金属加工液-金属加工液配方-金属加工液分析-禾川化学
 
当前位置:首页 >> 分析案例>> 金属加工液配方发展现状及趋势

金属加工液配方发展现状及趋势

发布时间:2012/7/10 11:35:29 来源:柏工 字体: 
金属加工液广泛应用于机械产品加工制造,禾川化工专业从事金属加工液配方分析、配方检测,配方还原、成分分析,配方研制,为金属加工液相关企业提供整套配方改进技术解决方案一站式服务。

一.背景

金属加工液,又称金属加工润滑 剂,是指用于金属及其合金切削、冲压、轧制和拉拔等各种加工过程中所使用的润滑剂,是金属加工过程重要的配套材料。金属加工液在金属加工过程中具有润滑、冷却、防锈和清洗等作用。一般的金属加工液包括切削液、切削油、乳化液、冲压油、淬火剂、高温油、极压切削液、磨削液、防锈油、清洗剂、发黑剂、拉深油等。金属加工切削液是一种低泡沫、高润滑性的可溶性润滑油,即使应用在对加工液要求很高的环境下也能使维护成本降到最低,基本能适用于各类金属及合金的所有类型的加工,它对大多数铁制金属的一般加工十分奏效,尤其在加工软钢、铸铁、不锈钢及其他特种钢时能同时发挥出出色的润滑作用和冷却作用。,因而能延长刀具的使用寿命,防止金属零件锈蚀,带走加工过程产生的热量,有效清除零件和刀具表面上的切屑和其它粉粒,改善加工质量,提高生产效率。金属加工液按组成不同,可分为不含水的油基加工液和水作为功能组分的水基加工液两大类。水基加工液按矿物油含量不同,又可分为乳化液、微乳液和合成液。水基和油基金属加工液由于组成不同而具有不同的特性。
近些年来,由于世界各国对环境保护要求日益重视,一系列安全、健康和环保法律法规的颁布和实施,明显影响着金属加3-液的发展,在过去20年里,金属加工液的发展经历了重大的变化。

1.1金属加工液的功能

金属加工切削液性能稳定而出众,能应用于各种材料(包括非金属材料,比如陶瓷、硅晶片等)的多种切削、磨削操作。产品良好的化学润滑性和机械润滑性能适应最苛刻的切削和磨削加工的要求,是大批量高品质部件生产商的最佳选择。
随着工业技术的不断发展和进步,新材料、新工艺不断涌现,在这些加工过程中选择合适的切削液对于保证产品加工质量,提高加工效率,减少环境污染都是至关重要的。
金属加工液通常也被称为“冷却液”,根据不同的机械加工要求,金属加工液又可分为切削液、磨削液等类型。在制造业中,金属加工液的使用范围非常广泛,例如在发动机的机械加工和变速箱的机械加工中、装备制造业、齿轮行业等都广泛使用着各种各样的金属加工液。

金属加工液的主要功能

(1)润滑功能
金属表面在机械加工的过程中受到较大的切削力,并且有相对运动,从而在刀具与工件表面、刀具与切屑之间会产生较大的摩擦。这种摩擦现象的存在会产生较大的热量并且加剧刀具的磨损和工件表面精度的恶化,并且会降低加工效率。金属加工液可以大大降低这种摩擦,延长刀具寿命并提高加工件表面质量。一般说来,金属加工液中的矿物油含量越高,其金属加工液的润滑性能越好,但随着金属加工液技术的发展,含有极压添加剂半合成和全合成类型的金属加工液也同样具有良好的润滑性能。
(2)冷却功能
这也是金属加工液被俗称为“冷却液”的原因,因为机械加工过程中存在剪切和摩擦的双重作用,从而不可避免地会产生较大的热量,这种热量如不能被及时带走,就会造成刀具和工件之间产生高温,从而会软化刀具甚至降低工件表面的硬度,加剧刀具磨损,影响工件的表面精度。不仅如此,高温还会产生积屑瘤,造成工件加工精度偏差。通过大流量的金属加工液的冲洗作用,可以带走机械加工过程中产生的热量,降低刀具和工件的温度,延长刀具的寿命,提高加工件的表面精度,提高机械加工的效率。
(3)排屑功能
金属机械加工过程中产生的加工屑如不能被及时从加工区域移走,可能产生积屑瘤并造成已加工面的磨损。
(4)防锈功能
大多数的金属材料(如铁和铸铁)在与潮湿的空气与水接触后会很快产生锈蚀,而在金属机械加工过程中,如果在两道不同工序之间,金属加工液不能提供良好的防锈功能,就可能会造成半成品产生锈蚀,从而使产品报废。
金属加工液除以上功能外,还要具有防泡沫、对环境友好、抗菌等功能,不同的机械加工方式对金属加工液的功能需求也不同,例如重负荷低速机械加工对金属的润滑性能要求更高,而高速低负荷机械加工对冷却要求更高。

