切削液及其添加剂的进展

1　水溶性切削液

水基润滑剂的优点是冷却性好, 价廉易得, 加工件易清洗, 主要用于高速切削加工工序中。近年来由于水基润滑剂的组分的改进, 大大提高了它的润滑性能和防腐蚀能力, 因而需求量日渐增大, 尤其在对铝和铜材加工方面。水基润滑添加剂可分为油溶性和水溶性两种。油溶性添加剂的使用性能同矿物油中的一样。为使油溶性添加剂分散到水中需加入表面活性剂。水溶性添加剂可在油溶性添加剂分子中引入水溶性基团而制得。如: 2COOH, 2NH2, 2OH等。水溶性切削液可以分成乳化液, 化学合成液和半合成液三类, 都可用于轻中高负荷的切削加工。

1. 1　乳化型切削液

乳化液是将浓缩液用水稀释而成的乳状液体。乳化液将油的润滑性和防锈性与水的优异的冷却性能结合起来。它对于有大量热生成的高速低压力的金属切削加工是很有效的。乳化液中极压剂类同切削油, 也有一些新的剂型, 它们通过在油溶性添加剂分子中引入水溶性基团而制得; 水溶性添加剂效果更好, 如果分子中同时还具有油性基团; 再在分子中引入适当的活性极压元素, 如S、P、C I、Mo、B 或极压基团, 就可能兼有油性剂及极压抗磨剂的双重功效。一般具有润滑作用的油性物均可作为油性剂, 如油酸类添加剂(油酸钠皂、油酰三乙醇胺、油酸酯、油酸硼酸酯等)。此外, 含稀土元素的有机化合物, 无机硅酸盐, 有机硅化合物在水基切削液中有良好表现,如硅酸钠与亚磷酸二正丁酯有较好的配伍性, 比例合适时能更好地发挥硅酸钠在水基液中的抗磨减摩性能。研制性能优良的水溶性极压抗磨添加剂是研究人员追求的目标, 最近南昌大学的林峰合成了一种水溶性稀土配合物Ce2DO P (二壬基酚聚氧乙烯醚磷酸铈) [ 8 ] , 实验结果表明, Ce2DO P 在水中的含量为2% (质量分数) 左右时可显著改善水的极压性能。这方面潜力很大, 有待深入研究。在水溶性切削液中防锈剂必不可少。防锈性能对于加工部位的质量、产品合格率以及机床的保养等有着十分重要的意义。防锈性良好且价格低廉的防锈剂首推亚硝酸盐, 但它属于致癌物质, 已在许多国家被禁止使用。此外常见的防锈剂有如下几种: 1.磷酸盐, 它能在金属表面形成钝化膜从而具有防锈作用, 以聚磷酸盐为典型; 2. 硅酸钠: 在水溶液中以带负电荷的胶体粒子形式存在, 属腐蚀抑制剂; 3. 苯甲酸钠: 属于有机水溶性缓蚀剂, 它的保护作用是在金属表面形成不溶性的络合膜, 但仅对钢有效, 对铝、锌、铸铁反而会加速腐蚀; 4. 单乙醇胺, 二乙醇胺, 三乙醇胺, 这些短期内可有效防止钢件生锈, 且与苯甲酸钠有协同效应; 还有硼砂, 石油磺酸盐等。最近又有多种新型防锈剂报导, 如含硼添加剂, 含氮添加剂, 硫磷型, C6～ C10低碳酸有机防锈剂等。

