唐華杰，孫建林，王成龍

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

金屬切削液作為必不可少的加工介質(zhì)對(duì)制造業(yè)的發(fā)展有著關(guān)鍵性的影響。傳統(tǒng)切削液的研制基于工藝需求、質(zhì)量要求和經(jīng)濟(jì)成本等[1-2]，未考慮資源、環(huán)境和人體健康等一系列社會(huì)發(fā)展要求。目前，國(guó)內(nèi)切削加工用切削液以乳化液和微乳液為主，冷卻性能不足，加工過(guò)程中易產(chǎn)生油霧，容易進(jìn)入呼吸道。油基切削液所用基礎(chǔ)油以礦物油的潤(rùn)滑性能為最佳，但生物降解性差，并含有大量對(duì)生態(tài)環(huán)境有危害的物質(zhì)和元素。新材料的涌現(xiàn)進(jìn)一步突顯出傳統(tǒng)切削液的不足，導(dǎo)致金屬加工業(yè)的發(fā)展遇到新難題[3-4]。傳統(tǒng)切削液使用周期短，易因細(xì)菌滋生而引起變質(zhì)腐敗，常用的酚醛類(lèi)殺菌劑對(duì)操作者的健康和生態(tài)環(huán)境具有負(fù)面影響[5]。文獻(xiàn)中關(guān)于全合成切削液工藝因素與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究描述較少。本研究以油酸和三乙醇胺合成的產(chǎn)品為添加劑[6]，制備全合成切削液。通過(guò)安定性試驗(yàn)、四球機(jī)試驗(yàn)、腐蝕防銹試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)切削加工試驗(yàn)進(jìn)行全合成切削液的性能表征。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

油酸、三乙醇胺、1，2，3-苯并三唑、硼砂，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；聚乙二醇400，實(shí)驗(yàn)試劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；DT-135消泡劑，太洋電鍍防腐原料有限公司生產(chǎn)；S-P水溶性極壓劑，蘇州金鉬潤(rùn)成潤(rùn)滑科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 切削液的制備

1.2.1添加劑的合成將油酸和三乙醇胺以質(zhì)量比1.8的比例混合均勻后，在反應(yīng)溫度為60 ℃、攪拌速率為80～100 rmin、反應(yīng)時(shí)間分別為0，1.5，3.0，4.5，6.0 h時(shí)，通過(guò)酯化反應(yīng)得到5種合成酯添加劑組分。

1.2.2切削液配方全合成切削液濃縮液配方見(jiàn)表1。將合成酯添加劑、S-P水溶性極壓劑、DT-135加入到聚乙二醇400中，經(jīng)充分?jǐn)嚢?，加入不同溫?5 ℃、50 ℃)的去離子水，攪拌均勻后，加入1，2，3-苯并三唑、硼砂，并繼續(xù)攪拌至固體組分完全溶解，得到均一狀態(tài)的濃縮液，標(biāo)記為1號(hào)～7號(hào)(見(jiàn)表2)。使用時(shí)按一定比例稀釋，以下試驗(yàn)所用質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為95%。

表1 全合成切削液濃縮液配方

表2 1號(hào)～7號(hào)切削液的制備條件

1.3 切削液性能的評(píng)價(jià)方法

穩(wěn)定性和透明度是評(píng)價(jià)切削液理化性能的重要指標(biāo)。將等量的7種切削液分別置于玻璃瓶中，對(duì)比樣品的透明度，并于室溫下靜置，觀察樣品的分層析出情況。

腐蝕試驗(yàn)和防銹試驗(yàn)分別是切削液對(duì)機(jī)床、工件破壞性和保護(hù)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。兩種試驗(yàn)均采用GBT 6144—2010方法。鑄鐵試片材質(zhì)符合GBT 718—2005的規(guī)定，并按照SHT 0218—1993方法進(jìn)行制備，腐蝕試片尺寸為25 mm×50 mm×3 mm，防銹試片尺寸為Φ35 mm×20 mm。

