廢機(jī)油制備的乳化切削液及其性能研究

李想，曹雅星，周忠偉，衣守志，楊健

(1.天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院，天津 300457；2.天津三一郎眾環(huán)保科技有限公司，天津 301605)

切削液是軸承零件切削加工中重要的配套材料，主要提供切削過程中的清洗、潤滑、防銹以及冷卻作用[1-2]。乳化切削液是目前常使用的水基切削液，因其成本低得到迅速發(fā)展并逐步取代安全性低的油基切削液[3-5]。

隨著交通運(yùn)輸、機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的機(jī)械設(shè)備、機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)入市場，機(jī)油或潤滑油的使用量日益增大，導(dǎo)致每年有大量的廢油產(chǎn)生，若未能及時(shí)處理，易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題。廢油的深度處理成本較高，收益小[6-8]，本文使用脫酸→脫色→脫水→吸附→過濾處理后的澄清廢機(jī)油為基礎(chǔ)油，通過基礎(chǔ)原料篩選確定配方，并通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)進(jìn)行配方優(yōu)化，從而制備出一種生產(chǎn)成本低，綜合性能優(yōu)良的乳化切削液。

1 試驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

廢機(jī)油、防銹劑(苯并三氮唑、油酸、癸二酸、三乙醇胺)、油性劑、極壓添加劑、pH穩(wěn)定劑(三乙醇胺)、表面活性劑(石油磺酸鈉)、殺菌劑。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、恒溫水浴鍋、MRS-10A四球摩擦試驗(yàn)機(jī)、CHI660D電化學(xué)工作站。

1.2 乳化切削液的制備

1.2.1 制備工藝

采用多種表面活性劑，利用界面復(fù)合物生成法配置乳化切削液。

1)水相反應(yīng)物的配制：在45 ℃水浴環(huán)境下，蒸餾水中加入pH穩(wěn)定劑，使pH值為7.5～9.5，然后依次加入極壓添加劑和殺菌劑，完全溶解后加入防銹劑和表面活性劑，攪拌均勻后靜置。

2)取另一容器配制油相反應(yīng)物：在45 ℃水浴環(huán)境下，向澄清廢機(jī)油(作為基礎(chǔ)油)中依次加入油性劑和表面活性劑，攪拌后靜置。

3)將油相物緩慢地加入到水相物中，保持?jǐn)嚢瑁敝粱旌贤耆罱K得到紅棕色透明液體，完成乳化切削液的配置，其具體組分見表1。

表1 自制乳化切削液濃縮液組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2.2 乳化切削液配方的優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化乳化切削液的配方，利用正交試驗(yàn)確定配方中重要組分的最佳配比用量(文中組分的用量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。參考文獻(xiàn) [9-10]最終確定以防銹劑a、自制防銹劑b、石油磺酸鈉、pH穩(wěn)定劑、極壓添加劑作為主要影響因素，每個(gè)因素分別設(shè)計(jì)4個(gè)水平，以摩擦因數(shù)μ和防銹效果(表2)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)采用L16(45)型正交試驗(yàn)表，具體因素水平見表3。

表2 防銹效果評價(jià)表

表3 因素水平表

1.3 乳化切削液的檢測與表征

1.3.1 腐蝕性

試片尺寸為50 mm×25 mm×3 mm，試驗(yàn)前用400目的砂紙沿一個(gè)方向打磨光滑，并依次用石油醚、無水乙醇清洗干凈，熱風(fēng)吹干。然后分別將3種試片(表4)完全浸沒于濃度為5%的稀釋液中(不同材料的試片浸沒于不同的燒杯中)，蓋上玻璃罩后放置到55 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，到規(guī)定時(shí)間后取出試片觀察，具體評定等級標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 腐蝕性試驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)

1.3.2 防銹性

試片為φ35 mm×20 mm的HT300一級灰口鑄鐵，試片的打磨、清洗方法與1.3.1節(jié)相同。用一次性吸管吸取濃度為5%的稀釋液，在已處理好的試片表面滴5滴4～5 mm的液滴，每滴之間應(yīng)保持一定距離，不得連接；然后將試片置于φ300 mm干燥器內(nèi)的瓷板上(干燥器內(nèi)注入約占其底部1/3的蒸餾水)，緊密合上干燥器蓋，放在(35±2)℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)靜置48 h，取出觀察結(jié)果。其評定標(biāo)準(zhǔn)為：試片表面5滴全無銹，Ⅰ級；試片表面1滴有銹，Ⅱ級；試片表面2滴有銹，Ⅲ級；試片表面3滴有銹，Ⅳ級。Ⅰ級為合格，其他等級均為不合格。

1.3.3 摩擦學(xué)性能

潤滑和極壓性檢測是在四球試驗(yàn)機(jī)(球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī))上進(jìn)行。在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，時(shí)間為30 min，試驗(yàn)載荷為392 N下，測定濃度5%切削液的摩擦因數(shù)；在轉(zhuǎn)速為(1 400±50)r/min下，測量濃度5%切削液的最大無卡咬載荷PB值[11-12]。