1.2金属加工液的市场现状

20世纪80年代以来,伴随着世界工业经济的快速增长,金属加工液消费量日益增大。从世界范围看,油基加工液和水基加工液呈现了两个不同的市场消费状况:80年代初至90年代初水基加工液消费量快速增长,而油基加工液需求相对下降;90年代初至21世纪初,水基加工液需求减缓,油基加工液需求逐步复苏。与油基加工液相比,水基加工液一次性购买价格较低,而且冷却性能优异,因此80年代初至90年代初水基加工液需求增长迅速。以英国为例,油基加工液在1980年市场需求占整个加工液需求的60%,水基加工液则占40%;而到了1990年,水基加工液市场比例上升至60%,而油基加工液则下降到40%⋯。进入90年代中后期,水基加工液需求高速增长的趋势开始大大减缓,水基加工液完全取代油基加工液的预言,到目前为止并没有实现。相反,油基加工液的市场需求份额开始明显复苏。以北美为例,1997年全北美共生产9亿加仑(1美加仑=3.785 L)金属加工液(水基加工液以浓缩液统计),其中24%为半合成加工液(乳化液),21%为合成加工液,而油基加3-液依旧占55%之多 。而在环境保护更加苛刻的法国,金属加工液的使用趋势则更明显趋向使用油基加工液。

1.3金属加工液发展趋势

1)油基、水基加工液并存的格局在将来一段时期内仍会存在

油基和水基加工液各有其优势和不足,例如油基加工液润滑性和防锈性能好,但在高温下易挥发,易产生大量油雾,油雾长期积累会损害人体健康;油基加工液尤其是粘度较高的加工液,自净性能差,加工零件脱油成本高。水基加工液具有优异的冷却性能,是油基加工液无法比拟的(油的导热系数为O.125~O.21 w/m·K,而水的导热系数高达O.61 w/m·K),使用水基加工液散热快,不易着火,安全可靠。因此,两种加工液互相取代在将来一段时期内出现的可能性不大,两种类型的加工液在市场上还会并存。

2)通用、高效是加工液的重要发展方向

由于金属加工工艺种类复杂,同时各种新型金属材料的广泛应用,造成了金属加工液产品种类繁多,这一方面为加工液的储存、销售带来种种不便,形成一定的附加成本;同时在使用过程中,由于加工液种类繁多,容易造成加工液种类、牌号的不正确使用,当出现这种情况时,轻者影响加工质量和效率,重者造成刀具损坏,甚至停工停产。此外,据调查,到2OO5年加工机床的主轴的标准转速将达到20000 r/min,高速机床的转速可达到30000 r/min,这一趋势对金属加工液提出了更加苛刻的要求。为了在高速、高效和精密加工条件下满足更加苛刻的加工要求,今后金属加工液研发必须注重于通用性和高效性,以确保对不同金属材料的适用性,同时还能满足不同条件下的工艺操作。

3)绿色加工液是将来发展的趋势

绿色加工液是在各国环境法规日臻完善、环保要求日益严格的大背景下产生的,是未来金属加工液的发展趋势。
关于绿色金属加工液到目前为止还没有严格的定义,但综合起来看,绿色加工液应符合以下要求:①使用过程不损害人体健康;②使用过程符合卫生要求,对环境无污染或低污染;③具有生物降解性,并且降解后无毒或低毒。发展绿色加工液必须解决两个关键问题:基础液和添加剂的绿色环保问题。对于油基加工液而言,基础油是最主要的成分,可用于油基绿色金属加工液的基础油主要有合成酯和植物油"I。对于水基加工液尤其是合成型加工液而言,水的来源丰富且无毒无臭,是理想的绿色基础液,因此在努力提高水基添加剂润滑性和防蚀性的同时,必须重点解决添加剂的生理生态毒性问题。如果这些问题能够得到较好的解决,绿色水基加工液将会取得更大的市场占有率。随着绿色化学和绿色设计的发展和应用水平的提高,绿色基础油和绿色添加剂将会不断发展,这对绿色金属加工液的发展将会起到巨大的推动作用。

二.金属加工液的种类及特性

金属加工包括轧制、煅造、模冲、拉拔、成型、切削和磨削。大多数的金属加工都要依赖于好的金属加工液,所以金属加工液的用量很大,包括脂肪酸皂、烃类油、乳化油及水溶液。随着金属加工要求的提高,在很多场合需要使用到合成油和合成金属加工液来提高金属加工的质量。目前,在金属加工液中使用的合成润滑剂包括聚烷撑二醇,酯,合成烃及其它的合成润滑剂。

