金屬防銹劑的防銹性能及試驗驗證

侯萬果，王子君，田前進

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

在軸承零件加工過程中，金屬加工液直接作用于機床、工件和刀具表面，因此要求加工液具有良好的防銹性能[1]。特別是在高溫、高濕度地區或季節，若軸承零件加工周期較長，則對金屬加工液的防銹性能要求更高，要求加工液本身不會對工件、機床和刀具造成銹蝕，同時還應具有一定的防銹性能，即能起到臨時防止銹蝕的作用。

合成金屬加工液冷卻性能好，經濟環保，在軸承零件加工過程中得到廣泛應用。但合成金屬加工液在使用中通常用水稀釋，水含量較高，容易導致接觸部件銹蝕，所以防銹劑的選擇和復配是提高金屬加工液防銹性能的一個難點，對保證金屬加工件質量具有重要的意義。

下文將探討表面活性劑、水質和pH值對金屬防銹劑防銹性能的影響。

1 金屬防銹劑防銹機理

1.1 銹蝕機理

金屬零件銹蝕指其與周圍環境發生化學或電化學作用而引起的破壞或變質[2]。當零件暴露在潮濕的空氣中，由于其表面對大氣中的水有吸附作用，在零件表面就會形成很薄的濕氣層——水膜，當這層水膜達到一定厚度(20～30個分子)時，就將形成電化學腐蝕。這類電化學過程將隨溫度的升高和水中溶解的CO2和SO2等因素而加劇。通常情況下，水膜里溶解的氧氣呈弱酸性或者中性，腐蝕電池會發生如下反應：

Fe被氧化為Fe2+，2Fe - 4e =2Fe2+；

水膜中的氧氣獲得電子，然后與水結合生成OH-離子，O2+2H2O+4e = 4OHˉ；

腐蝕總反應2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2。

這樣零件表面的鐵原子就不斷溶解，形成溶解于水膜的Fe(OH)2，因Fe(OH)2在水膜中不穩定，進一步與水膜中的氧和水作用而形成不溶于水的Fe(OH)3，并沉淀附著在被腐蝕的零件表面上，形成紅褐色的銹層。

1.2 吸附機理

有機防銹劑由非極性基團和極性基團組成，非極性基為烴基，具有親油性，而極性基具有親水性。極性基有吸附于零件表面的親和趨勢，當極性基吸附于金屬表面后，非極性基即定向排列于極性基相反的一邊，從而在金屬表面形成一層非極性的疏水性水膜，阻止參與腐蝕反應的有關物質和電荷向金屬表面移動，減少它們與金屬的接觸(圖1)，減緩腐蝕速度[3]。

圖1 防銹劑防銹機理

1.3 防銹劑的選擇

通常在金屬加工液中添加防銹劑用來防銹，使用的防銹劑應保證工作液長期使用，需注意以下幾點：不宜采用無機鹽類作為防銹劑；不能含有磺化物、氯化物和酚等有害物質；廢液應易于處理，減少對環境的污染；盡量做到優化組合，提高金屬加工液的整體性能。金屬加工液中選用環保型有機防銹劑，利用定向吸附作用，通過阻止或延緩氧氣和H+與零件表面接觸來實現防銹。

根據吸附機理，有機防銹劑中應含有一個或幾個較強的極性基團，如：-COOH， -COOR，-CONH2，-OH等，以便使防銹劑分子吸附在零件表面，而疏水性的烴基在零件表面形成保護膜，阻止水分子侵蝕零件表面，起到防銹效果[4]。作為水溶性的防銹劑，要求分子有一定的水溶性，可通過在分子中引入一定數量的強親水性基團來增加水溶性。油酸、硼酸、癸二酸、月桂酸和雜環多元羧酸與乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺反應生成羧酸酯類防銹劑，其分子中引入了羧酸酯類極性基團，增加了水溶性，分子中的氮原子和氧原子都有孤對電子，可與鐵原子有空軌道的金屬表面作用生成絡合物，阻止氧、水等分子與金屬接觸，是一種很好的水溶性防銹劑；同時，它們還有潤滑性和表面活性的作用，三乙醇胺的毒性較小，對環境的影響也小。因此，試驗中用三乙醇胺與幾種類型的酸反應，生成羧酸酯類化合物作為防銹劑使用。

