水基切削液CF-1的制備和應用

周 斌，盛 興*，李松林，李忠琳，芮 斌

(1.武漢工程大學研究設計院，湖北 武漢 430073；2.湖北恒鑫化工有限公司，湖北 鄂州 436070)

水基切削液CF-1的制備和應用

周 斌1,2，盛 興1,2*，李松林1,2，李忠琳1,2，芮 斌1,2

(1.武漢工程大學研究設計院，湖北 武漢 430073；2.湖北恒鑫化工有限公司，湖北 鄂州 436070)

針對現代金屬切削工藝對切削液的更高要求，以季戊四醇油酸酯為油性劑，以亞磷酸雙十二烷基酯為極壓劑，與乳化劑、防銹劑、殺菌劑等復配，制備了一種微乳型水基切削液CF-1。該切削液具有良好的潤滑、冷卻、清洗等性能，并且摩擦學性能優良，使用壽命長，防銹性好，能充分滿足金屬切削加工的生產需要。

微乳型；水基切削液；摩擦學性能

在上世紀50年代以前，大部分金屬切削加工都是采用礦物油。隨著現代金屬切削加工工業的飛速發展，機械加工難度增大，同時國家、行業對環保的要求越來越高，以水基切削液代替油基切削液能節約石油資源，大幅降低對環境的污染和破壞，是目前金屬切削液的主要發展趨勢[1-2]。

水基切削液一般分為乳化型、微乳型和全合成型3大類[3]。乳化型和全合成型水基切削液在使用過程中存在兩個主要不足：一是，其潤滑性能滿足不了日益提高的機械加工生產要求，工件與刀具之間切削摩擦所產生的熱量大，導致工件產品表面質量下降，刀具磨損變形；二是，由于其不含油或含油極少，水分蒸發后接觸面之間沒有殘留油膜，容易造成機床的移動部件卡死[4]。基于這些不足，微乳型水基切削液能綜合乳化型和全合成型優點而弱化兩者不足。

作者采用多元醇酯[5]為油性劑，配以乳化劑、極壓劑、防銹劑、防腐劑，制備出微乳型水基切削液CF-1，并研究了其摩擦學性能。

1 水基切削液CF-1的研制原理

水基切削液CF-1是依據金屬防銹和潤滑理論來進行配方設計的。優良的金屬切削液需具備如下主要性能：(1)潤滑、冷卻性好；(2)具有耐酸堿和耐硬水性；(3)無腐蝕性，不會對加工工件與機床造成損害；(4)防銹性，保證加工工件與機床無銹蝕；(5)對操作人員健康無害，如果堿性太強，會腐蝕皮膚，引起脫脂[6]；(6)廢液應低污染，易于處理[3]；(7)使用方便，價格便宜。

1.1 潤滑性

潤滑性是水基切削液的主要性能。潤滑性是通過添加潤滑添加劑(包括極壓劑和油性劑)而體現出來的。配方中添加少量的極壓劑和油性劑，能夠減少刀具與工件間的摩擦，降低切削溫度，減少刀具磨損[3]。常見極壓劑和油性劑[7]見表1。

表1 常見極壓劑和油性劑

Tab.1Commonextremepressureagentsandoilyagents

添加劑種類常見品種極壓劑氯化石蠟、酸性亞磷酸二丁酯、硫磷酸含氮衍生物、硼化油酰胺、環烷酸鉛等油性劑硫化鯨魚油、二聚酸、油酸乙二醇酯、硫化棉籽油、亞磷酸三苯酯、油酸丁酯等

水基切削液中同時含有極壓劑和油性劑，利用二者的增效作用能達到更好的減摩抗磨效果，在金屬加工過程中表現為較高的切削精度和較低的機械消耗。開發和選用性能優良的極壓劑和油性劑是提高水基切削液潤滑性能的關鍵[2]。

1.2 清洗性

金屬加工過程中不可避免地會產生金屬屑和金屬皂，它們不僅使磨損率提高，而且還影響金屬加工的效率和速度。水基切削液需具有一定的分離沉降清洗作用，保持金屬加工件、刀具及機床的清潔。

1.3 冷卻性

在金屬加工過程中，外力所做的功有90%以上變成了熱能，使金屬在切削過程中溫度不斷上升。水的導熱系數和熱容量都很大，是理想的冷卻介質[7]，可采取循環水單槽冷卻或大循環冷卻等措施；以及選用一些熱焓大、分子量較大的物質(如一些高分子化合物)作潤滑添加劑，盡量使其自身具有一定的容溫性。

