切削液及其添加劑的進展

1　水溶性切削液

水基潤滑劑的優(yōu)點是冷卻性好, 價廉易得, 加工件易清洗, 主要用于高速切削加工工序中。近年來由于水基潤滑劑的組分的改進, 大大提高了它的潤滑性能和防腐蝕能力, 因而需求量日漸增大, 尤其在對鋁和銅材加工方面。水基潤滑添加劑可分為油溶性和水溶性兩種。油溶性添加劑的使用性能同礦物油中的一樣。為使油溶性添加劑分散到水中需加入表面活性劑。水溶性添加劑可在油溶性添加劑分子中引入水溶性基團而制得。如: 2COOH, 2NH2, 2OH等。水溶性切削液可以分成乳化液, 化學合成液和半合成液三類, 都可用于輕中高負荷的切削加工。

1. 1　乳化型切削液

乳化液是將濃縮液用水稀釋而成的乳狀液體。乳化液將油的潤滑性和防銹性與水的優(yōu)異的冷卻性能結合起來。它對于有大量熱生成的高速低壓力的金屬切削加工是很有效的。乳化液中極壓劑類同切削油, 也有一些新的劑型, 它們通過在油溶性添加劑分子中引入水溶性基團而制得; 水溶性添加劑效果更好, 如果分子中同時還具有油性基團; 再在分子中引入適當?shù)幕钚詷O壓元素, 如S、P、C I、Mo、B 或極壓基團, 就可能兼有油性劑及極壓抗磨劑的雙重功效。一般具有潤滑作用的油性物均可作為油性劑, 如油酸類添加劑(油酸鈉皂、油酰三乙醇胺、油酸酯、油酸硼酸酯等)。此外, 含稀土元素的有機化合物, 無機硅酸鹽, 有機硅化合物在水基切削液中有良好表現(xiàn),如硅酸鈉與亞磷酸二正丁酯有較好的配伍性, 比例合適時能更好地發(fā)揮硅酸鈉在水基液中的抗磨減摩性能。研制性能優(yōu)良的水溶性極壓抗磨添加劑是研究人員追求的目標, 最近南昌大學的林峰合成了一種水溶性稀土配合物Ce2DO P (二壬基酚聚氧乙烯醚磷酸鈰) [ 8 ] , 實驗結果表明, Ce2DO P 在水中的含量為2% (質(zhì)量分數(shù)) 左右時可顯著改善水的極壓性能。這方面潛力很大, 有待深入研究。在水溶性切削液中防銹劑必不可少。防銹性能對于加工部位的質(zhì)量、產(chǎn)品合格率以及機床的保養(yǎng)等有著十分重要的意義。防銹性良好且價格低廉的防銹劑首推亞硝酸鹽, 但它屬于致癌物質(zhì), 已在許多國家被禁止使用。此外常見的防銹劑有如下幾種: 1.磷酸鹽, 它能在金屬表面形成鈍化膜從而具有防銹作用, 以聚磷酸鹽為典型; 2. 硅酸鈉: 在水溶液中以帶負電荷的膠體粒子形式存在, 屬腐蝕抑制劑; 3. 苯甲酸鈉: 屬于有機水溶性緩蝕劑, 它的保護作用是在金屬表面形成不溶性的絡合膜, 但僅對鋼有效, 對鋁、鋅、鑄鐵反而會加速腐蝕; 4. 單乙醇胺, 二乙醇胺, 三乙醇胺, 這些短期內(nèi)可有效防止鋼件生銹, 且與苯甲酸鈉有協(xié)同效應; 還有硼砂, 石油磺酸鹽等。最近又有多種新型防銹劑報導, 如含硼添加劑, 含氮添加劑, 硫磷型, C6～ C10低碳酸有機防銹劑等。

水基液中表面活性劑和其它輔助添加劑都非常重要. 常見的表面活性劑有: 1. 陰離子型: 如脂肪酸皂, 石油磺酸鹽; 2. 非離子型: 山梨糖醇酯, 聚醚等;3. 陽離子系如脂肪酸烷基酰胺等。陽離子系活性劑防銹較好, 非離子系則表現(xiàn)出較好的滲透性和清洗性。其它的輔助添加劑如非鐵金屬防蝕劑: 苯三唑,咪唑啉, 硫代重氮多硫化物, 烷基二硫代苯駢咪唑,二烷基二硫代磷酸鋅等等; 防腐劑: 鄰苯基苯酚, 四氯代酚。對氯間二甲基酚, 六氫化三吖嗪, 三溴水楊酰胺和二溴水楊酰胺的混合物等; 消泡劑: 硅油乳劑, 高級醇。這些輔助添加劑雖然添加量很少卻不可忽略, 同時與主功能添加劑的復合過程中有否配伍性也是必須考慮的。