1.3.4 Tafel極化曲線測試

選用尺寸為30 mm×50 mm×3 mm，工作面積為10 mm×10 mm的Q235標(biāo)準(zhǔn)碳鋼片,試片的打磨、清洗方法與1.3.1節(jié)相同。用質(zhì)量比為1∶1的松香和石蠟混合密封非測試面。在室溫條件下，各取10 mL濃度為 0%，5%，10%，20%稀釋液加到10 mL的3.5%NaCl溶液中，采用CHI660D電化學(xué)綜合測試系統(tǒng)，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片電極，工作電極為Q235碳鋼片[13-15]，分別測試其Tafel極化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果分析見表5和表6。

表5 正交試驗(yàn)及結(jié)果

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)采用2個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用綜合平衡分析法及應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)方法進(jìn)行評價(jià)。由表5和表6可知，防銹劑a，b對切削液防銹性影響較大，石油磺酸鈉和pH穩(wěn)定劑對切削液潤滑性影響較大。所以，最終確定正交試驗(yàn)的優(yōu)化方案為A3B2C1D2E2，即防銹劑a質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.84%，自制防銹劑b質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.45%，石油磺酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.17%，pH穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.90%，極壓添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72%。

因正交試驗(yàn)只考察了乳化液的重要成分及其對切削液防銹性和潤滑性的影響，所以未涉及到的添加劑或?qū)η邢饕簶O壓性的影響，需進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 油性劑添加量

由于油性劑的微觀分子結(jié)構(gòu)中含極性和非極性基團(tuán)，在切削液體系中其吸附于工件金屬表面，不僅有防銹作用，同時(shí)還具有潤滑作用[16]。油性劑的單因素試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示，油性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.84%時(shí)，乳化切削液的防銹性和潤滑性為最佳。

圖1 油性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳化切削液潤滑性的影響

圖2 油性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳化切削液防銹性的影響

2.2.2 極壓劑添加量

正交試驗(yàn)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是防銹性和潤滑性的好壞，而切削液中極壓劑主要會(huì)對切削液的極壓性產(chǎn)生影響，其添加量決定了金屬表面的耐受力程度。對極壓劑進(jìn)行單因素試驗(yàn)，其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為PB值。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，配方中極壓添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.49%以上時(shí)，PB值大于540 N，符合GB/T 6144—2010《合成切削液》要求。極壓添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72%時(shí)，PB值最大，切削液同時(shí)具有最佳的防銹性、潤滑性和極壓性。

圖3 極壓添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對乳化切削液極壓性的影響

2.3 優(yōu)化配方的確定

通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)，確定了自制乳化切削液的優(yōu)化配方，具體配方見表7。

表7 自制乳化切削液優(yōu)化配方的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 切削液的性能檢測

3.1 電化學(xué)測試

乳化切削液一般稀釋使用，但稀釋液濃度對乳化切削液的緩蝕性影響很大。為探究最佳稀釋濃度，對不同稀釋濃度的乳化切削液進(jìn)行Tafel試驗(yàn)，結(jié)果如圖4和表8所示。由圖表可知，隨著稀釋倍數(shù)的增加，極化曲線右移，腐蝕電位的絕對值變小；當(dāng)稀釋20倍時(shí)，即乳化切削液濃度為5%時(shí)，腐蝕電位絕對值最小，腐蝕電流密度最小，此時(shí)，乳化切削液體系緩蝕能力最強(qiáng)。

圖4 不同稀釋濃度下乳化切削液的極化曲線

表8 腐蝕電流

3.2 綜合性能評價(jià)

結(jié)合GB/T 6144—2010和JB/T 7453—2013《半合成切削液》對優(yōu)化后的乳化切削液進(jìn)行多項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測，結(jié)果見表9，自制乳化切削液各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

表9 自制乳化切削液綜合性能評價(jià)

3.3 與市售切削液對比

3.3.1 腐蝕性

與4種不同市售切削液進(jìn)行腐蝕性對比試驗(yàn)，結(jié)果見表10，自制乳化切削液對鑄鐵、銅、鋁都具有較好的緩蝕能力。

表10 切削液腐蝕性對比

3.3.2 潤滑性能

將自制乳化切削液與4種不同市售切削液的潤滑性能進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到自制乳化切削液的平均摩擦因數(shù)為0.069，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中不大于0.130的要求；4種市售切削液的平均摩擦因數(shù)分別為0.084，0.078,0.088和0.080，明顯較自制乳化切削液高；同時(shí)，與市售切削液相比,自制乳化切削液的摩擦因數(shù)變化幅度小，說明該乳化切削液潤滑性能穩(wěn)定：自制乳化切削液的潤滑性能不但符合標(biāo)準(zhǔn)，且較部分市售切削液優(yōu)良。

圖5 不同切削液摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化

4 成本經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)市場上原料和添加劑價(jià)格，對自制乳化切削液進(jìn)行簡單的成本核算，并與4種市售切削液進(jìn)行生產(chǎn)成本對比，結(jié)果見表11。對比可知，自制乳化切削液的生產(chǎn)成本低于某些市售切削液，經(jīng)濟(jì)效益好。

表11 切削液生產(chǎn)成本對比

5 結(jié)論

1)通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)確定并優(yōu)化了廢機(jī)油為基礎(chǔ)油的乳化切削液配方。

2)制備的乳化切削液具有優(yōu)良的防銹性、潤滑性和極壓性，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。

3)制備的乳化切削液與某些市售切削液相比，潤滑性和腐蝕性更加優(yōu)良。由于采用廢機(jī)油作為基礎(chǔ)油，不但降低了乳化切削液的生產(chǎn)成本，又解決了廢油問題，經(jīng)濟(jì)效益更高。