自乳化酯在全合成切削液中的性能研究*

曾海燕 王一助 戴恩期 向 暉

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 廣東廣州 510700)

水基金屬加工液具有冷卻效果好、可節(jié)約能源和提高工作效率等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于金屬加工工藝中，起到良好的使用效果。水基金屬加工液產(chǎn)品可分為乳化油、半合成液和全合成液三大類(lèi)[1]。全合成切削液具有使用壽命長(zhǎng)，易于再生處理等特點(diǎn)，隨著近年來(lái)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，已廣泛用于金屬加工過(guò)程中[2-4]。全合成液含水量高，冷卻效果非常優(yōu)異；但其不含油，潤(rùn)滑效果一般，一般通過(guò)添加大量潤(rùn)滑極壓劑以提高其潤(rùn)滑效果[5-6]。

自乳化酯由于其特殊結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的生物降解性能和低毒特性?？紤]到其兼具乳化性和酯類(lèi)化合物的潤(rùn)滑性，研發(fā)工程師將其用于金屬加工液配方研發(fā)中，在潤(rùn)滑和抗泡方面取得了良好的應(yīng)用效果，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于金屬加工液中[7]。研究表明，使用高分子量的自乳化酯可以有效提高金屬乳化切削液的潤(rùn)滑性能，已成為開(kāi)發(fā)潤(rùn)滑性能優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)的金屬乳化切削液的重要添加劑之一[8]。

傳統(tǒng)合成切削液其潤(rùn)滑劑主要以聚醚或脂肪酸為主，聚醚的潤(rùn)滑效果主要體現(xiàn)在它的逆溶性，當(dāng)切削溫度高于聚醚的濁點(diǎn)時(shí)，聚醚從溶液中析出形成油滴狀，為切削加工提供良好的流體潤(rùn)滑[9]。但以聚醚作為潤(rùn)滑劑的全合成切削液，普遍存在潤(rùn)滑性能低、聚醚析出粘附金屬屑；以四聚蓖麻油酸酯等脂肪酸類(lèi)作為潤(rùn)滑劑的全合成切削液，存在泡沫大、抗硬水差、易滋生細(xì)菌、使用壽命短等問(wèn)題[10]。為探討自乳化酯作為全合成切削液主潤(rùn)滑劑的可能性，本文作者采用市售的聚醚、四聚蓖麻油酸酯、自乳化酯3種材料作為潤(rùn)滑劑，調(diào)配了不同的合成切削液配方，借助Micro Tap攻絲扭矩和四球抗磨性能和泡沫特性等試驗(yàn)方法，對(duì)3種材料的潤(rùn)滑性、抗磨性能和泡沫性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料：自乳化酯Priolube 3952，工業(yè)級(jí)；聚醚RPE 1720，工業(yè)級(jí)；四聚蓖麻油酯Hostagliss L4，工業(yè)級(jí)；耦合劑，工業(yè)級(jí)。

Priolube 3952自乳化酯主要是以植物油中大量的不飽和鍵與不飽和脂肪酸或酸酐進(jìn)行加成，再用氨基醇將羧酸或酸酐進(jìn)行部分酯化[11]。自乳化酯結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有酯基團(tuán)和較多強(qiáng)極性基團(tuán)(如羧基、羧酸根)，這類(lèi)自乳化酯以游離酸形式存在時(shí)酸值較大，使用時(shí)需要用一定量的堿性物質(zhì)加以中和[12]。該自乳化酯具有植物油優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，且結(jié)構(gòu)中不含聚氧乙烯醚鏈段，抗泡沫性能優(yōu)異[13]。

1.2 合成切削液的配制

以市售的聚醚、四聚蓖麻油酸酯、自乳化酯作為潤(rùn)滑劑，調(diào)配5種合成切削液配方，如表1所示，同時(shí)還配制了參比樣R。

表1 切削液配方

1.3 試驗(yàn)方法

(1)四球摩擦磨損試驗(yàn)

使用四球抗磨試驗(yàn)機(jī)，按照D-4172標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%全合成切削液的磨斑直徑和摩擦因數(shù)。

(2)攻絲扭矩試驗(yàn)

采用Micro Tap G8型攻絲扭矩試驗(yàn)機(jī)測(cè)定全合成切削液的潤(rùn)滑性能。扭矩試驗(yàn)機(jī)是模擬金屬攻絲加工的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)使用絲錐在試驗(yàn)板材上進(jìn)行攻絲試驗(yàn)，選用不同的切削液作為冷卻介質(zhì)，采集攻絲過(guò)程中的扭矩，參照ASTM D—5619方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。試驗(yàn)條件如表2所示。選取其中一個(gè)樣品作為參比樣品，采用相對(duì)效率來(lái)比較潤(rùn)滑性能的優(yōu)劣。計(jì)算公式為