腐蝕試驗(yàn)方法：將試片分別浸于7種被試樣品中，加蓋玻璃罩后，移置55 ℃恒溫箱中，24 h后取出試片觀察。若試片表面光澤如新，則為A級(jí)，即合格。

單片防銹試驗(yàn)：按梅花格式，于試片磨光面滴入5滴樣品，每滴直徑4～5 mm。將試片置于密閉的干燥器內(nèi)，并移置35 ℃恒溫箱內(nèi)，試驗(yàn)96 h(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為24 h)后觀察，若5滴樣品全無(wú)銹，則為A級(jí)，即合格。

疊片防銹試驗(yàn)：將試片置于干燥器隔板上，用樣品涂布試片后，對(duì)齊疊放另一塊試片。密封干燥器后置于35 ℃恒溫箱內(nèi)，連續(xù)試驗(yàn)4 h后用乙醇擦拭試片后觀察，距試片邊緣1 mm以內(nèi)兩疊面無(wú)銹蝕或無(wú)明顯疊印為合格。

摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)：采用MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按照GBT 12583—1998的方法測(cè)量樣品的PB值。在392 N、轉(zhuǎn)速1 750 rmin的條件下進(jìn)行30 min長(zhǎng)磨試驗(yàn)，所用鋼球?yàn)橐患?jí)GCr15標(biāo)準(zhǔn)鋼球，直徑為Φ12.7 mm，硬度為61～65 HRC。磨斑形貌使用德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的Axio Lab.A1電子顯微鏡觀察。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)切削試驗(yàn)

切削加工是評(píng)價(jià)切削液加工實(shí)用性的重要方法。切削液對(duì)提高工件表面光潔度和加工精度具有重要作用[7-8]。材料本身的塑性對(duì)工件最終加工精度和微觀形貌起著決定性的影響[9]。切削液的冷卻性能和抗磨極壓性能在切削加工過(guò)程中尤為重要[10-11]。切削熱和摩擦熱的產(chǎn)生造成材料的塑性增加，撕裂變形惡化，最終降低工件表面的光潔度。試驗(yàn)采用塑性較高的45號(hào)鋼進(jìn)行外圓車(chē)削加工，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中油霧產(chǎn)生情況、加工可視性以及工件表面光潔度和微觀形貌等對(duì)樣品的綜合加工性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要加工參數(shù)：數(shù)控機(jī)床為GSK 980TDb車(chē)床；加工方式為外圓車(chē)削；試驗(yàn)刀具為硬質(zhì)鋁合金刀；切削速率為904 rmin時(shí)，進(jìn)給量為117 mmmin，粗車(chē)背吃刀量為3 mm，精車(chē)背吃刀量為2 mm，加工長(zhǎng)度為20 mm；受試切削液為商業(yè)切削液和自制切削液。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定性和透明度

7種切削液樣品外觀對(duì)比見(jiàn)圖1。從圖1可以看出：3號(hào)～7號(hào)樣品的透明度明顯高于1號(hào)、2號(hào)樣品的透明度，室溫靜止24 h后，1號(hào)、2號(hào)樣品的底部有少量白色固體析出，無(wú)析油析皂現(xiàn)象，3號(hào)～7號(hào)樣品均無(wú)任何析出現(xiàn)象；靜置50天后，1號(hào)、2號(hào)樣品底部有固體析出，上層有明顯的析油析皂現(xiàn)象，而其余樣品性能穩(wěn)定，未發(fā)生析出。主要原因在于調(diào)制水溫對(duì)添加劑的分散或溶解性有明顯影響，在50 ℃水中，油脂(油酸和油酸三乙醇胺酯等)以極小的液滴均勻分散于溶液中，不易發(fā)生團(tuán)聚，而5 ℃水中，油脂液滴則以較大粒徑分散于溶液中，易發(fā)生團(tuán)聚析出。因而，50 ℃水所制切削液的穩(wěn)定性和透明度均高于5 ℃水所制切削液的穩(wěn)定性和透明度。油脂液滴的粒徑?jīng)Q定了切削液的透明度和理化穩(wěn)定性，粒徑越小，透明度和穩(wěn)定性則越高。透明度是分散液滴粒徑的直觀反映，能夠作為表征切削液穩(wěn)定性的依據(jù)。