水基液中表面活性剂和其它辅助添加剂都非常重要. 常见的表面活性剂有: 1. 阴离子型: 如脂肪酸皂, 石油磺酸盐; 2. 非离子型: 山梨糖醇酯, 聚醚等;3. 阳离子系如脂肪酸烷基酰胺等。阳离子系活性剂防锈较好, 非离子系则表现出较好的渗透性和清洗性。其它的辅助添加剂如非铁金属防蚀剂: 苯三唑,咪唑啉, 硫代重氮多硫化物, 烷基二硫代苯骈咪唑,二烷基二硫代磷酸锌等等; 防腐剂: 邻苯基苯酚, 四氯代酚。对氯间二甲基酚, 六氢化三吖嗪, 三溴水杨酰胺和二溴水杨酰胺的混合物等; 消泡剂: 硅油乳剂, 高级醇。这些辅助添加剂虽然添加量很少却不可忽略, 同时与主功能添加剂的复合过程中有否配伍性也是必须考虑的。

2. 2　全合成切削液

化学合成液以无机盐和有机胺为主体, 添加防腐剂等, 用水稀释后变成透明状态。抗泡沫性, 防腐性好, 但切削性差, 一般只用于磨削加工, 很少用于切削加工。合成液优点是: 经济, 散热快, 清洗性好,具有极好的加工可见性, 易稀释、稳定性好、不析油不析皂, 有良好的防锈性; 另外, 化学合成液不含细菌的营养物质, 微生物在合成液中难以生存, 不易腐败发臭。合成液也存在一些不足: 润滑性不足, 滑动部件容易粘着; 洗净性过高, 操作人员的手易脱脂,导致皮炎; 防锈性不如油基切削剂。

2. 3　微乳液

半合成液切削润滑剂是半透明或透明的液体,又称微乳液。乳化微粒直径小于1 Lm, 其浸透性, 清洗性和冷却性极佳, 并且便于观察, 它集乳化液和合成液的优点于一身, 又具有合适的极压性能, 是非常有发展前景的一类切削液[ 9 ]。但它的稳定性不及全合成型, 容易起泡沫(可通过加消泡剂加以解决)。其主要成分是水和表面活性剂, 矿物油、脂肪油和极压剂含量均低于乳化油。

2　气态切削剂

气态切削剂具有冷却和润滑作用。某些气体还可以氧化切削中的新鲜表面, 防止刀具熔融金属, 减少摩擦。另外, 所有气体的对流和液体汽化都有良好的冷却能力。空气是最常见的气态切削剂, 也是干切削时唯一的切削剂。将压缩空气直接吹到切削区域,强迫对流以减少切削热, 同时吹走切屑。氩、氦和氮等情性气体还可用来防止工件和切屑的氧化。也可用沸点低于室温的气体作切削剂, 如向切削点吹入压缩的氟里昂(氟氯烷烃) 或二氧化碳气体, 由于蒸发, 加工温度可达零下几十度, 可大大提高刀具寿命, 且透明不会污染工件及设备。但成本高, 特殊情况才使用。

3　半固体润滑剂

还有一类膏状及固体润滑剂, 在攻丝或手铰时,常常涂到工具或工件表面。有些砂轮也浸有固体润滑剂。在特殊情况下, 比如刃磨刀具时, 砂轮用硫处理过, 使之在湿磨中有良好的冷却作用, 有的用蜡笔涂在砂轮上, 从而有一定的润滑效果。这类切削剂有时可加入胶体二硫化钼或胶体石墨。主要应用于有跳动或弹动的重负荷切削加工中。目前液晶化合物成为半固体润滑剂家族中的热门话题。从有关资料中看到传统的润滑油中入液晶化合物润滑效果很好, 其中溶致液晶[ 10 ]合成方便, 价格低廉, 尝试将其作为金属切削液润滑添加剂可能会有良好的应用前景。

4　结语

金属切削液技术涉及的添加剂种类繁多, 发展很快, 尤其微乳液技术很有市场潜力。开发环境友好添加剂已成为世界潮流, 即除了要满足加工和排放要求, 还要求可生物降解。由于国外这方面的技术已经把我们拉开了一大截, 因此需要国内润滑及相关行业的研究人员加强交流, 团结合作, 深入研究各种添加剂的配伍规律, 同时结合纳米材料技术和生物技术, 开发多功能的环境友好切削添加剂, 力争早日赶上世界先进水平。