2.1金属加工液的分类

金属加工液纷繁复杂,从组成上来讲,金属加工液大致可以分成纯油、溶性油、化学液(合成液)和半化学液(半合成液)4种类型,后3种通常也称为水基金属加工液。金属加工液通常以矿物油的含量来进行分类:
1)纯油类金属加工液,油含量为90%~95%。
2)乳化类金属加工液,矿物油含量超过50%
3)半合成金属加工液,矿物油含量5%~50%。
4)不含矿物油的全合成金属加工液。

2.1.1纯油类加工液

所谓纯油型金属加工主要是指矿物油,尽管在某些特殊的场合也使用动、植物油,合成油有时也用作纯油基础油。但不论是天然油或合成油,都调合了不同的边界或极压添加剂。纯油金属加工液不含水,润滑性优良,但冷却能力有限。对于切削余量少的精加工,使用纯油型金属加工油是个不错的选择。

2.1.2溶性油加工液

溶性油实际上就是水包油型乳化液(O/w),包括粗乳化液和微乳化液。与粗乳化液相比,微乳化液的综合性能更为优异,其配方技术也复杂的多。
溶性油同时具有油的润滑性和水的冷却长处,是一类非常通用的金属加工液,使用非常广泛。在苛刻的切削或成型加工中,使用含有磷和硫极压剂的配方,1倍~5倍稀释使用。但在轻切削或磨削中,溶性油浓缩液通常只含有防锈剂,2O倍~100倍稀释使用。

2.1.3化学液(合成液)加工液

化学液不含石油,用水稀释后形成真溶液。这类金属加工液通常被称作“合成液”。然而,不是所有的合成液都含有合成润滑剂。合成润滑剂包括聚烷撑二醇,酯和PAO。为了避免混淆,将不含油的水溶性产品称为“化学金属加工液”或“化学液”。最初配制化学液是为磨削和轻切削加工,后来加人合成润滑剂,以及水溶性边界极压添加剂的发展,扩大了这类金属加工液的应用范围。

2.1.4半化学液(半合成液)加工液

半化学金属加工液具有溶性油和化学液的最优性能,这类产品同时含有水溶性添加剂、乳化剂和不少于20%的矿油的浓缩液。
由于高速切削刀具的发展及磨削速度的提高,纯油作为金属加工润滑剂显现出了其局限性。切削或磨削工件的大部分能量以热的形式消耗,随着切削速度的增加,金属加工液的冷却性变得更重要。纯油有优良的润滑性,但冷却能力有限。
在更高速的加工中,油基金属加工液会导致刀具寿命变短,同时产生有刺激性的烟雾。
用水作为金属加工液,切削速度可提高30%~40%,速度增加的主要原因是水与油相比,有更优良的冷却性能。因为水比油有更高的比热和蒸发潜热。然而,作为金属加工液,水有2个明显的缺点,(1)水是一种不良的润滑剂,(2)水可导致刀具和工件腐蚀。
高质量的溶性油是水基金属加工液的主要产品。溶性油既有水冷却的优势,又有良好的润滑性和防腐性。用溶性油代替纯油,使得金属加工不必牺牲表面光洁度或刀模具寿命就可提高加工速度。除了是优良的冷却剂外,溶性油比纯油更干净,不产生大量的烟雾,着火的危险也大为降低,且很容易从机床和工件上除去可溶性的残留物。
溶性油金属加工液的润滑和冷却性能可以简单地通过稀释率,添加剂的类型及量的改变来调整。在重负荷成型操作中,溶性油浓缩液中调配有高浓度的含氯、硫和磷极压润滑添加剂,使用前用水1:1或1:2稀释。用20:1到100:1的水稀释同样也可用于高速轻负荷的切削和磨削加工。
用于轻负荷加工的溶性油通常仅调配有防锈剂。相对于纯油金属加工液。溶性油的另一个优势是价格。虽然溶性油浓缩液的价格比纯油更贵,但用水稀释后,实际价格明显下降。在使用中,溶性油的损失较纯油更少,补充的费用也更少。尽管有这些优势,但溶性油也的确存在一些新的问题。溶性油最显著的缺点是对细菌的攻击很敏感。水中的微生物很快就会在乳化液中新陈代谢。他们快速繁殖,释放出不愉快的气味,最终通过表面活性剂的新陈代谢,破坏乳化液,降低液体的pH值。加入杀菌剂可明显降低这些不足,但生物攻击仍是溶性油用户面临的最大问题。同时,溶性油有乳化齿轮油和液压油的倾向,这样对金属加工液造成不利的影响。溶性油金属加工液对水的pH值和硬度也很敏感。化学液或者合成金属加工液有良好的防护性、优异的冷却性和足够的润滑性,且比溶性油更干净,稳定,清净性和透明性良好,能抵抗生物攻击。
合成金属加工液也存在着如下的问题:
(1)导轨润滑:因为有良好的清净能力,很多化学金属加工液有冲洗掉导轨润滑剂的倾向,引起明显的操作问题。使用一段时间后,化学金属加工液会造成运动部件的粘滞,这是水蒸发后遗留下来的抗腐蚀剂和润滑添加剂造成的,也可能是这些添加剂与硬水中的钙、镁离子反应形成的不溶物造成的。若加工液中含有硼酸胺腐蚀抑制剂,在硬水中还会形成粘性的残留物。
多年来发现,使用有良好的硬水稳定性,低清洁倾向,低粘性组分的改进配方,可减少导轨润滑问题,同样,使用抗冲洗的导轨润滑剂及更灵活的机床润滑程序也可以解决这些问题。
(2)机床润滑:从溶性油转到化学金属加工液,部分操作者发现机床未得到相应的润滑,化学金属加工液中不含油,不会在机床的运动部件上留下油膜,这个问题通常可采用例行的机床润滑程序来解决。
(3)皮炎:因为有良好的洗涤性和高的pH值,化学金属加工液能冲洗掉皮肤上的油脂而引发皮炎,使用雪花膏和橡胶手套,改善工业卫生条件可以克服上述问题。
(4)涂料和密封的相容性: 化学冷却液中的某些组份能侵蚀机床中的密封件和涂料。
(5)润滑与腐蚀: 化学金属加工液存在着润滑差和抗腐蚀差的局限,但这个问题目前已经得到很大的改善。化学金属加工液涉及的问题,特别是机床和
导轨的润滑问题,导致了半化学金属加工液的发展,这类典型产品含有20%的油及表面活性剂、胺和其它水溶性添加剂。然而,在具有溶性油对机床润滑的优点时,也失去了化学液的抗细菌能力。正如它的名称一样,半化学液是溶性油和化学金属加工液之间的调和。

