張練文

(中國石化潤滑油有限公司華中分公司,湖北 武漢 430011)

0 引言

拉拔俗稱“拉絲”，是一種金屬塑性成型加工工藝，因設(shè)備簡單、生產(chǎn)高效、表面精致、材料節(jié)省，廣泛應(yīng)用于機械零件、建筑材料、鋼繩電纜、金屬器具等制造業(yè)。金屬眼鏡框絲是制造眼鏡架前框的基礎(chǔ)線材，材質(zhì)多為有色金屬合金，如鈦及鈦合金、不銹鋼、鎳合金、銅合金等[1]，通常由軋制線材經(jīng)多級拉拔完成制備。拉拔時工件與模具之間劇烈的塑性變形產(chǎn)生大量的摩擦和熱量，如果得不到有效控制，將會導(dǎo)致模具過度磨損、動力消耗增加、成品尺寸精度和表面質(zhì)量下降。一種完全適用的金屬拉拔油應(yīng)當具備突出的潤滑和冷卻性能，并在抗磨性、極壓性、防銹性方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時能夠滿足企業(yè)日益增長的經(jīng)濟和環(huán)保需求。國內(nèi)金屬拉拔油大多采用優(yōu)質(zhì)礦物油添加高油性物質(zhì)和極壓抗磨劑、抗氧防腐劑等來調(diào)配，但使用效果往往不盡人意。我國金屬拉拔潤滑技術(shù)長期受制于歐美，同類進口拉拔油價格普遍高于國內(nèi)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。因此，梳理拉拔成型原理和工藝特點，剖析進口拉拔油的性能和結(jié)構(gòu)，研制高品質(zhì)、低成本的拉拔油產(chǎn)品，從而實現(xiàn)金屬拉拔油的國產(chǎn)化替代具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 金屬拉拔潤滑劑的現(xiàn)狀及研發(fā)背景

自1834年歐洲人發(fā)明第一根鋼絲繩起，金屬拉拔潤滑技術(shù)的發(fā)展一直追隨著金屬制品產(chǎn)業(yè)的快速增長和金屬拉拔工藝的不斷革新。

1.1 拉拔潤滑技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

世界金屬制品裝備的優(yōu)勢技術(shù)集中在歐美，他們長期致力于降低接觸部件之間摩擦系數(shù)、延長模具和設(shè)備使用壽命的課題研究，其拉拔潤滑劑產(chǎn)品在國際市場上始終占據(jù)主導(dǎo)地位，例如Quaker Houghton(奎克好富頓)、Fuchs(福斯)、Petrofer(德潤寶)等。為了滿足用油企業(yè)的降本需求，近年來天津、江蘇、山東等地油品企業(yè)紛紛研制替代產(chǎn)品，但由于原料純度不夠、種類不多，以及添加劑開發(fā)和研究能力不足，用于高速和光亮拉拔的潤滑劑產(chǎn)品仍無法替代[2]。我國拉拔潤滑技術(shù)相對落后，與世界金屬制品生產(chǎn)和消費大國的地位極不相稱，主要原因有：(a)我國金屬制品產(chǎn)業(yè)起步晚，拉拔潤滑技術(shù)的研發(fā)歷史落后歐美上百年；(b)拉拔生產(chǎn)線的大量引進使我國成型裝備水平顯著提升，但核心潤滑技術(shù)的引進并未同步；(c)客戶用油傾向于設(shè)備商的指定，進口設(shè)備的拉拔油國產(chǎn)化替代應(yīng)用舉步維艱；(d)因生存和競爭需要，國內(nèi)封閉式開發(fā)特征明顯，業(yè)內(nèi)缺乏高度的戰(zhàn)略協(xié)作和成果分享。當前全球金屬制品需求加快升級，金屬拉拔工藝呈現(xiàn)高速度、高精度、高硬度的發(fā)展趨勢，由此推動拉拔潤滑劑在潤滑性、極壓性、抗磨性、清洗性、環(huán)保性等方面持續(xù)改進。