1.4 防腐蝕性、防銹性

水基切削液需具有防腐蝕性，否則，將會破環金屬加工件表面的結構，影響其性能。金屬腐蝕往往是化學腐蝕和電化學腐蝕同時發生。為了減弱化學腐蝕，通常選用石油環烷酸鋅、油酸、三乙醇胺等油溶性有機化合物；為了減弱電化學腐蝕，通常選用亞硝酸鈉、磷酸三鈉、酒石酸等[8]能在金屬表面形成鈍化膜的鹽類。

水基切削液還需具有很好的防銹性，應避免金屬加工件表面生銹而影響其表面光潔度及精度。在配方中加入有效的防銹劑，以滿足加工件和機床對防銹的要求，應該選擇不含S、Cl的活性低毒物質，選用有機防銹劑更為合適。

1.5 防腐敗性

由于微生物分解作用，溫度適宜時，水基切削液極易腐敗變質，導致其破乳、發臭、變色等[9]，切削性能下降，使用壽命縮短。在原液中需加入一定量殺菌劑，如甲醛釋放劑、酚類化合物、噻唑啉化合物等[8]。甲醛釋放劑、酚類化合物用量少且殺菌時效持久、毒性小，加入切削液中不與其它成分發生反應且不影響其潤滑性等。

1.6 消泡性

由于水基切削液均含有一定量的表面活性劑，在不同程度上都有泡沫產生。泡沫會影響切削速度、工人操作環境等。因此理想的水基切削液本身應具有一定的消泡性，需加入適量的消泡劑。礦物油具有消泡和成膜的作用，是極壓劑、油性劑、防銹劑等添加劑的主要載體[10]。

2 水基切削液CF-1的制備

2.1 主要添加劑的選擇

對于金屬切削液來說，最重要的是潤滑添加劑的合理選擇和配伍，以及解決其濃縮液和稀釋液的穩定性等，使其具有良好的潤滑、冷卻、防銹等性能。

(1)潤滑添加劑

潤滑添加劑是水基切削液的精髓，主要起潤滑作用。目前，金屬加工液大多用動植物油、脂肪酸皂等作為油性劑，然而，這類油性劑一般都含有不飽和鍵，易氧化分解，影響其氧化穩定性和儲存穩定性。近年來，多種類型的合成酯進入金屬加工液市場，其潤滑性能相比動植物油、脂肪酸皂有較大提高。表2為幾種常用油性劑的摩擦學性能比較。

表2 幾種常用油性劑的摩擦學性能比較

Tab.2 Comparison of tribological properties of several common oily agents

注：PB為最大無卡咬負荷,摩擦系數為長時磨損實驗的平均值。

從表2可看出，合成酯季戊四醇油酸酯的潤滑性能優于其它幾種常用油性劑。

在金屬切削加工過程中，僅靠油性劑的潤滑性能是遠遠不夠的，還需加入極壓劑。目前，極壓劑主要以含S、P、Cl等活性元素的物質為主[6]。其中，水溶性極壓劑的穩定性較好，并且能降低復配成分的復雜程度，例如亞磷酸酯類。亞磷酸酯中，除了亞磷酸芳基酯多為固體外，其余各類烴基的亞磷酸酯一般為無色液體。亞磷酸酯可分為亞磷酸單酯、亞磷酸二烷基酯以及亞磷酸三烷基酯[11]。3種常用極壓劑的摩擦學性能比較見表3。

表3 3種常用極壓劑的摩擦學性能比較

Tab.3 Comparison of tribological properties of three kinds of common extreme pressure agents

由表3可看出，亞磷酸雙十二烷基酯在極壓抗磨性方面優于其它2種常用亞磷酸酯類極壓劑。

由于S、Cl型極壓劑易腐蝕銅和鋼，因此，選用亞磷酸二烷基酯作為極壓劑。

綜上選用季戊四醇油酸酯作為油性劑、亞磷酸雙十二烷基酯作為極壓劑進行復配，可得到潤滑性能優良的復合潤滑添加劑。

(2)乳化劑

乳化劑的穩定性直接影響到水基切削液的潤滑性、清洗性以及使用壽命。陰離子型乳化劑同時具有油性劑和防銹劑的作用，而非離子型乳化劑則不受水中Ca2+、Mg2+、Fe2+等離子的影響。因此，選用陰離子和非離子型表面活性劑作為復合乳化劑，切削液的乳化穩定性更好，效果更佳。

(3)防銹劑

常用的防銹劑有苯并三氮唑(BTA)、有機胺類、石油磺酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等[6]。其中BTA是良好的有色金屬及合金防銹劑。將其與一種含P防銹劑復配，發現其對有色金屬及鋼均具有較好的防銹能力。幾種防銹劑的防銹蝕性對比見表4。