圖1 7種切削液樣品的外觀對(duì)比

2.2 摩擦學(xué)性能

2號(hào)和6號(hào)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，6號(hào)樣品試驗(yàn)曲線位于2號(hào)樣品試驗(yàn)曲線的極值之間，曲線整體相對(duì)平穩(wěn)。長(zhǎng)磨試驗(yàn)曲線的波動(dòng)幅度和位置反映了油膜的成膜穩(wěn)定性和摩擦因數(shù)的大小。試驗(yàn)表明水溫對(duì)于油膜成膜穩(wěn)定性有一定影響。油脂在切削液中的分散程度是影響切削液成膜穩(wěn)定性的重要因素。油酸和油酸三乙醇胺酯作為極壓抗磨的重要添加劑，在切削液中分散粒徑越小，越容易在摩擦副之間鋪展形成潤(rùn)滑膜。粒徑較大的液滴造成摩擦成膜不均勻，形成大面積干摩擦。50 ℃水制備的切削液，由于油脂液滴粒徑小，分散均勻，成膜則更加均勻穩(wěn)定。

圖2 2號(hào)和6號(hào)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)測(cè)得3號(hào)～7號(hào)樣品的PB分別為461，588，588，667，784 N。3號(hào)～7號(hào)樣品與商業(yè)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，隨合成酯含量的增加，5號(hào)～7號(hào)樣品相對(duì)于3號(hào)樣品試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)大幅降低，分別降低19.2%，28.9%，29.9%。切削液摩擦因數(shù)的變化與酯化速率密切相關(guān)。本次試驗(yàn)條件下，合成時(shí)間在1.5～3.0 h時(shí)，油酸三乙醇胺酯具有最大的生成速率，因此試驗(yàn)的摩擦因數(shù)大幅減小；合成時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，6號(hào)、7號(hào)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)降幅接近，而5號(hào)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)降幅最大。從圖3還可以看出，3號(hào)～7號(hào)樣品試驗(yàn)曲線相對(duì)穩(wěn)定，摩擦因數(shù)明顯低于商業(yè)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)。

7號(hào)樣品與商業(yè)樣品摩擦試驗(yàn)鋼球磨斑形貌照片見(jiàn)圖4。試驗(yàn)測(cè)得7號(hào)樣品試驗(yàn)鋼球磨斑直徑為0.540 mm，商業(yè)樣品試驗(yàn)鋼球磨斑直徑為0.833 mm，表明7號(hào)樣品試驗(yàn)的油膜穩(wěn)定性高。原因在于7號(hào)樣品中的油酸三乙醇胺酯和硼砂所含極壓活性元素N、B具有極佳的抗磨減摩性能[12]，樣品中的油性劑和極壓劑，在三乙醇胺表面活性劑的作用下[13]，以粒徑極小的液滴分散于切削液中，能夠在摩擦表面迅速形成具有極壓抗磨性能的薄膜，因此7號(hào)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)明顯低于商業(yè)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)。

圖3 3號(hào)～7號(hào)樣品試驗(yàn)的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化

圖4 7號(hào)樣品與商業(yè)樣品摩擦試驗(yàn)的鋼球磨斑形貌照片

2.3 腐蝕防銹性能研究

1號(hào)～7號(hào)樣品的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，不同水溫制備切削液的腐蝕性能無(wú)明顯差異。通過(guò)觀察試驗(yàn)結(jié)束后的剩余樣品，發(fā)現(xiàn)3號(hào)～7號(hào)樣品性狀穩(wěn)定，沒(méi)有任何析出，而1號(hào)和2號(hào)樣品發(fā)生了明顯的析油析皂，如圖5所示。該試驗(yàn)現(xiàn)象也進(jìn)一步驗(yàn)證了調(diào)制水溫對(duì)切削液理化穩(wěn)定性有明顯影響的結(jié)論。