1.2 拉拔潤滑劑的典型分類及特點

按照潤滑劑的形態(tài)，金屬拉拔潤滑劑可分為固體、乳液和全油三大類(表1)。固體和乳液潤滑劑的經(jīng)濟性好，但環(huán)保問題常常難以改善。全油潤滑劑良好的耐熱性彌補了冷卻性的不足，隨著降解性植物油的推廣和廢油再生技術(shù)的發(fā)展，環(huán)保優(yōu)勢更加明顯。

表1 國內(nèi)金屬拉拔潤滑劑的分類與特點

1.3 金屬眼鏡框絲拉拔油的研發(fā)背景

2018年8月，中國石化潤滑油有限公司江西銷售中心組建“技術(shù)+市場”團隊，走訪了鷹潭余江中童眼鏡工業(yè)園及龍頭企業(yè)鷹潭市亨得利金屬材料股份有限公司。江西鷹潭是我國繼廣東深圳、福建廈門、浙江溫州、江蘇丹陽后第五大眼鏡產(chǎn)業(yè)基地，市場份額約占18%。我國眼鏡生產(chǎn)企業(yè)4000余家，產(chǎn)量占全球70%。隨著國民消費水平、保健意識、時尚觀念的不斷提高，并得益于國家政策扶持和國際產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，預(yù)計2021年我國眼鏡零售市場規(guī)模將達到1000億元。我國金屬眼鏡框絲生產(chǎn)企業(yè)約50家，基于近視和老齡化所推動的眼鏡需求的穩(wěn)定增長，國內(nèi)金屬眼鏡框絲的發(fā)展前景可期。鷹潭亨得利公司是國內(nèi)規(guī)模最大、實力最強的金屬眼鏡框絲制造商，該公司現(xiàn)擁有全自動直進式多級拉絲機65臺，進口拉拔油年采購金額100多萬元。鑒于價格昂貴、資金占用大、供貨渠道不穩(wěn)定、技術(shù)服務(wù)不到位，企業(yè)國產(chǎn)化替代的意愿十分強烈。

2 金屬眼鏡框絲拉拔設(shè)備與工藝分析

梳理拉拔成型原理，分析設(shè)備、模具、材料特點，探究應(yīng)力、熱量和拉拔力的形成規(guī)律和影響因素，是科學(xué)研發(fā)和正確選用拉拔潤滑劑的重要前提。

2.1 拉拔機結(jié)構(gòu)、工作原理及性能參數(shù)

(1)拉拔機結(jié)構(gòu)：金屬眼鏡框絲生產(chǎn)采用直進式多級拉拔機(圖1)，由放線、拉拔、收線三部分組成，各拉拔單元包含獨立電機、減速器、張緊輪(平衡杠桿)、絞盤和模具。

圖1 直進式多級拉拔機示意

(2)工作原理：工作時多臺電機同時對工件進行拉伸，為保證單位時間內(nèi)通過各模具的金屬流量相等，即A1v1=A2v2=…=Anvn(A：工件截面積，v：絞盤線速度)，通常采用PLC系統(tǒng)實現(xiàn)電機同步與張力控制的動態(tài)響應(yīng)。變頻技術(shù)使得故障和能耗大幅降低，質(zhì)量和效率明顯提高。張緊輪可自動調(diào)節(jié)絞盤轉(zhuǎn)速，并利用平衡杠桿建立反拉力。反拉力的作用具有雙向性，在增加拉拔力的同時削減了接觸面的正壓力，又使拉拔力變小，所以將反拉力控制在某個臨界值以內(nèi)有利于降低摩擦[3]。

(3)性能參數(shù)：衡量設(shè)備能力的指標有最大拉力、抗拉強度等，典型參數(shù)如表2所示。

表2 直進式多級拉拔機的主要性能參數(shù)