從表4可看出，采用0.15%BTA有機胺反應物+0.8%含P防銹劑的防銹效果最好。因此，選用0.15%BTA有機胺反應物+0.8%含P防銹劑作為復合防銹劑。

表4 幾種防銹劑的防銹蝕性對比

Tab.4 Comparison of corrosion resistances of several kinds of anti-rust agents

2.2 配方的確定

微乳液含少量低黏度礦物油，礦物油及油溶性添加劑低于50%[8]，與水混合形成的顆粒很小，只有0.05～1μm，清洗性好，穩定，潤滑性優良。因此，選用微乳液體系配制水基切削液。另外，在配方中應添加適量的螯合劑及其它助劑，以保證微乳液的穩定性。

對潤滑添加劑、白礦油、乳化劑、防銹劑等進行配比實驗，配方見表5。

表5 3種水基切削液配方/%Tab.5 Formulation of three kinds of water-based cutting fluid/%

注：表中各種添加劑的組成為質量分數。

按表5配方配制水基切削液，均配成1∶10微乳液用MR-S10(G)型四球機進行摩擦學性能測試，結果見表6。

表6 3種水基切削液的摩擦學性能對比

Tab.6 Comparison of tribological properties of three kinds of water-based cutting fluid

從表6 可看出，配方Ⅱ水基切削液的綜合效果較好。

按配方Ⅱ配制水基切削液CF-1，并將其與美國E709水基切削液進行摩擦學性能比較，結果見表7。

由表7可看出，水基切削液CF-1的摩擦學性能優于美國E709水基切削液。

表7 國內外水基切削液的摩擦學性能對比

Tab.7 Comparison of tribological properties of water-based cutting fluid at home and abroad

注：兩種水基切削液均配成10%稀釋液；PD為燒結負荷。

2.3 工藝的確定

水基切削液CF-1的生產工藝如圖2所示。

圖2 水基切削液CF-1生產工藝示意圖

選用配方Ⅱ按圖2生產工藝連續生產了幾批樣品，送到武漢、浙江等地的船舶集團及研究所進行工業應用。在美國產數控機床CPL-20和瑞典產高精度數控坐標磨床HAUSER-S-55上分別進行了為期兩個月的切削應用試驗，均反饋使用效果良好。水基切削液CF-1無刺激性氣味，具有良好的潤滑、冷卻、清洗、防銹等性能，有利于提高工件產品質量，延長刀具使用壽命，并能提高切削效率。適用于黑色、有色金屬工件等的切削加工。

3 結論

以季戊四醇油酸酯為主要油性劑，以亞磷酸雙十二烷基酯為主要極壓劑，研制了一種穩定的微乳型水基切削液CF-1。該切削液的PB值等極壓性能提高，潤滑性能和環保性能得到良好改善。CF-1稀釋液外觀透明，潤滑性能優良，能提高工件的表面光潔度，延長刀具的使用壽命，對機床和工件有較好的防銹作用。經多個廠家應用，性能完全達到國外同類產品的使用效果，完全能滿足現代化的金屬切削加工生產。

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Preparation and Application of Water-Based Cutting Fluid CF-1

ZHOU Bin1,2,SHENG Xing1,2*,LI Song-lin1,2,LI Zhong-lin1,2,RUI Bin1,2

(1.InstituteofResearch&Design,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430073,China; 2.HubeiHengxinChemicalIndustryCo.,Ltd.,Ezhou436070,China)

Duetothehigherrequirementsofcuttingfluidformodernmetalcuttingprocess，amicroemulsiontypeofwater-basedcuttingfluidCF-1waspreparedbyusingpentaerythritololeateasanoilyagent，phosphitebi-alkylesterasanextremepressureagent，andcompoundingwithemulsifyingagent，anti-rustagent，fungicide，etc.Thecuttingfluidhadgoodproperties，suchaslubrication，coolingandcleaning，aswellashadexcellenttribologicalproperty，longservicelifeandgoodanti-rustproperty.Itcouldfullymeettheproductionrequirementsofmetalcuttingprocess.

microemulsiontype;water-basedcuttingfluid;tribologicalproperty

2016-09-22

周斌(1978-)，男，湖北黃石人，主要從事潤滑材料及產品的研發工作，E-mail:rhcl_zb@163.com;

盛興，高級工程師，E-mail:909796409@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.015

TG501.5

A

1672-5425(2017)03-0062-04

周斌，盛興，李松林，等.水基切削液CF-1的制備和應用[J].化學與生物工程，2017，34(3)：62-65.