2 試驗及結果分析

2.1 有機防銹劑對防銹性能的影響

市售有機防銹劑成分復雜，由多種物質混合而成，將其與所研究的防銹劑進行試驗對比，防銹劑稀釋液的表面張力見表1。將防銹劑用水稀釋到一定比例后進行單片試驗和疊片試驗，結果如圖2、圖3所示。

表1 防銹劑稀釋液的表面張力

圖2 單片試驗

圖3 疊片試驗

從圖2和圖3可以看出，多元羧酸酯防銹效果最好，這是因為多元羧酸酯含有多個酯類極性基團，分子能有效吸附在金屬表面，且能形成致密的保護層，表現出較好的防銹性能。從試驗結果可以得到以下規律：當碳鏈在一定范圍內時，相同或相似分子結構防銹劑隨碳鏈的增長，防銹性能增強；當含有適當長度疏水性烴基時，極性基團越多，防銹性能越好。

此外在金屬零件加工過程中，切屑、磨屑、鐵粉和油污等物易黏附在零件、刀具和砂輪上，影響加工效果，使零件和機床變臟且不易清洗。所以金屬加工液必須具有良好的清洗性，一般可通過降低表面張力實現清洗作用，選擇表面張力較低的防銹劑有利于提高清洗效果。

2.2 表面活性劑對防銹劑防銹性能的影響

將相同含量的4種金屬防銹劑不加和分別添加0.5%辛烷基苯酚聚氧乙烯醚(OP-10)進行單片和疊片防銹對比試驗，結果如圖4、圖5所示。

圖4 單片對比試驗

圖5 疊片對比試驗

從圖中可以看到，OP-10對防銹劑的防銹性能有一定的干擾作用。有機防銹劑的防銹能力與其在金屬表面的吸附能力有關，吸附能力越強，防銹能力越強；通常OP-10在金屬表面優先吸附，其在金屬表面的吸附對防銹劑的防銹作用有影響。綜合防銹劑的表面張力和防銹結果發現，防銹劑的表面張力越小，OP-10的干擾越小，因為表面張力越小，表面活性越高，在金屬表面的吸附力越強；同時，極性基團越多，在水中的溶解性越大，抗干擾能力越強[5]。由于單獨使用防銹劑所需濃度較高，故選用防銹能力和抗干擾性較好的B，C，D 防銹劑復配，以提高防銹能力并減少試劑用量。

2.3 水質對防銹劑防銹性能的影響

防銹劑通常需經水稀釋后使用，一般用當地的自來水稀釋，因此在使用過程中水對防銹劑的防銹性能影響作用明顯。下面將同一金屬防銹劑分別用自來水和蒸餾水稀釋后進行防銹性和防腐蝕試驗，結果見表2。

表2 不同水質對防銹劑防銹和防腐蝕性能的影響

所用蒸餾水的電導率為7.5 μs/cm，自來水的電導率為650 μs/cm。電導率在一定程度上反映鈣、鎂離子的濃度。

從表2可以看出，在相同情況下用蒸餾水稀釋金屬防銹劑效果較好，其原因主要是自來水中的鈣、鎂等離子消耗了防銹劑中的有效成分。因此可知，金屬加工液的使用功效和使用周期均與稀釋水質密切相關，實際生產中最好使用蒸餾水稀釋防銹劑。

2.4 pH值對防銹劑防銹性能的影響

國標規定合成切削液的pH值為8.0～10.0。pH值過低容易腐蝕鋼、鑄鐵及銅，而且也容易繁殖細菌，引起腐敗變質和工件、機床的銹蝕；pH值過高則對鋁及其合金腐蝕過強，且會傷害操作者的皮膚。所以，在實際使用過程中常用三乙醇胺調節pH值，表3為不同pH值下相同濃度金屬防銹劑稀釋液的防銹效果對比，根據試驗結果并綜合考慮金屬防銹劑稀釋液對各金屬構件的腐蝕程度及影響，建議pH值控制在8.0～8.5。

表3 pH值對金屬防銹劑水溶液防銹效果的影響

3 結論

(1)當碳鏈在一定范圍時，相同或相似分子結構金屬防銹劑的防銹性能隨碳鏈的增長不斷提高。

(2)當分子結構中含有適當長度疏水性烴基時，金屬防銹劑的防銹性能隨極性基團的增加而有所提高。

(3)某些表面活性劑會降低防銹劑的防銹性能。

(4)相對于蒸餾水，自來水會削弱金屬防銹劑的防銹性能。

(5)pH值在8～8.5時，金屬防銹劑對10#鋼、黃銅和LY12鋁材均有較好的防銹效果。