2. 2　全合成切削液

化學合成液以無機鹽和有機胺為主體, 添加防腐劑等, 用水稀釋后變成透明狀態(tài)。抗泡沫性, 防腐性好, 但切削性差, 一般只用于磨削加工, 很少用于切削加工。合成液優(yōu)點是: 經(jīng)濟, 散熱快, 清洗性好,具有極好的加工可見性, 易稀釋、穩(wěn)定性好、不析油不析皂, 有良好的防銹性; 另外, 化學合成液不含細菌的營養(yǎng)物質(zhì), 微生物在合成液中難以生存, 不易腐敗發(fā)臭。合成液也存在一些不足: 潤滑性不足, 滑動部件容易粘著; 洗凈性過高, 操作人員的手易脫脂,導致皮炎; 防銹性不如油基切削劑。

2. 3　微乳液

半合成液切削潤滑劑是半透明或透明的液體,又稱微乳液。乳化微粒直徑小于1 Lm, 其浸透性, 清洗性和冷卻性極佳, 并且便于觀察, 它集乳化液和合成液的優(yōu)點于一身, 又具有合適的極壓性能, 是非常有發(fā)展前景的一類切削液[ 9 ]。但它的穩(wěn)定性不及全合成型, 容易起泡沫(可通過加消泡劑加以解決)。其主要成分是水和表面活性劑, 礦物油、脂肪油和極壓劑含量均低于乳化油。

2　氣態(tài)切削劑

氣態(tài)切削劑具有冷卻和潤滑作用。某些氣體還可以氧化切削中的新鮮表面, 防止刀具熔融金屬, 減少摩擦。另外, 所有氣體的對流和液體汽化都有良好的冷卻能力。空氣是最常見的氣態(tài)切削劑, 也是干切削時唯一的切削劑。將壓縮空氣直接吹到切削區(qū)域,強迫對流以減少切削熱, 同時吹走切屑。氬、氦和氮等情性氣體還可用來防止工件和切屑的氧化。也可用沸點低于室溫的氣體作切削劑, 如向切削點吹入壓縮的氟里昂(氟氯烷烴) 或二氧化碳氣體, 由于蒸發(fā), 加工溫度可達零下幾十度, 可大大提高刀具壽命, 且透明不會污染工件及設備。但成本高, 特殊情況才使用。

3　半固體潤滑劑

還有一類膏狀及固體潤滑劑, 在攻絲或手鉸時,常常涂到工具或工件表面。有些砂輪也浸有固體潤滑劑。在特殊情況下, 比如刃磨刀具時, 砂輪用硫處理過, 使之在濕磨中有良好的冷卻作用, 有的用蠟筆涂在砂輪上, 從而有一定的潤滑效果。這類切削劑有時可加入膠體二硫化鉬或膠體石墨。主要應用于有跳動或彈動的重負荷切削加工中。目前液晶化合物成為半固體潤滑劑家族中的熱門話題。從有關資料中看到傳統(tǒng)的潤滑油中入液晶化合物潤滑效果很好, 其中溶致液晶[ 10 ]合成方便, 價格低廉, 嘗試將其作為金屬切削液潤滑添加劑可能會有良好的應用前景。

4　結語

金屬切削液技術涉及的添加劑種類繁多, 發(fā)展很快, 尤其微乳液技術很有市場潛力。開發(fā)環(huán)境友好添加劑已成為世界潮流, 即除了要滿足加工和排放要求, 還要求可生物降解。由于國外這方面的技術已經(jīng)把我們拉開了一大截, 因此需要國內(nèi)潤滑及相關行業(yè)的研究人員加強交流, 團結合作, 深入研究各種添加劑的配伍規(guī)律, 同時結合納米材料技術和生物技術, 開發(fā)多功能的環(huán)境友好切削添加劑, 力爭早日趕上世界先進水平。