不同體系金屬加工液表面性能研究

郎需進(jìn)，張杰，尤龍剛，陳志忠，火鵬飛

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

不同體系金屬加工液表面性能研究

郎需進(jìn)，張杰，尤龍剛，陳志忠，火鵬飛

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

研究了油基金屬加工液的運(yùn)動(dòng)黏度及水基金屬加工液的表面張力變化對(duì)產(chǎn)品沉降性能和浸潤(rùn)性能的影響。結(jié)果表明，低黏度油基金屬加工液浸潤(rùn)性能優(yōu)于高黏度油基金屬加工液，有利于金屬碎屑的沉降；含有表面活性劑的乳化型金屬加工液、微乳型金屬加工液的沉降性能、浸潤(rùn)性能大幅提高。

金屬加工液；黏度；沉降性能；浸潤(rùn)性能

0 引言

金屬加工是機(jī)械制造中最主要的加工方法，使用金屬加工液是提高加工質(zhì)量和降低加工成本的重要方式。因此，金屬加工液已變成一個(gè)產(chǎn)業(yè)，成為第二大工業(yè)潤(rùn)滑材料[1]。為了降低金屬加工力及模具、刀具等與工件間的摩擦，提高加工效率和工件表面質(zhì)量，金屬加工對(duì)切削液的表面性能有較高要求，如浸潤(rùn)性能、沉降性能等[2]。這些性能對(duì)金屬加工液能否起到良好的潤(rùn)滑、冷卻、清洗作用至關(guān)重要。

一般來(lái)說(shuō)，低黏度液體比高黏度液體滲透性好，油基加工液的滲透性比水基加工液滲透性好[3]。本文考察了不同黏度油基金屬加工液在沉降性能及浸潤(rùn)性能上的表現(xiàn)差異，研究了水基金屬加工液表面張力對(duì)其沉降性能、浸潤(rùn)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試樣

1.1.1 儀器

克呂氏K100表面張力儀，德國(guó)克呂氏公司；CAV2100全自動(dòng)運(yùn)動(dòng)黏度儀，美國(guó)CANNON公司；DMA4500密度計(jì)，奧地利Anton Paar公司。

1.1.2 試樣

1#，2#，3#油基金屬加工液；1#，2#，3#水基金屬加工液，均為實(shí)驗(yàn)室配制。鋁粉(分析純)，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；還原鐵粉(分析純)，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1 表面張力測(cè)定[4]

使用吊片法進(jìn)行表面張力測(cè)定。20 ℃溫度下將金屬鉑金片垂直于測(cè)試液體表面之上，用外力將鉑金片拉起，測(cè)量出此鉑金片拉離液面所需的最大力。在理想情況下，此最大力線性相關(guān)于表面張力(γ)。

1.2.2 浸潤(rùn)性能測(cè)定

在固定直徑與高度的石英管內(nèi)裝入固定量的鐵粉，然后將石英管垂直于測(cè)試液體表面之上，測(cè)試開(kāi)始時(shí)，表面張力儀自動(dòng)控制其接觸液面。

1.2.3 沉降性能測(cè)定

將一定量鋁粉攪拌分散于測(cè)試液中，然后將固定直徑的傘狀金屬粉末收集器倒立插入液體內(nèi)固定深度，測(cè)試開(kāi)始時(shí)，表面張力儀自動(dòng)檢測(cè)鋁粉沉降在傘狀金屬內(nèi)的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1不同金屬加工液理化數(shù)據(jù)

試驗(yàn)用金屬加工液理化性質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 各類(lèi)金屬加工液理化性質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)

注：*水基產(chǎn)品，未檢測(cè)。

由表1可以看出，除黏度很小的輕油基礎(chǔ)油外，其他油基加工液和乳化油的20 ℃表面張力均在30 mN/m以上，而微乳型加工液的表面張力較兩者而言明顯偏低；而由于水基加工液(工作液)中水含量非常高，所以其密度高于油基加工液。

2.2油基金屬加工液表面性能分析

在恒溫條件下，考察了不同表面張力、黏度油基加工液產(chǎn)品的沉降性能和浸潤(rùn)性能，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同黏度油基加工液的沉降性能

