半合成铝合金切削液的研制及应用

2020-12-30

石油商技 2020年6期

中国石化润滑油有限公司上海研究院

汽车零部件制造业是切削液的最大终端用户之一[1]。与其他材料相比，铝合金密度小、强度高，具备减重效果好的优势，符合国内外环保要求、汽车轻量化及新能源汽车的规划[2]。近年来已有越来越多的车型采用了全铝车身或钢铝混合车身[3，4]。但铝合金化学活性较强，质地较软，黏性强，生产加工中出现的问题也比较多[5]，为了降低刀具与铝合金之间的摩擦，往往需要加入具有不同功能的切削液[6]。

高含油量的乳化液加工时存在使用寿命短、加工时能见度较差、易腐败发臭、废液较难处理等问题。全合成型切削液在使用过程中有润滑性不够等情况。半合成切削液的润滑、清洗和冷却性能介于乳化液和合成切削液之间，综合了乳化液和合成液的优点，弥补了它们的不足，性能优异，通用性强[7]。

针对上述市场需求，有必要及时开发半成型铝合金切削液。目前根据客户工艺材质现状和用液需求，本文研制了一种具有优异的防锈性和消泡性等性能的半合成铝合金切削液，以满足设备的使用要求。目前产品已成功实现工业应用。

配方研制

半合成切削液是透明稳定、均匀分散的油水混合体系，在表面活性剂及耦合剂的共同作用下自发形成的[8]。研制的关键是基础油与各功能添加剂的合理选择和复配，以达到良好的防锈性、防腐蚀性和润滑冷却等性能。

基础油的选择

基础油是半合成切削液的主要组成部分，其对切削浓缩液的调配、储存稳定性以及稀释液的现场维护影响很大。不同类型的基础油由于烷烃、环烷烃和芳香烃含量的不同，其化学和物理性质如倾点、黏度指数和苯胺点等方面有明显不同。与石蜡基油相比，环烷基油环烷烃含量高，正构烷烃含量少且芳烃含量低，具有独特的理化性能，密度在0.9 g/cm3左右，与水的密度接近，对添加剂的溶解能力强，容易乳化并且有较好的乳化稳定性[9]。为使配方达到适宜的有效成分和润滑性，故基础油选用对添加剂有良好的相溶性且较为稳定的环烷基油作为基础油原料。

乳化剂的选择

乳化剂是半合成切削液最主要的添加剂之一。非离子型乳化剂在水中溶解后不电离，根据亲水基团类型不同可分为多元醇型和聚氧乙烯型。该乳化剂稳定性比较好，受酸碱和强电解质等的影响较少[10]。阴离子型乳化剂为在水中解离产成带有烷基或芳基的负电荷亲水基团的乳化剂，常见如磺酸盐等，有利于增强切削液的防锈性能。阳离子型乳化剂通常在全合成切削液使用[8]。选用阴离子型乳化剂和非离子型乳化剂，两种类型混合使用既可以维持浓缩液稳定性，又可以增强乳化效果。乳化剂的配伍性考察结果见表1。

由表 1 可见，4号方案原液外观均一透明，稀释液状态符合指标要求，因此选用4号方案作为乳化剂体系。

表1 乳化剂的配伍性考察

防锈防腐蚀剂的选择

切削液在实际使用过程中一般需要用90%以上的水进行稀释，为保护机床、刀具和工件不受切削液的侵蚀，需要在切削液中加入合适的防锈剂，从而在金属表面形成保护膜，防止锈蚀问题的发生。防锈剂一般有两大类：无机防锈剂和有机防锈剂。无机防锈剂主要针对的是工序间防锈，防锈周期短，常见的可分为亚硝酸盐和硼酸盐等几种类型。有机防锈剂有羧酸及其盐类和有机胺等几类。通过配伍性和防锈性考察，选用由醇胺和有机酸复配生成的羧酸胺盐和同样具有优异的防锈性能的硼酸酯类作为防锈剂。防锈剂加剂量考察结果见表 2。

由表2可知，2号方案可使3%稀释液达到防锈性合格，因此选择2号方案作为配方组成。

铝合金有较强化学活性等情况，在加工过程会与环境中水、空气、切削液分解氧化产生的腐蚀性产物等接触，发生电化学反应，致使材料表面受到腐蚀产生黑斑等问题。为了保护工件表面，铝合金材料切削时需要加入铝腐蚀抑制剂。硅酸盐和磷酸酯是常用的铝腐蚀抑制剂，硅酸盐在配方中比较容易析出产生沉淀，稳定性较差[11]。因此，选用磷酸酯类作为配方的铝腐蚀抑制剂。铝防腐蚀剂加剂量考察结果见表3。

由表3可知，3号方案原液外观透明均一，防腐蚀性合格且加剂量最少，因此选择3号方案作为配方组成。