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作 者： 李茂生 蒋淦相 徐立庶
作者单位： 国机集团广州机床研究所,
简介： 半合成极压切削液的研究，主要是在微乳液产品的基础上，引入合适的极压添加剂，从而提高产品的使用性能，减少切削阻力，提高切削效率，并解决引入极压添加剂后对防锈性能的影响，提高产品的储存稳定性尤其是低温稳定性，选择具有抗腐能力的添加剂，引入高效防腐剂，使产品具有较长的使用寿命。此外，注意对产品的关键字：刀具夹具切削铣削车削机床测量
半合成极压切削液的研究，主要是在微乳液产品的基础上，引入合适的极压添加剂，从而提高产品的使用性能，减少切削阻力，提高切削效率，并解决引入极压添加剂后对防锈性能的影响，提高产品的储存稳定性尤其是低温稳定性，选择具有抗腐能力的添加剂，引入高效防腐剂，使产品具有较长的使用寿命。此外，注意对产品的粘度、气味、颜色、透明度等外观性能作合理调配，满足客户心理需求，使产品更具商业价值。
一、 原理
半合成极压切削液又称极压微乳液，主要由矿物油、表面活性剂、防锈剂、极压剂、防霉剂和水组成。含矿物油5～30％。乳化微粒直径小于0．1μm，呈半透明状态。由于半合成极压切削液，集乳化液和合成液的优点于一体，又具有合适的极压性能，是非常有发展前景的一类切削液。
半合成极压切削液制备的关键是：乳化剂的合理选配，解决浓缩液、稀释液的稳定性以及极压剂、防锈剂、防霉剂的合理配伍，使其具有良好的极压润滑、防锈、防霉性能。
(1)乳化剂的选择
配制极压微乳切削液时，乳化剂的选择尤为重要。目前应用较多的方法有：1)选择乳化剂的HLB(hydrophile and lipophile balance亲水亲油平衡)值法；2)选择乳化剂的PTlr(Phase—inversion temperatuIe转相温度)法。我们主要选择HLB值法，在具体调配试验时，参照PIT法。
通过查阅或实验求得被乳化物质的HLB值，找出相应HLB值的乳化剂(对)。并通过试验选择效率高、价格合理的最佳乳化剂(对)。
HLB值未包括被乳化物和乳化剂的化学结构以及两者之间的关系。所以还要考虑以下因素：1)一般选用乳化剂要考虑其离子型，以便得到比较稳定的乳液。2)乳化剂与分散相的亲和性。根据相似互溶原理，要使油分散，要求乳化剂的憎水基团的结构和油的结构越相似越好。因为这样的乳化剂和分散相的亲合力强，分散效果好，乳化剂的用量也少。3)乳化剂的配合作用。在某些特殊情况下必须使用某特定乳化剂。如果该乳化剂的HLB值与分散相所要求的HLB值差别很大，可以预料乳化效果一定不佳。为了改善这种状况，就要选择适当的HLB值的乳化剂来进行调节。并且混合乳化剂的HLB值应接近分散相所要求的HLB值。4)乳化剂体系的特殊要求。作为切削液用乳化剂还应考虑是否对环境造成危害，最好选择无毒副作用，容易生物降解和利于排放，起泡性不很强，气味不大，兼具润滑防锈等作用的表面活性剂。5)乳化剂的制造工艺。作为工业化生产，原料来源应丰富，使用方便，乳化剂的制造不宜过分复杂。否则成本过高。
总之，如何制备性能优良的极压微乳液，乳化剂的选择是关键。最可靠的方法是实验室筛选，但太费时费事。所以不管乳化何种油或添加剂，都先找出被乳化物质的HLB值并确定相应乳化剂(对)。并参考上述原理，反复试验，最后确定所要选择的乳化剂。
(2)极压润滑剂的选择