表2 Micro Tap攻絲扭矩試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)條件

(3)泡沫試驗(yàn)：參考CNOMO的D655212方法的液體循環(huán)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)全合成切削液的泡沫性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 自乳化酯的潤(rùn)滑性能研究

5種合成切削液樣品在Micro Tap攻絲扭矩試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行潤(rùn)滑性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。比較不同自乳化酯添加量的樣品C、D和E的結(jié)果可知，隨著自乳化酯添加量的增加，合成切削液的潤(rùn)滑性能提升；比較樣品A、B和C的結(jié)果可以得出，在相同添加量的情況下，自乳化酯與四聚蓖麻油酸酯的潤(rùn)滑性能大體相當(dāng)，且顯著優(yōu)于聚醚的潤(rùn)滑性能；比較樣品A和E的結(jié)果可以看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%自乳化酯的樣品E與添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%聚醚的樣品A的潤(rùn)滑性能基本相當(dāng)。由此可見(jiàn)，對(duì)于鋼和鋁合金加工，在切削液中添加一定量的自乳化酯，具有和四聚蓖麻油酸酯相當(dāng)?shù)臐?rùn)滑性能，且顯著優(yōu)于聚醚類(lèi)添加劑的潤(rùn)滑性能。這是由于自乳化酯利用植物油(不飽和程度較高的大豆油或菜籽油)中的不飽和脂肪酸進(jìn)行加成和部分酯化，這種自乳化酯由于結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)較多，且其脂肪酸碳鏈聚合加成，在金屬表面具有較強(qiáng)的吸附性能，因而具有良好的潤(rùn)滑性能。

表3 切削液攻絲扭矩試驗(yàn)結(jié)果 單位：%

2.2 自乳化酯的抗磨性能研究

選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的切削液，在四球試驗(yàn)機(jī)上在196 N負(fù)載下長(zhǎng)磨30 min，測(cè)試各切削液潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)、磨斑直徑，考察自乳化酯、聚醚、四聚蓖麻油酸酯3種潤(rùn)滑劑的減磨、抗磨效果。結(jié)果如圖1、2所示。

從圖 1可以看出，與參比樣R相比，隨著潤(rùn)滑添加劑的加入，切削液樣品A、B、C的長(zhǎng)磨摩擦因數(shù)顯著降低。未添加潤(rùn)滑劑的切削液參比樣R的摩擦因數(shù)為0.353，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中摩擦因數(shù)曲線上下波動(dòng)較大；添加聚醚潤(rùn)滑劑的樣品A的摩擦因數(shù)顯著下降，為0.121，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中摩擦因數(shù)曲線變得平滑；添加四聚蓖麻油酸酯的樣品B的摩擦因數(shù)降至0.089，為3種潤(rùn)滑劑中最低；添加自乳化酯的樣品C的摩擦因數(shù)降至0.103。

圖1 含不同添加劑的合成切削液的摩擦因數(shù)曲線

圖 2 長(zhǎng)磨鋼球表面磨斑的電鏡圖

由圖 2可知，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，參比樣R、樣品A、樣品C、樣品B為切削液時(shí)的磨斑直徑分別為1.12、0.82、0.71、0.68 mm，表明樣品B的抗磨性能最好，然后依次為樣品C、樣品A、參比樣R。切削液中在沒(méi)有添加潤(rùn)滑劑條件下的鋼球表面的劃痕較深，磨斑直徑較大。切削液中加入聚醚類(lèi)潤(rùn)滑劑后，鋼球表面明顯變得光滑，犁溝變淺，說(shuō)明聚醚在切削液中具有一定的抗磨性。這可能是由于在長(zhǎng)磨過(guò)程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼球間摩擦產(chǎn)生熱量，當(dāng)溫度高于聚醚的濁點(diǎn)時(shí)，聚醚從切削液中析出，形成一層油狀物質(zhì)，吸附在鋼球表面降低鋼球間的摩擦力，使得摩擦因數(shù)降低[14]。而切削液中加入四聚蓖麻油酸酯后，鋼球磨斑直徑明顯變小，鋼球表面劃痕很淺，沒(méi)有犁溝。這主要是由于四聚蓖麻油酸酯含有羧基官能團(tuán)，具有較強(qiáng)的極性，容易吸附在鋼球表面，形成一層潤(rùn)滑膜，增加切削液的油膜強(qiáng)度，在長(zhǎng)磨過(guò)程中顯著降低摩擦因數(shù)，使得磨斑直徑變小。自乳化酯由于結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)較多，使得這其在金屬表面具有較強(qiáng)的吸附性，從而提高了切削液的潤(rùn)滑性能。

