不同體系金屬加工液表面性能研究

郎需進，張杰，尤龍剛，陳志忠，火鵬飛

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

不同體系金屬加工液表面性能研究

郎需進，張杰，尤龍剛，陳志忠，火鵬飛

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

研究了油基金屬加工液的運動黏度及水基金屬加工液的表面張力變化對產品沉降性能和浸潤性能的影響。結果表明，低黏度油基金屬加工液浸潤性能優于高黏度油基金屬加工液，有利于金屬碎屑的沉降；含有表面活性劑的乳化型金屬加工液、微乳型金屬加工液的沉降性能、浸潤性能大幅提高。

金屬加工液；黏度；沉降性能；浸潤性能

0 引言

金屬加工是機械制造中最主要的加工方法，使用金屬加工液是提高加工質量和降低加工成本的重要方式。因此，金屬加工液已變成一個產業，成為第二大工業潤滑材料[1]。為了降低金屬加工力及模具、刀具等與工件間的摩擦，提高加工效率和工件表面質量，金屬加工對切削液的表面性能有較高要求，如浸潤性能、沉降性能等[2]。這些性能對金屬加工液能否起到良好的潤滑、冷卻、清洗作用至關重要。

一般來說，低黏度液體比高黏度液體滲透性好，油基加工液的滲透性比水基加工液滲透性好[3]。本文考察了不同黏度油基金屬加工液在沉降性能及浸潤性能上的表現差異，研究了水基金屬加工液表面張力對其沉降性能、浸潤性能的影響規律。

1 實驗部分

1.1儀器與試樣

1.1.1 儀器

克呂氏K100表面張力儀，德國克呂氏公司；CAV2100全自動運動黏度儀，美國CANNON公司；DMA4500密度計，奧地利Anton Paar公司。

1.1.2 試樣

1#，2#，3#油基金屬加工液；1#，2#，3#水基金屬加工液，均為實驗室配制。鋁粉(分析純)，天津市致遠化學試劑有限公司；還原鐵粉(分析純)，天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2試驗方法

1.2.1 表面張力測定[4]

使用吊片法進行表面張力測定。20 ℃溫度下將金屬鉑金片垂直于測試液體表面之上，用外力將鉑金片拉起，測量出此鉑金片拉離液面所需的最大力。在理想情況下，此最大力線性相關于表面張力(γ)。

1.2.2 浸潤性能測定

在固定直徑與高度的石英管內裝入固定量的鐵粉，然后將石英管垂直于測試液體表面之上，測試開始時，表面張力儀自動控制其接觸液面。

1.2.3 沉降性能測定

將一定量鋁粉攪拌分散于測試液中，然后將固定直徑的傘狀金屬粉末收集器倒立插入液體內固定深度，測試開始時，表面張力儀自動檢測鋁粉沉降在傘狀金屬內的質量。

2 結果與討論

2.1不同金屬加工液理化數據

試驗用金屬加工液理化性質測試數據見表1。

表1 各類金屬加工液理化性質測試數據

注：*水基產品，未檢測。

由表1可以看出，除黏度很小的輕油基礎油外，其他油基加工液和乳化油的20 ℃表面張力均在30 mN/m以上，而微乳型加工液的表面張力較兩者而言明顯偏低；而由于水基加工液(工作液)中水含量非常高，所以其密度高于油基加工液。

2.2油基金屬加工液表面性能分析

在恒溫條件下，考察了不同表面張力、黏度油基加工液產品的沉降性能和浸潤性能，結果如圖1、圖2所示。

圖1 不同黏度油基加工液的沉降性能

圖2 不同黏度油基加工液的浸潤性能

由圖1、圖2可見，從曲線斜率上可以判斷，鋁粉在三種油基加工液中的沉降速度和浸潤速度的大小順序均為1#油基加工液>2#油基加工液>3#油基加工液。其中，鋁粉在1#、2#和3#加工液中沉降完成時間分別為10 s、200 s和大于200 s；1#、2#和3#加工液浸潤全部鐵粉的時間分別為20 s、550 s和大于800 s。究其原因，加工液的黏度決定了油基產品沉降性能和浸潤性能的優劣。因此，在選用側重沉降性能或浸潤性能的油基金屬加工液時，應首先考慮運動黏度因素。其次，油基加工液產品的表面性能也相關于其表面張力。圖1中沉降平衡時沉降量的不同是由傘狀金屬粉末收集器上方懸浮的鋁粉多少造成的，圖2中加工液的最終吸附量的不同則是由加工液密度、鐵粉量決定。

2.3不同基礎液金屬加工液表面性能分析

考察了不同基礎液(油基、水基)金屬加工液產品的沉降性能和浸潤性能，結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同基礎液金屬加工液的沉降性能

圖4 不同基礎液金屬加工液的浸潤性能

由圖3可見，從曲線斜率上可以判斷，雖然2#油基加工液的表面張力小于2#、3#水基加工液，但鋁粉在水基加工液產品的沉降速度明顯快于所有的油基產品。其中微乳型產品略優于乳化油型產品，原因為水基產品中含有大量乳化劑，降低了體系的表面張力，從而對金屬表面的浸潤速度較快。

由圖4可見，不同基礎液的金屬加工液的鐵粉浸潤性能規律與圖3所示規律相同，即水基加工液浸潤(滲透)鐵粉的速度較油基產品快，而水基產品中微乳型產品快于乳化油型。不同基礎液加工液的表面張力大小與其表面性能之間無明顯對應關系，同基礎液的加工液表面張力與其表面性能之間有一定對應關系。

3 結論

(1)除黏度很小的輕油基礎油外，油基金屬加工液與乳化油型加工液的表面張力大小相當，明顯高于微乳型產品。

(2)油基金屬加工液產品的黏度對產品沉降性能和浸潤性能影響至關重要。黏度越小，金屬粉末沉降越快，液體在金屬表面吸附、浸潤越快。

(3)水基金屬加工液的沉降性能、浸潤性能明顯優于油基產品。微乳型加工液產品的沉降性能、浸潤性能等表面性能略優于乳化油型產品。

(4)由于水基和油基是兩種不同基礎液體系，不能僅依據表面張力進行其表面性能的預判。

[1] 李茂生.金屬加工液的開發應用與評價方法[J].潤滑與密封，2010, 35(11):123-127.

[2]王文昌，陸春，顧浩.黏度與表面張力對硅片切割液穩定性能影響的研究[J].太陽能學報，2015, 36(2):387-391.

[3]王先會.金屬加工油劑選用指南[M].北京：中國石化出版社,2013：85.

[4]李明遠，吳肇亮.石油乳狀液[M].北京：北京科學出版社,2009:132-133.

Study on the Surface Properties for Metalworking Fluids with Different System

LANG Xu-jin, ZHANG Jie, YOU Long-gang, CHEN Zhi-zhong, HUO Peng-fei

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

The influence of kinematic viscosity change of oil-based metalworking fluids and surface tension change of water-based metalworking fluids on the sedimentation and infiltration properties of the products was investigated. The result shows that，the lower viscosity is good for the infiltration property of oil-based metalworking fluids，and is conductive to the settlement of metal debris. The sedimentation property and infiltration property of emulsified oil and microemulsion increase significantly because they contains lots of emulsifier.

metalworking fluid; viscosity; sedimentation property; infiltration property

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.007

1002-3119(2017)05-0033-03

TE626.39

A

2017-06-29。

郎需進，高級工程師，2004年畢業于蘭州大學化學化工學院，從事金屬加工液產品研究工作，已公開發表論文10余篇。E-mail：langxujin_rhy@petrochina.com.cn