在半合成极压切削液中，仅仅依靠乳化矿油的润滑性能是远远不够的。需要加入极压润滑添加剂。目前可供选用的极压润滑剂可分为油溶性和水溶性两大类。油溶性极压润滑剂，主要以含S、P、Cl等极压活性元素的化合物为主。由于S、P极压剂加入到水溶性切削液中容易对多种金属产生腐蚀，尤其含P化合物，在废液排放时，因为容易形成微生物富营养源，受到严格控制，而尽量慎用。含Cl极压剂，如氯化石蜡等，由于价格低廉，效果也不错，其腐蚀性通过加入合适的缓蚀剂而得到抑制。目前，仍是比较常用的切削液极压剂。加入量以浓缩物8～15％为宜。钼系极压剂，虽然价格稍高，但效果好。尤其是有机钼类化合物，不但极压润滑效果好，而且兼具防锈作用，是具有发展前景的一类极压润滑剂。作为水溶性极压润滑添加剂，目前使用较多的还有硼酸盐。硼酸盐极压剂与含S、P、Cl活性基团极压剂的极压润滑机理有本质上的不同。S、P、Cl极压剂作用实质上是一种控制性腐蚀现象。因为只有通过它和金属摩擦表面起化学反应，生成熔点较低和剪切强度较小的化学反应膜，才会起到减少摩擦和防止擦伤及熔焊的作用。一个好的极压润滑剂，应该只在极压抗磨范围内才能与金属表面反应，而在较低温度下是足够稳定的。目前认为硼酸盐极压作用主要是靠其沉积在金属摩擦副之间，形成一个比基体金属和S—P型极压薄膜都软的良好的弹性薄膜。在高温和低粘度基础油中，这种极压薄膜的形成更为迅速。硼酸盐极压剂制备工艺简单，原料易得，价格低廉。生产中基本无三废产生。产品无毒、无味，加入量一般不受限制，除具极压润滑性能外，往往兼有杀菌防霉及防锈性能。从多年的切削液研究开发经验得知，硼酸盐还能明显改善加工工件的光洁度。高碳羧酸盐、羧酸酯亦在切削液中应用十分广泛。
(3)防锈剂的选择
切削液在使用过程中，必须对工件和设备有防锈作用。在选择防锈剂时，既要考虑到水溶性和油溶性的好坏。还要考虑对各种材质的防锈效果。在半合成极压切削液中主要选择高级羧酸皂、钼酸盐、硼酸盐、石油磺酸盐等。
防锈剂的选择是一个十分复杂的过程。同一种防锈剂因生产厂家不同，原料、生产工艺也不同，性能相差甚远。要通过大量实践才能找到合适的防锈添加剂。
(4)杀菌防霉剂的选择
在乳化油液中，发臭变质占切削液变质的首位。近20年来开发了多种长效广谱杀菌剂，可供选用。由于细菌有一定的选择性和抗药性。故在切削液中，最好选择两种以上杀菌剂，交替使用。(5)助溶剂、稳定剂、抗硬剂、抗泡剂的选择和气味、颜色、透明度、粘度等感官性能的调配。
助溶剂、稳定剂、抗硬剂、抗泡剂虽然加量不大，但作用不小，可根据需要加入。至于气味、颜色、透明度、粘度等感官性能虽然对产品的使用性能没有什么影响，但对于商业上的需求是必要的。可视市场需求，进行调配。
二、 试验研究
根据上述原理和实践经验，参照相关资料，首先考虑几个比较重要的因素并进行简单的优化试验。然后，就各组分的配伍性进行试验研究，得出较为理想的切削液配方，并经小样试验合格后，试制中样，进行实际应用考察。
(1)基础油的选择
根据经验，我们将基础油含量初步确定在25wt％左右。如果含油量过高，则一些水溶性添加剂难以加入，而且产品成本较高。高粘度油生产出的产品的粘度较高，成本高。低粘度油，成本稍低，产品稳定性好，但润滑性不够理想。在实际配方中我们采用高低结合的方法，让较高粘度油如N32与较低粘度油如 N5复配，效果较佳。
(2)防锈剂的选择
防锈剂选用羧酸皂油溶性防锈剂和硼酸盐、钼酸盐、石油磺酸盐等水溶性防锈剂。
(3)极压润滑剂的选择
主要选用了氯系极压剂(含量8～12％)，并与硼酸盐，钼酸盐、高碳羧酸盐等复配。从实验结果看，极压剂的含量对产品的PB值和PD值影响较大。如果不加极压剂，则产品(5％稀释液)PB<<800N，PD《1200N。
(4)乳化剂的选择
根据以上主要原料的选择，可计算出乳化这些油剂所需的HLB=9～14。根据Hl．B值，结合实际经验，选择非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂复配成对，其乳化效果较好。对于羧酸皂，必须是在调配过程中形成的。如油酸钠是良好的乳化剂。在碱性的乳液中不断加入油酸，形成新油酸钠，表现出良好的乳化效果。如果是将已制好的油酸钠，加入到油水表面上，就很难达到乳化的预期效果。在油酸调制的乳液中，加入少量油酸，其乳化效果更好。一方面可从物理化学性质方面得到解释，油酸的加入抑制了油酸钠的水解。另一方面从HLB值亦可解释。油酸钠HIB=18，加入少量的油酸(HLB=1)，可使乳化剂HLB值稍微变小，接近被乳化物质的HLB值。事实上，加入另外的油溶性表面活性剂，产品稳定性有所提高。我们在各类乳化剂与产品稳定性方面，做了一些探索。