2.2 金屬拉拔成型原理與模具

(1)拉拔成型原理：金屬拉拔是指在外力作用下，迫使金屬工件通過模具以獲得所需形狀和尺寸制品的塑性加工方法(圖2)。

圖2 金屬拉拔成型原理示意

(2)拉拔模具：常用眼模和輥模(表3)。眼模材質(zhì)多為拋光硬質(zhì)合金(WC或TiC)和耐磨金剛石(C-C)。輥模的工作原理類似于軋制，由2～6個自由旋轉(zhuǎn)的輥輪合圍成孔型。目前輥模已逐漸取代眼模應(yīng)用于高強度材料拉拔。由于成品的截面呈異形，拉拔時通常前級用眼模來縮小直徑，后級用輥模以軋制成型。

表3 金屬拉拔模具的主要特點

表3(續(xù))

2.3 金屬眼鏡框絲產(chǎn)品與材料

(1)產(chǎn)品：金屬眼鏡框絲成品的截面細小、形狀復(fù)雜，呈軸對稱(圖3)。背型有方平型、方圓型、圓型和三角型；內(nèi)槽用來固定鏡片，槽型有V型、U型、圓型和凸型。

圖3 金屬眼鏡框絲常規(guī)產(chǎn)品橫截面示意

(2)材料：金屬眼鏡框絲的材質(zhì)通常要求重量輕、色澤光亮，硬度、彈性、耐磨性和耐腐蝕性良好。按照構(gòu)成合金的主要元素可分為鈦基(Ti-m)、鐵基(Fe-m)、鎳基(Ni-m)和銅基(Cu-m)四大類(表4)。除了純鈦，金屬眼鏡框絲幾乎都是有色金屬合金。

表4 金屬眼鏡框絲材料分類、成分及主要性能

2.4 變形應(yīng)力和殘余應(yīng)力

(1)變形應(yīng)力：來自“一拉兩壓”(圖4)，即由拉拔力作用產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力σL，以及由工作區(qū)擠壓變形產(chǎn)生的徑向壓應(yīng)力σr和周向壓應(yīng)力σθ(一般σr≈σθ)。變形應(yīng)力的分布特征：①σL：入口<出口，外部<中心；②σr和σθ：入口>出口，外部>中心[4]。

圖4 金屬拉拔變形應(yīng)力狀態(tài)及分布示意

(2)殘余應(yīng)力：變形結(jié)束后，以平衡狀態(tài)殘留在工件內(nèi)部的應(yīng)力為殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力易引起工件變形、腐蝕、裂紋。降低拉拔力可減緩不均勻擠壓，從而減少殘余應(yīng)力。

2.5 熱量和拉拔力

(1)熱量：熱量和摩擦是拉拔工藝的兩個核心。拉拔力克服變形阻力所作的功，其中約10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的增加(加工硬化)，約90%轉(zhuǎn)化為熱量[5]。由功能原理及熱力學(xué)第一定律可知，單位時間內(nèi)拉拔系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量為Q=0.9·F·v(F：拉拔力，v：拉拔速度)。持續(xù)作用的熱量使工件和模具溫度升高，工件高溫可達300 ℃，模具則超過600 ℃。

(2)拉拔力：降低拉拔力是控制發(fā)熱量、減少摩擦的重要方式。如圖5所示，取變形微元dx，令工件屈服強度為σS，模錐半角為α，摩擦系數(shù)為μ。假定微元側(cè)面壓應(yīng)力σN分布均勻(dσN=0)，無反拉力(σ0=0)。由應(yīng)力全微分方程，微元底面的軸向拉力微分為：

圖5 微元力學(xué)分析

dPx=σx·dAx+dσx·Ax

因Ax=πtan2α·x2，dAx=2πtan2α·x·dx，則：

dPx=2π tan2α·σx·x·dx+πtan2α·dσx·x2

正壓力微分在x軸的投影為：

dNx=dN·sinα=2πtan2α·σN·x·dx

由摩擦系數(shù)定義可知微元側(cè)面上的摩擦力微分為：

摩擦力微分在x軸的投影為：

dfx=df·cosα=2πμtanα·σN·x·dx

由靜力平衡條件：∑dFx=dPx+dNx+dfx=0

由近似塑性條件：σx+σN=σs[6](Mises屈服準則)