2.3 自乳化酯的泡沫性能研究

泡沫是氣體在液體中的一種粗分散體系，氣體占據(jù)大部分的體積，液體成為在氣泡之間的薄膜[15]。當(dāng)高分子化合物類(lèi)潤(rùn)滑劑或表面活性劑加入至切削液中，在氣液界面上形成一層吸附膜，就有可能形成比較穩(wěn)定的泡沫[16]。隨著現(xiàn)代機(jī)床的大規(guī)模普及，主軸轉(zhuǎn)速越來(lái)越快，切削液的噴流壓力也越來(lái)越大，如果切削液的消泡性能差就會(huì)引起一些問(wèn)題，例如泡沫使切削液冷卻性能下降，致使工件表面燒傷；大量泡沫還會(huì)削弱刀具與工件接觸面的冷卻和潤(rùn)滑效果；泡沫使得切削液流失，導(dǎo)致加工費(fèi)用增加；泡沫還會(huì)造成空穴現(xiàn)象，導(dǎo)致抽液泵壽命縮短[17-18]。因此，評(píng)定切削液的抗泡性能非常重要。

采用液體循環(huán)泡沫試驗(yàn)機(jī)對(duì)含自乳化酯、聚醚、四聚蓖麻油酸酯3種潤(rùn)滑劑的切削液的抗泡性能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 含不同添加劑的合成切削液的泡沫性能

從圖3可知，添加聚醚的樣品A的起泡量明顯少于添加四聚蓖麻油酸酯的樣品B和添加自乳化酯的樣品C，且消泡速度也最快；添加自乳化酯的樣品C的泡沫體積為200 mL，15 min后泡沫體積為160 mL；四聚蓖麻油酸酯的泡沫體積達(dá)280 mL，且消泡速度也最慢，15 min后仍有180 mL。這是因?yàn)榫勖延蒃O環(huán)氧乙烷、PO環(huán)氧丙烷嵌段聚合而成，EO親水性強(qiáng)，PO親油性強(qiáng)，EO含量越高，HLB值越高，相對(duì)濁點(diǎn)越高，泡沫相對(duì)越多，且聚醚在磨削過(guò)程中隨著溫度的上升相對(duì)析出越少，相對(duì)消泡速度越慢；自乳化酯的結(jié)構(gòu)中可能包括羧基基團(tuán)、聚氧乙烯鏈和聚氧丙烯或聚氧丁烯鏈段，與有機(jī)胺中和后，具有非常好的乳化能力，且泡沫傾向較低；四聚蓖麻油酸酯分子中同時(shí)有大量羥基、雙鍵以及羧基官能團(tuán)，可以發(fā)生多種反應(yīng)，與有機(jī)胺或無(wú)機(jī)堿反應(yīng)后，生成的蓖麻油酸銨鹽乳化能力強(qiáng)，相對(duì)泡沫較多。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)攻絲扭矩試驗(yàn)機(jī)和四球抗磨試驗(yàn)機(jī)，考察含有聚醚、四聚蓖麻油酸酯和自乳化酯的全合成切削液的潤(rùn)滑性能和抗磨性能。結(jié)果表明：自乳化酯在全合成切削液中的潤(rùn)滑性能及抗磨性能顯著優(yōu)于聚醚，與四聚蓖麻油酸酯潤(rùn)滑性能相當(dāng)。

(2)通過(guò)泡沫試驗(yàn)機(jī)，考察含有聚醚、四聚蓖麻油酸酯和自乳化酯的全合成切削液的抗泡性能。結(jié)果表明：自乳化酯在全合成切削液中的抗泡性能顯著優(yōu)于四聚蓖麻油酸酯，與聚醚的抗泡性能相當(dāng)。

(3)自乳化酯是一種不含硫、磷、氯等元素，對(duì)環(huán)境友好、綠色環(huán)保的潤(rùn)滑劑，具有良好的潤(rùn)滑及抗磨作用，且泡沫相對(duì)較低，可以與其他類(lèi)型添加劑復(fù)配，廣泛用于全合成切削液中。