2.2水基金属加工液

金属加工液主要应用于金属切削、磨削和成型加工中,可以提高加工效率和工件表面质量,同时延长刀具的使用寿命。利用金属加工液可以清洗工件上的金属屑和细末,同时,起到冷却、润滑的作用。另外,在进一步加工或组装前,金属加工液还对工件起到一定的室内临时防锈作用。
20世纪,金属加工液经历了从单纯的油品向多样的水基加工液演变的过程。最初开发乳化油是在1910~1920年,目的是为了提高金属加工液的冷却性能也防止起火。由于其中加入的水会导致工件生锈,因此需要加入防锈剂。合成液在20世纪50年代首次面市,其冷却性和防锈性优于乳化液,更适用于磨削加工。20世纪70年代早期,石油短缺促进了不含油的合成液的发展,使其有可能在所有加工中取代油基产品。20世纪80年代,合成液和半
合成液在成熟的市场中稳步发展,并逐渐取代油含量高的产品。21世纪以来,随着对环保要求的提高,废液处理成本增加,更容易后处理的乳化油的市场占有率超过了合成液。
总之,由于水基金属加工液具有油基产品难以媲美的冷却性能及低廉的成本而获得了迅速发展,因此,加快了油基液向水基液过渡的步伐。近年来,微乳液型金属加工液发展很快,可以预料它将是未来金属加工液的主要品种。

2.2.1水基金属加工液的发展趋势

从环保、安全和成本等方面考虑,水基金属加工液必然会取得更快的发展,得到更广泛的应用。未来水基金属加工液及添加剂将向以下几个方面发展:
(1)长效。合理应用杀菌剂、防锈剂,开发长寿命型水基金属加工液,减少废液排放,节约能源,降低成本。
(2)高效。同时随着机械加工工业的不断发展,势必对金属加工液的性能提出更高的要求,要在高速、高效的条件下同时满足苛刻的加工要求和对工件、刀具、机床的保护;不但要确保对不同金属的适应性,还能满足不同工艺条件。
(3)环境友好。随着环保相关法律法规日益完善,对环境保护的要求越来越高,水基金属加工液及所用添加剂也应符合使用安全,对环境无污染,对生物无毒害等要求。