顯然在出口處的軸向拉應(yīng)力最大，此處截面積為At，所以拉拔力為：

可見，影響拉拔力的主要因素有材料性能σS、成品尺寸At、變形程度λ、模具結(jié)構(gòu)α和接觸狀態(tài)μ。如鈦合金，取σS=1200 MPa，At=10 mm2，λ=75%，α=6°，μ=0.1，則F=5893 N。

3 進口拉拔油的光譜分析與配方還原

運用紅外光譜技術(shù)、發(fā)射光譜技術(shù)及相關(guān)的理化試驗，對進口樣品進行定性和定量的測定與分析，以此獲得高相似度的基礎(chǔ)配方。

3.1 樣品來源與預(yù)處理

未知樣品來源于在用油PETROFER DRAWLUBE

SZ VG20，是德國進口的一種高性能金屬成型油，適用于高碳鋼、高鎳鉻鋼等重負荷工藝，含高組分極壓劑。因為在用油顏色變深，而且水分、灰塵、雜質(zhì)大量增加，為了減少分析干擾和偏差，測定前采用活性炭吸附精制[7]、高速離心超精過濾[8]等預(yù)處理，以脫色和過濾不良組分。

3.2 紅外光譜測定與分析

用一束平行的頻率連續(xù)變化的紅外光直射純有機物分子，同步檢測、記錄紅外光的透射光強度，可獲得該分子的紅外光譜。因為分子的官能團在能級躍遷時會選擇吸收特定頻率的紅外光，使得這部分紅外光的透射光強度減弱，在該分子的紅外光譜上會形成具有特定位置、形狀和強度的特征吸收峰?；谟袡C物分子、官能團、特征吸收峰之間的對應(yīng)關(guān)系，通過識別特征吸收峰可推斷官能團結(jié)構(gòu)，通過追溯官能團可鑒定有機物類型，同時根據(jù)特征吸收峰形狀、強度可測定有機物的相對含量。未知樣品是基礎(chǔ)油和多種添加劑(有機物)的混合物，在其紅外光譜上疊加呈現(xiàn)了所有組分的特征吸收峰(圖6)。

圖6 未知樣品紅外光譜

基礎(chǔ)油占比最高，吸收峰的特征明顯，容易鑒定為礦物油，含量75%～80%。由于多種添加劑的吸收峰難免相互干擾或重疊，且添加劑大多含量低，吸收峰表現(xiàn)微弱，使得識別和測定難度加大。首先根據(jù)發(fā)射光譜分析結(jié)果，初步判定未知樣品含有硫磷型抗磨劑、鋇類防銹劑、鋅類抗氧劑；然后在未知樣品中依次加入相應(yīng)的添加劑(每次加量1%)，逐級放大該添加劑的吸收峰強度；最后觀察吸收峰的形狀變化，確定吸收峰位置，驗證添加劑類型并測定它的相對含量。本次測定所用儀器是傅里葉變換紅外光譜儀Nicolet 6700，波數(shù)4000～400 cm-1，分辨率4 cm-1。測定結(jié)果如表5所示。

表5 未知樣品結(jié)構(gòu)分析與含量測定(紅外光譜法)

3.3 發(fā)射光譜測定與分析

物質(zhì)元素中的原子受電熱作用時，獲得能量并由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，返回基態(tài)又將輻射光能，檢測、記錄輻射光的波長和強度得到該元素的特征光譜。不同元素的原子結(jié)構(gòu)和能級狀態(tài)不同，使得不同元素的特征光譜各不相同，因此依據(jù)特征光譜的波長和強度可推斷物質(zhì)的元素構(gòu)成、測定各元素的相對含量。發(fā)射光譜法具有測定精確、多元素同步、痕量分析和無機物分析等優(yōu)勢，是紅外光譜分析重要的協(xié)同方法。本次測定所用儀器為等離子體發(fā)射光譜儀ICP-OPTIMA5300DV，測定結(jié)果如表6所示。

表6 未知樣品主要元素含量測定(發(fā)射光譜法)