(5)抗硬剂、消泡剂、稳定剂的选择
抗硬剂选择容易络合的ca2+、Mg+的高效有机酸盐络合剂，消泡剂基本上用油剂即可。稳定剂选择乙醇和三乙醇胺，效果良好。由于这类添加剂加量不大，在极压微乳切削液配方基本确定以后，再补充加入，其配方稍作调整，产品稳定性不受影响。抗硬剂的加入，使稀释液的透明度更高，而稳定剂的加入，使产品的乳化范围更大，产品更稳定。
(6)染料的选择
由于消费习惯和操作者的需要，产品的颜色益显重要。通过对荧光绿、亮蓝、胡蓝等多种染料的试验，以荧光绿较受欢迎，浓缩液和稀释液都呈漂亮的荧光绿色。加入胡蓝，局部有些反应，但摇匀后，对稳定性无影响。由于染料加入量很少，对产品性能几乎没有影响。同时，为了防止他人假冒，采用复合染料较为理想。一方面可以满足客户的需求，另一方面可以简单直接表现自己产品独特的一面。再则，由于原材料或工艺微小的差异，导致外观的差别可以用染料加以掩饰。商业性颜色调整在现代社会越来越显重要。
(7)配方组成及生产工艺
通过对各组份的选择和配伍优化，最后确定极压微乳切削液的典型配方如表3。
切削液的研制和生产是一个实践性很强的工艺过程。由于原材料和工艺的差别，往往导致同一配方切削液的稳定性有所差异。只有不断总结，严格把握，
才能生产出质量稳定，性能优良的产品。
工艺流程示意图如图1所示。
三、产品的理化性能测试
我们对小样和中试产品，都进行了一系列的理化性能测试和润滑承载能力及切削阻力评价。
(1)产品的理化性能测试(表4)
(3)切削扭矩测试
1)与普通L—MAE样品对照(表6)
2)与某一进口样品对照(表7)
(4)与两种目前使用较多的同类进口切削液性能对照(表8)
从测试结果看，半合成极压切削液的防锈性能(铸铁叠片)优于进口同类产品。其它性能接近或相当。
四、产品的实际应用考察
半合成极压切削液，主要用于数控机床、加工中心及自动化生产线加工铝合金、铸铁、钢、铜等材质工件，实际使用效果简述如下：
(1)某轻工机械集团公司用加工中心、数控机床，加工不锈钢、铝、铜和塑料件。由于切削液箱藏在机床底下：封闭无法清洗。近十年来，用过国内外多种切削液，均不理想，主要是容易发臭。进口切削液效果好些，但1～2周需大量补充，以保持碱性和浓度，后试用半合成极压切削液，效果很满意。使用少量防霉剂效果更佳。
(2)新捷机械模具实业有限公司主要加工铸铁、模具钢。原使用W-R一1切削液，由于该产品不含极压剂，效果一般。后改用半合成极压切削液，在带锯床和铣床使用，加工效率提高22．5％，刀具寿命延长15％，使用近一年未发现产品质量问题。
(3)某独资金属制品有限公司主要用带钢加工家电用钢管。有两套集中循环冷却系统，其中一套每次加入600k9半合成极压切削液，稀释为5％水溶液使用。另一冷却系统用台湾某公司产品，经对照试验，性能相当。
(4)宝润润滑油有限公司主要经营润滑油切削液产品。该公司每月购1～2批半合成极压切削液，在平进模坯有限公司、威达机械厂、格力空调集团、华勉机械厂等近十家工厂应用，使用效果良好。并成功替代进口同类产品。
五、 结论
(1)按照微乳液调配理论，尤其利用HLB值方法，经过反复的实验室试验和实际应用考察，研制了一种新型高档的半合成极压切削液。
(2)研制的半合成极压切削液质量稳定，性能优良，使用寿命长。能广泛用于加工中心、数控机床、自动化生产线加工铝合金、铸铁、碳铁、不锈钢、模具钢、铜等多种材质工作，效果良好。