圖2 不同黏度油基加工液的浸潤(rùn)性能

由圖1、圖2可見(jiàn)，從曲線斜率上可以判斷，鋁粉在三種油基加工液中的沉降速度和浸潤(rùn)速度的大小順序均為1#油基加工液>2#油基加工液>3#油基加工液。其中，鋁粉在1#、2#和3#加工液中沉降完成時(shí)間分別為10 s、200 s和大于200 s；1#、2#和3#加工液浸潤(rùn)全部鐵粉的時(shí)間分別為20 s、550 s和大于800 s。究其原因，加工液的黏度決定了油基產(chǎn)品沉降性能和浸潤(rùn)性能的優(yōu)劣。因此，在選用側(cè)重沉降性能或浸潤(rùn)性能的油基金屬加工液時(shí)，應(yīng)首先考慮運(yùn)動(dòng)黏度因素。其次，油基加工液產(chǎn)品的表面性能也相關(guān)于其表面張力。圖1中沉降平衡時(shí)沉降量的不同是由傘狀金屬粉末收集器上方懸浮的鋁粉多少造成的，圖2中加工液的最終吸附量的不同則是由加工液密度、鐵粉量決定。

2.3不同基礎(chǔ)液金屬加工液表面性能分析

考察了不同基礎(chǔ)液(油基、水基)金屬加工液產(chǎn)品的沉降性能和浸潤(rùn)性能，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同基礎(chǔ)液金屬加工液的沉降性能

圖4 不同基礎(chǔ)液金屬加工液的浸潤(rùn)性能

由圖3可見(jiàn)，從曲線斜率上可以判斷，雖然2#油基加工液的表面張力小于2#、3#水基加工液，但鋁粉在水基加工液產(chǎn)品的沉降速度明顯快于所有的油基產(chǎn)品。其中微乳型產(chǎn)品略?xún)?yōu)于乳化油型產(chǎn)品，原因?yàn)樗a(chǎn)品中含有大量乳化劑，降低了體系的表面張力，從而對(duì)金屬表面的浸潤(rùn)速度較快。

由圖4可見(jiàn)，不同基礎(chǔ)液的金屬加工液的鐵粉浸潤(rùn)性能規(guī)律與圖3所示規(guī)律相同，即水基加工液浸潤(rùn)(滲透)鐵粉的速度較油基產(chǎn)品快，而水基產(chǎn)品中微乳型產(chǎn)品快于乳化油型。不同基礎(chǔ)液加工液的表面張力大小與其表面性能之間無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，同基礎(chǔ)液的加工液表面張力與其表面性能之間有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)除黏度很小的輕油基礎(chǔ)油外，油基金屬加工液與乳化油型加工液的表面張力大小相當(dāng)，明顯高于微乳型產(chǎn)品。

(2)油基金屬加工液產(chǎn)品的黏度對(duì)產(chǎn)品沉降性能和浸潤(rùn)性能影響至關(guān)重要。黏度越小，金屬粉末沉降越快，液體在金屬表面吸附、浸潤(rùn)越快。

(3)水基金屬加工液的沉降性能、浸潤(rùn)性能明顯優(yōu)于油基產(chǎn)品。微乳型加工液產(chǎn)品的沉降性能、浸潤(rùn)性能等表面性能略?xún)?yōu)于乳化油型產(chǎn)品。

(4)由于水基和油基是兩種不同基礎(chǔ)液體系，不能僅依據(jù)表面張力進(jìn)行其表面性能的預(yù)判。

[1] 李茂生.金屬加工液的開(kāi)發(fā)應(yīng)用與評(píng)價(jià)方法[J].潤(rùn)滑與密封，2010, 35(11):123-127.

[2]王文昌，陸春，顧浩.黏度與表面張力對(duì)硅片切割液穩(wěn)定性能影響的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2015, 36(2):387-391.

[3]王先會(huì).金屬加工油劑選用指南[M].北京：中國(guó)石化出版社,2013：85.

[4]李明遠(yuǎn)，吳肇亮.石油乳狀液[M].北京：北京科學(xué)出版社,2009:132-133.

Study on the Surface Properties for Metalworking Fluids with Different System

LANG Xu-jin, ZHANG Jie, YOU Long-gang, CHEN Zhi-zhong, HUO Peng-fei

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

The influence of kinematic viscosity change of oil-based metalworking fluids and surface tension change of water-based metalworking fluids on the sedimentation and infiltration properties of the products was investigated. The result shows that，the lower viscosity is good for the infiltration property of oil-based metalworking fluids，and is conductive to the settlement of metal debris. The sedimentation property and infiltration property of emulsified oil and microemulsion increase significantly because they contains lots of emulsifier.

metalworking fluid; viscosity; sedimentation property; infiltration property

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.007

1002-3119(2017)05-0033-03

TE626.39

A

2017-06-29。

郎需進(jìn)，高級(jí)工程師，2004年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，從事金屬加工液產(chǎn)品研究工作，已公開(kāi)發(fā)表論文10余篇。E-mail：langxujin_rhy@petrochina.com.cn