3.4 確定基礎(chǔ)配方

依據(jù)上述分析和測定，結(jié)合原材料質(zhì)量、特性、價格等條件，初步選定Ⅲ類加氫礦物油75SN作為主組分，油性劑采用菜籽油復(fù)配TMPTO(三羥甲基丙烷油酸酯)，再配置極壓抗磨劑、抗氧劑和防銹劑，得到一種金屬眼鏡框絲拉拔油的基礎(chǔ)配方(表7)。

表7 金屬眼鏡框絲(有色金屬合金)拉拔油的基礎(chǔ)配方

4 金屬眼鏡框絲拉拔油的配方優(yōu)化

針對由試驗和分析確定的基礎(chǔ)配方，結(jié)合實際工況和性能要求進行添加劑的選型和優(yōu)化，重點關(guān)注基礎(chǔ)油與添加劑、添加劑與添加劑的配伍性、溶解性和協(xié)同效果。

4.1 改進高溫抗氧性能

菜籽油中不飽和脂肪酸含量超過90%，其潤滑性和生物降解性高于礦物油，但高溫穩(wěn)定性差，易氧化。為此先用巴斯夫高溫抗氧劑BASF Irganox L135與菜籽油復(fù)配，以提高菜籽油的高溫抗氧化性能。L135是一種液態(tài)高分子量酚酯，高溫揮發(fā)性極低，與各類基礎(chǔ)油的溶解性極佳，低溫時不易結(jié)晶。再用復(fù)配有高溫抗氧劑的菜籽油與TMPTO復(fù)合，可大大增強潤滑性和高溫抗氧化性。TMPTO閃點≥300 ℃，黏度指數(shù)≥180，生物降解率90%以上，常常作為高性能、高環(huán)保油性劑用于軋制、拉拔等金屬工藝用油制備[9]。

4.2 改善極壓性能

磷系極壓抗磨劑T304(亞磷酸二正丁酯)、T306(磷酸三甲酚酯)抗磨性優(yōu)良，配伍性好。T304承載能力和抗磨減摩性能優(yōu)于T306[10]，但它呈弱酸性，閃點不高(約120 ℃)，使用時易產(chǎn)生異味，此處推薦T306。因磷系極壓抗磨劑的活性較強，須復(fù)配防腐抗氧劑T203(硫磷雙辛基堿性鋅鹽)以抑制金屬氧化腐蝕。考慮到鈦合金所需拉拔力大、變形溫度高，為增強抗燒結(jié)能力，須引入非活性含硫極壓劑。非活性硫只在更高溫度下與表面金屬反應(yīng)成膜，且活性低。磷系與硫系極壓劑復(fù)合使用可互補不足、增強極壓[11]。硫系極壓劑選用萊茵化學(xué)Additin EP RC2522(二叔十二烷基三硫化物)。

4.3 增強防銹性能

T701(石油磺酸鋇)表面吸附力強，是金屬防銹通用添加劑。由于成品疊放存儲周期長，須加入T705(中性二壬基萘磺酸鋇)來提高緩蝕成分含量，有效解決疊片防銹問題。金屬眼鏡框絲材料含有高組分的有色金屬(銅、鋅、鎳、鈷、鈦等)，則須加入微量T706(苯駢三氮唑)以強化有色金屬防銹。多種防銹劑復(fù)合使用，在金屬表面可形成多層物理化學(xué)吸附膜，對抑制銹蝕起到協(xié)同增效作用[12]。T706為結(jié)晶粉末，難溶于石油溶劑，可使用增塑劑DBP(鄰苯二甲酸二丁酯)預(yù)先溶解。

4.4 提高黏溫特性

持續(xù)產(chǎn)生的變形熱量進入潤滑油循環(huán)系統(tǒng)，使油品黏度變小，油膜變薄，導(dǎo)致潤滑不良、磨損加劇，因此要盡可能提高油品的黏度指數(shù)，確保油品在高溫時具備足夠的黏度和潤滑性。Ⅲ類礦物油的黏度指數(shù)一般在110以上，為獲得更好的黏溫性和氧化安定性，可加入適量的黏度指數(shù)改進劑T602(聚甲基丙烯酸酯)。T602是含有極性基的聚合物，基于不同溫度下呈現(xiàn)不同的形態(tài)來影響潤滑油的黏度，并具有降凝作用[13]。T602在室溫下呈膠狀或固態(tài)，可用礦物油稀釋為5%～10%的濃縮液。