2.2.2水基金属加工液分类

由于水基金属加工液的种类繁多,涉及面广,要求各不相同,致使目前世界上还没有统一的分类及规格标准。不同的相关组织对其进行了不同的分类。具有代表性的分类标准有ISO 6743/7—1986、ASTM D288l一03和JIS K2241等口]。其中日本的JISK2241标准实用性强,国外许多水基金属加工液制造商都借鉴此标准。现对JIS K2241中水基金属加工液的种类和性状作较详细的介绍.
乳化液是乳化油经水稀释后形成的乳白色或半透明液,它具有良好的冷却性和清洗性,并具有一定的润滑性和防锈性。最大的缺点是工作液稳定性差,易腐败变质,使用寿命短。
合成液是用自来水按一定比例稀释而成的半透明或透明液,其优点是使用寿命长,使用安全,节约油料资源,具有极好的冷却性、清洗性和一定的防锈润滑性。但由于它的清洗性好、渗透力强,可能会冲洗破坏掉机床上的润滑膜,导致机床润滑部件动作不灵,这是合成液的最大弊端。
微乳化液(半合成液)是用自来水按比例稀释而成的半透明或透明液。具有以下特点:
1)外观像合成液,为透明或半透明,利于观察加工操作情况和工件表面状态;
2)使用寿命比普通乳化液长4~6倍;
3) 使用效果类似乳化液,溶液干后能形成一层膜,对机床滑动部件起着良好的润滑、防锈作用。因此微乳化金属加工液能综合乳化液和合成液的优点,又能弥补这两种金属加工液的不足,所以性能优异,通用性强口。

2.2.3水基金属加工液组成

配制水基金属加工液使用的添加剂多数是阴离子或非离子型有机物,大部分是液体,便于混合。基本种类包括脂肪酸、链烷醇酰胺、酯、磺酸盐、皂、乙氧基表面活性剂、氯化石蜡、硫化脂肪和油、乙二醇酯、醇胺、聚乙二醇、磺化油、油酯和各种杀菌剂等。水基金属加工液的很多性质是相互制约的。比如,若有极好的生物性和硬水稳定性,则其废液可能很难处理;若有极好的润滑性,则可能不易于清洗。总体来说,水基金属加工液应该是稳定、低泡、易于后处理的。可以通过实验来确定其中添加剂最佳种类和数量。

A常见乳化油的组成

1)乳化剂
乳化油中的主要乳化剂是磺酸钠,通常与脂肪酸皂、酯和偶合剂配合使用。与水混合后形成稳定的白色乳液。多数乳化油都是油与乳化剂的结合体系。天然石油磺酸钠是用于乳化油的主要乳化剂之一。随着石油产品价格的不断攀升,使配方设计师们转而采用合成磺酸盐。合成磺酸盐是直链或带支链的烷基苯(烷基化物)。聚异丁烯琥珀酸酐衍生物(PIBSA)也可作为石油磺酸钠的替代物使用。
2)腐蚀抑制剂
由于大多数水基金属加工液在使用时用水稀释,容易导致机床和工件生锈,防锈也就成为关键。根据乳化剂不同,水基金属加工液中通常添加磺酸钙、链烷醇酰胺、氧化石蜡等防锈剂。而含硼的水溶性抑制剂则同时具有防锈性和生物稳定性。各种腐蚀抑制的作用机理不尽相同,有的是形成膜(羧酸胺),有的是气相抑制剂(单乙醇胺硼酸酯),还有的是与表面金属形成基质来提供保护(吡咯)。在考虑防腐问题时,还要同时兼顾到黑色金属(钢、铁)和有色金属(铝、铜等)合金。
3)微生物抑制剂
水基金属加工液中需要一种或多种微生物抑制剂(杀菌剂)以控制微生物的生长,使体系内的细菌和霉菌的数量维持在尽可能低的水平,避免产生恶臭,影响工作环境和操作人员健康。此外,也需要池边添加杀菌剂控制微生物生长。常用的甲醛释放型杀菌剂是用于抑制细菌,吡啶硫醇钠是用于抑制霉菌。如果酚的排放不会引起废液处理争端的话,也可以使用直链苯基苯酚或对氯间甲酚。但所谓抗生物降解或生物稳定型的水基金属加工液,有时不使用杀菌剂而是选择了生物降解能力低的添加剂。
4)润滑剂
乳化油的润滑性主要来自于其中的油。水稀释后的乳化油的黏度几乎与水相同,几乎不可能形成流体润滑,而形成的膜的强度与纯油相比相差甚远,所以在中等和重负荷加工操作中通常应加入润滑剂。
所用的边界润滑剂可以是动物油(如猪油或牛油)或者是植物油(如棕榈树油、油菜籽油和椰子果油等),还可以是各种磺酸盐、酯、皂和硫化油。这些油的油溶性酯能减少脂肪油的生物降解,如甲基猪油脂和季戊四醇酯等。而吹制油、聚氧化植物和动物油,则能加强添加剂和金属之间的吸附力,增加润滑性。
所用的极压添加剂一般含有s、cl、P等元素,在高温下,与表面金属反应,形成反应物薄膜,在金属与刀具间的界面上起到类似于固体润滑剂的作用
氯化物添加剂可以是氯化石蜡或酯,cl含量为40%~70%的氯化物添加剂是最有效的。它不会形成污斑,但会因为产生少量HCI而腐蚀工件。通常可以加入环氧植物油来抑制其对工件的腐蚀。然而某些氯化物添加剂尤其是碳链为C10~C13的氯化石蜡对环境和人体健康有害,应减少使用 。硫化物中的S一般占10%~15%,分为活性和惰性的。硫化矿物油中未成键的硫是活性的,很容易反应。然而,这种游离的硫会在有色金属特别是铜和铜合金上形成污斑。硫化脂肪如猪油中的硫有很强的化学键,可以减少污斑的形成。最简单的硫化矿物油配方中含有约1%的硫,如果用于攻丝或车螺纹等复杂操作的加工液则需含约5%的硫。这类添加剂的最大缺点是硫化物会污染金属,还会产生恶臭。
硫氯化物添加剂是指在一个分子上同时含有s和cl,适用于加工低碳钢和Ni—Cr合金。磷酸酯中含P一般为5%一15%。磷酸酯由于其酯结构含有磷,同时具备边界润滑性和低温极压润滑性。但相对于s和cl来讲,润滑作用较小。油溶性的磷酸酯可以用胺类等碱性物质中和后使用。中和后的磷酸酯不形成污斑,无腐蚀,并且有防锈性能。缺点是由于磷是真菌和霉菌的营养源,会助长微生物,另外也会对环境造成不良影响。
5)消泡剂
持续搅动、喷射、循环等都会使水基金属加工液发泡。大量的泡沫会带来很多问题,如导致水基金属加工液溢出造成损失;由于空气阻隔致使水基金属加工液不能起到润滑作用;由于空气导热性差,泡沫还影响加工液冷却性能。同时,泡沫也妨碍操作工人的视线,影响加工的精确性和可测性。
还有许多乳化剂和润滑剂在静止体系中能充分表现出其功能,但当有大量泡沫存在时就几乎失效。所以应加入消泡剂来减少泡沫的形成。目前,使用的消泡剂有硅类消泡剂和非硅消泡剂,低剂量时含硅消泡剂是最有效的。然而,含硅消泡剂会在电镀、上漆、抛光表面处理时形成“鱼眼”,所以有这些后续工序的车间中不能使用含硅消泡剂。