圖5 腐蝕試驗(yàn)后1號(hào)、2號(hào)樣品的析出現(xiàn)象

1號(hào)～7號(hào)樣品的單片防銹試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，鑄鐵試片在滴加樣品的位點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生任何銹蝕，光澤如新，而在其周?chē)l(fā)生了嚴(yán)重的銹蝕。

圖6 單片防銹試驗(yàn)的試片

疊片防銹試驗(yàn)的試片銹蝕情況見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，1號(hào)～7號(hào)樣品具有極佳的防銹性能，鑄鐵試片表面均沒(méi)有發(fā)生銹蝕，也沒(méi)有明顯疊印。

圖7 疊片防銹試驗(yàn)的試片

三乙醇胺和油酸三乙醇胺酯是良好的表面活性劑，具有較強(qiáng)的清洗、防銹能力，能夠在金屬表面形成一種穩(wěn)定的薄膜，因而切削液樣品具有良好的抗腐防銹性能。而調(diào)制水溫對(duì)切削液腐蝕防銹性能沒(méi)有明顯影響的原因在于，防銹成膜過(guò)程不同于潤(rùn)滑成膜過(guò)程，防銹成膜過(guò)程是一種緩慢的化學(xué)成膜保護(hù)行為，而摩擦過(guò)程中的成膜保護(hù)是一種瞬時(shí)成膜保護(hù)過(guò)程。切削液中極壓劑的分散粒徑越小，潤(rùn)滑成膜能力越強(qiáng)，越均勻。而銹蝕過(guò)程作為一種緩慢發(fā)生的化學(xué)行為，防銹劑分散粒徑的大小并不明顯影響最終的防銹膜成膜狀態(tài)。一定時(shí)間內(nèi)，防銹鈍化膜的最終形成狀態(tài)僅與防銹劑本身的成膜鈍化能力有關(guān)，而與成膜速率無(wú)關(guān)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)切削試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)切削過(guò)程中，7號(hào)樣品無(wú)油霧產(chǎn)生，加工可視性明顯高于商業(yè)樣品，其加工后工件的表面粗糙度為2.262 μm，商業(yè)樣品加工后工件的表面粗糙度為2.408 μm。圖8為使用不同切削液加工后工件的表面微觀形貌照片。由圖8可以看出，商業(yè)樣品加工工件表面發(fā)生了大面積連續(xù)性撕裂變形，工件表面光潔度明顯降低，而7號(hào)樣品加工工件表面的犁壟分布相對(duì)規(guī)整，雖存在撕裂變形，但撕裂變形區(qū)域基本不發(fā)生連接。原因在于7號(hào)樣品具有極佳的冷卻性以及穩(wěn)定的抗磨減摩性能，能夠保持刀具硬度和工件塑性基本不發(fā)生變化，增強(qiáng)工件的易切削性，因而工件的微觀表面相對(duì)規(guī)整，光潔度良好。

圖8 工件表面的微觀形貌照片

3 結(jié) 論

(1)將油酸和三乙醇胺在60 ℃反應(yīng)3 h以上得到的組分作為添加劑，制得具有高抗磨高防銹性能的環(huán)保型切削液。該種切削液的單片防銹時(shí)間達(dá)到96 h，最高油膜強(qiáng)度達(dá)到784 N，室溫靜置50天后仍具有良好的穩(wěn)定性，能夠應(yīng)用于多種材料的切削加工。

(2)在60 ℃恒溫條件下，油酸和三乙醇胺脫水縮合形成油酸三乙醇胺酯，反應(yīng)速率的峰值介于1.5～3 h之間，6 h時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

(3)制備含難溶油脂的全合成切削液時(shí)，為確保組分的充分分散，應(yīng)加強(qiáng)物理攪拌或采取輔助加熱等方法。分散物粒徑的大小影響著切削液的透明度和穩(wěn)定性，粒徑越小，透明度和穩(wěn)定性越高。透明度可以作為表征切削液穩(wěn)定性的依據(jù)。

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