5 金屬眼鏡框絲拉拔油的應(yīng)用與效果

通過小樣配制確定配方各組分質(zhì)量分數(shù)，通過試用監(jiān)測考察油品性能的穩(wěn)定性，結(jié)合應(yīng)用反饋精細調(diào)整配方，最終形成滿足國產(chǎn)化替代和工業(yè)化應(yīng)用的新產(chǎn)品。

5.1 小樣配制與試用監(jiān)測

針對優(yōu)化后的基礎(chǔ)配方，參照油品性能和用戶要求，反復(fù)配制、調(diào)整小樣，確定基礎(chǔ)油和各添加劑的質(zhì)量分數(shù)。小樣的常規(guī)理化分析和四球試驗數(shù)據(jù)見表8。

按照小樣配方組織小批量試生產(chǎn)，同時在2條鎳合金和1條鈦合金拉拔生產(chǎn)線上試用。取樣周期選定0 h、100 h、200 h、300 h、400 h、500 h，重點監(jiān)測40 ℃運動黏度(圖7)和燒結(jié)負荷PD值(圖8)。監(jiān)測顯示，油品運動黏度和燒結(jié)負荷變化平穩(wěn)，添加劑消耗正常，基本符合實際工況。

圖7 試用監(jiān)測：運動黏度(40 ℃)

圖8 試用監(jiān)測：燒結(jié)負荷PD值

5.2 新產(chǎn)品性能測試

根據(jù)試用監(jiān)測結(jié)果最終確定可供工業(yè)應(yīng)用的新產(chǎn)品配方，并依此組織批量生產(chǎn)。經(jīng)測試，新產(chǎn)品各項性能指標全面優(yōu)于進口油。新產(chǎn)品、小樣、在用油的常規(guī)理化分析和四球試驗數(shù)據(jù)對比如表8所示。

表8 金屬眼鏡框絲(有色金屬合金)拉拔油主要性能指標

5.3 工業(yè)化應(yīng)用效果

應(yīng)用期間，客戶對金屬眼鏡框絲的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)工藝進行了監(jiān)測，結(jié)果表明：產(chǎn)品外觀光滑，色澤均勻，無裂紋、起皮、綠斑等缺陷，截面尺寸允差、維氏硬度等指標均符合質(zhì)量標準；設(shè)備運行平穩(wěn)正常，未發(fā)生卡機、斷線等故障，模具磨損和動力消耗明顯下降。經(jīng)過2年多工業(yè)化應(yīng)用，拉拔油新產(chǎn)品無論在功效性、穩(wěn)定性和環(huán)保性方面，還是在技術(shù)服務(wù)和經(jīng)濟效益方面，都獲得了市場的一致好評。

6 結(jié)束語

本課題通過研究得出以下結(jié)論：

(1)影響拉拔力的主要因素是材料性能、成品尺寸、變形程度、模具結(jié)構(gòu)和接觸狀態(tài)。合理設(shè)計潤滑劑，減小摩擦系數(shù)，能有效降低拉拔力。

(2)紅外光譜技術(shù)、發(fā)射光譜技術(shù)用于未知混合物的構(gòu)成分析具有明顯優(yōu)勢，能夠快速推斷各組分的分子結(jié)構(gòu)，精確測定各組分的相對含量。

(3)油性劑、極壓劑、防銹劑、高溫抗氧劑的選用是拉拔油配方設(shè)計的關(guān)鍵。不同類型的極壓劑或防銹劑復(fù)合使用時可互補不足、增強效果。

(4)金屬眼鏡框絲拉拔油新產(chǎn)品的性能指標全面超越進口油，尤其極壓性、防銹性表現(xiàn)突出。新產(chǎn)品特別適用于有色金屬合金的重負荷拉拔。