B.常见半合成加工液组成

1)乳化液
乳化剂主要用于将油分散到水中,形成稳定溶液。大部分乳化剂与用于乳化油的类型相同,只是需要更高的乳化剂/油的比率。链烷醇酰胺是最常用的乳化剂,常与磺酸盐、皂、酯和乙氧基化合物配合使用。一般来说,性能好又易后处理的水基金属加工液通常含有酰胺和磺酸盐或皂。硬水稳定产品是将非离子型乳化剂与酰胺配合使用。
2)其他添加剂
偶合剂:若有需要,还可用脂肪酸和乙二醇醚等偶合剂来调整水基金属加工液的透明度和黏度。防锈剂:油溶和水溶性防锈剂均可使用。通常使用的防锈剂是羧酸胺或硼酸胺。一般来说,胺对防锈非常有利。三乙醇胺等醇胺类是pH缓冲剂也利于防锈。润滑剂:可以是油溶性或水溶性的。油溶性添加剂必须能被乳化,水溶性氯化脂肪酸皂或酯不需要被乳化。边界和极压润滑剂能增强半合成液的性能,使其可用于苛刻加工操作。杀菌剂:许多产品中也加入杀菌剂/杀真菌剂来控制微生物生长。消泡剂:随着大量乳化剂的加入(一般2份乳化剂:1份油),半合成液更容易起泡,就需要加入消泡剂。然而,半合成液中消泡剂很难选择,因为一旦消泡剂被偶合或被乳化到微乳液中,则失效了。如果消泡剂在桶内分离出来,那只有再完全混入到浓缩液中才能起作用。

