新产品，也作为金属加工业的一个组成部分。参考资料 王如霖润滑剂摩擦化学北京：中国石化出版社，19