C.常见合成加工液的组成

合成型水基金属加工液是不含矿物油的水基产品,其微粒直径一般为0.003um,接近真溶液。
1)腐蚀抑制剂
合成液通常含有醇胺类添加剂,它具有一定的防腐蚀性和pH缓冲能力。应用于合成液的腐蚀抑制剂还包括硼酸胺(通常称为硼酸酯)和羧酸胺衍生物等。这些低泡添加剂替代了胺和亚硝酸盐。由于次级胺与亚硝酸盐反应生成的亚硝胺具有很强的致癌性,已经被禁止使用。
有色金属腐蚀抑制剂包括苯并三氮唑、甲基三唑和巯基苯并噻唑等。不含胺的无机抑制剂有钼酸钠。脂肪酸胺和链烷醇酰胺也具有极好的防锈性,而且是良好的润滑剂。
2)润滑剂和其他添加剂
合成液润滑剂还包括聚亚烷基二醇和酯类。这两类物质都是低泡润滑剂,并具有良好的硬水稳定性。但是由于它们在水中不分解成离子,所以废液难以处理。用于合成液的边界和极压润滑剂必须是水溶性的。边界润滑剂包括皂、酰胺、酯、乙二醇和硫酸化植物油等。极压润滑剂包括氯、硫化脂肪酸皂和酯以及中性磷酸酯。
由于合成液中不含油,且pH值较高,其中几乎不存在细菌。但是要添加杀真菌剂来抑制合成液中常见的酵母菌和霉菌。还有消泡剂、润湿剂和染料等作为辅助添加剂也常出现在很多合成液中。润湿剂可以减小水基金属加工液的表面张力,促进其在金属表面的铺展,有利于润滑。

2.3典型案例-微乳化金属加工液

20世纪70年代的石油危机把世界带入了水基金属加工液时代,油基金属加工液的消费量逐年下降,而水基金属加工液的需求呈现快速增长趋势。微乳化液由于兼具乳化油的润滑性和合成液的冷却性与清洗性而备受用户青睐。发达国家早就开始了微乳化液的开发,而我国从20世纪80年代才开始研制,微乳化液是目前乃至将来金属加工液的主流产品。

2.3.1微乳化液的组成

微乳化液主要由基础油,水和表面活性剂组成,按照加工场合要求再添加一些添加剂,如油性剂、防锈缓蚀剂、杀菌剂、消泡剂和助表面活性剂等。在金属加工实际过程中,根据加工条件将母液稀释成不同质量分数的工作液,通常将母液稀释成质量分数为5%的工作液。
1)微乳化液的油相和水相
通常将一些油溶性的添加剂溶解于基础油中即得油相,基础油的质量分数一般为10%一30%,不仅可以起润滑作用,同时也是油溶性添加剂的载体。目前可以作为基础油的有矿物油,改性植物油和合成油。选择基础油时,从基础油与添加剂的配伍性和适应性考虑,石蜡基油(SN)与环烷基(DN)油的性能比中间基(ZN)油的性能优异,目前深度精制的石蜡基油正逐步代替未精制或浅度精制的环烷基油。高粘度基础油调配的乳化油润滑性和防锈性较好,但其乳化性较差,表面活性剂用量会相对增加,同时乳液稳定性下降。基础油粘度过低,形成的油膜太薄,不利于防锈润滑。因此微乳化液基础油的粘度要适中,通常选粘度较低易乳化的矿物油。
将水溶性添加剂溶于水中即得水相,水质量分数一般为10%~70%。水的硬度对微乳化体系的稳定性有重要的影响,软水的乳化安定性、润滑效果和防锈性较好,微乳化液寿命长,但易产生大量的泡沫;硬水不易起泡,但会使某些水溶性添加剂和表面活性剂失效,析出不溶水的金属皂,微乳化液的安定性差。
微乳化液的形成是一个复杂的相变过程,各组份的加入有严格的要求。有研究表明,当水与基础油(矿物油十油酸)的质量比大于4:1时,不能形成微乳化液。
2)表面活性剂
表面活性剂在微乳化液中的用量依据其亲油亲水平衡值(HLB)和乳化效率来确定,有些乳化剂的质量分数可达到40%,以保证分散相油滴足够细化均匀,使整个体系高度稳定。表面活性剂是使油和水乳化的重要媒介,主要有离子型和非离子型表面活性剂及高分子生物表面活性剂等。
阳离子型表面活性剂在加工液中易滋生细菌,使加工液发臭,腐败变质,故很少使用。阴离子型表面活性剂具有高效的清洗、润湿和乳化作用,主要有磺酸盐、聚氧乙烯醚磷酸盐、烷基醇酰胺磷酸盐、烷基咪唑啉类等。阴离子表面活性剂在低温下比较难溶解,在酸性环境下易分解,所以一般在碱性条件下使用。阴离子表面活性剂抗硬水能力差,易起泡,易与水中的钙、镁、锌等金属离子生成难溶的金属皂,影响工作液的性能和稳定,但乳化效率高,价廉易得,有一定的清洗、防锈和润滑性能,故在水基加工液中常与非离子型表面活性剂复配使用。
非离子型表面活性剂大多在水中不电离,以分子或胶束状态存在于溶液中,其亲水基团一般由氧化乙烯基和羟基的含氧基团构成(调整分子中氧化乙烯基的数目可以改变非离子型表面活性剂的水溶性或油溶性),不受强电解质无机盐的影响,也不易受溶液酸碱性的影响。目前水基加工液中常用的非离子表面活性剂有脂肪醇聚氧乙烯醚AEO(俗称平平加)、十二烷基酚聚氧乙烯醚(NPEO)和辛基酚聚氧乙烯醚(OPEO)、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷醇酰胺、失水山梨醇脂肪酸酯(俗称司本)、聚氧乙烯山梨醇脂肪酸酯(俗称吐温)。在水基切削液中常将烷基酚聚氧乙烯醚与烷基苯磺酸钠、平平加等复配使用。研究发现,烷基多苷(APG)具有良好的综合性能,与聚氧乙烯型非离子表面活性剂不同的是它没有浊点,与其他的表面活性剂复配效果好。目前研究出一种叫树形高分子表面活性剂,具有较高的表面活性,在金属加工液中应用取得了良好的效果。
配制水基加工液时通常将阴离子表面活性剂和非离子型表面活性剂搭配使用,使得HLB值相互匹配,乳化效率高,乳化剂用量少,微乳化液稳定,具有协同增效作用。含硅的表面活性剂有很高的表面活性和润湿性,能显著降低水的表面张力,特别是聚硅醚活性剂在不同的温度范围里既能消泡又能稳泡 J。含硼的表面活性剂沸点高,不挥发,高温稳定性好,有抗菌作用,其在切削液领域的应用还有待进一步开发。
3)防锈剂
微乳化液中常用的油溶性防锈剂种类繁多,如石油磺酸钠:环烷酸锌、烷基磷酸咪唑啉盐、氧化石油脂钡皂、十二烯基丁二酸及羊毛脂镁皂等。油溶性防锈剂的机理与油性剂的机理类似,防锈剂与油性剂在金属表面发生竞争吸附,使微乳化液的极压性能下降,故选择防锈剂要综合考虑与其他添加剂的配伍性能,提高微乳化液整体加工性能,通常将不同类别的防锈剂复合使用。
水溶性防锈剂主要有三乙醇胺、六次甲基四胺、苯乙醇胺、苯甲酸钠、硅酸钠、铬酸盐、钼酸钠、亚硝酸钠、长链二元酸等。水溶性防锈剂多是电解质,用于微乳化液时会发生电解而影响微乳化液的
稳定性。亚硝酸钠具有优良的防锈性能,但因会与有机胺反应生成有致癌作用的亚硝胺而被禁用,故出现了一系列可以替代亚硝酸钠的新型防锈剂,如硼酸盐、碳酸盐和磷酸盐及改性亚硝酸钠衍生物等。在用量相当的情况下,硼酸盐与羧酸盐复配后的防锈性能与亚硝酸钠相当。目前,环境友好型缓蚀剂受到了各国广泛的关注,研发防锈性能良好、低毒性和生物降解性的水溶性防锈剂是近年来的主要方向。
4)油性剂
微乳化液中常用的油性剂有动植物油脂、高级脂肪酸,醇、酯、胺及金属皂等。油性剂的性能取决于其本身的油性强弱,油性强,附着力大,油膜厚度增加,摩擦因数低。动植物油脂稳定性差,易被氧化,极易滋生细菌导致微乳化液腐败发臭。但动植物油具有很高的生物降解性,非常符合现代环保理念,可通过对动植物油脂进行改性,提高其抗氧化性能。
5)极压添加剂
国内常用的极压添加剂有氯化石蜡、硫化脂肪、硫化棉子油、亚磷酸二丁酯、磷酸三乙酯等。氯化石蜡活性较强,极压效果好,生成的氯化铁化学反应膜熔点较低,但在有水时极易水解,生成具有强腐蚀性的氯离子,因此在微乳化液中时使用时必须加入腐蚀抑制剂。近年来研究发现,含氯系极压添加剂的废切削油(液)在燃烧处理时会生成具有强致癌性和致畸性的二恶烯类化合物,所以含氯极压添加剂的使用受到严格限制,正逐渐退出使用。硫化异丁烯、长链烷基硫化烯烃等含有活性硫的极压添加剂润滑效果好,形成的硫化亚铁化学反应膜熔点高,抑制积屑瘤和鳞刺的能力强。磷酸三丁酯、亚磷酸酯在金属表面的吸附力较大,反应活性高,防烧结效果好。磷系极压剂在引入氮、硫、硼等杂原子后减摩、抗磨性能优异,具有较高的承载能力。
6)杀菌剂
添加杀菌剂可以有效地增加微乳化液的使用寿命。常用的杀菌剂有邻苯基苯酚、四氯代酚、对氯间二甲基苯酚、六氢化三吖嗪、三溴水杨酰胺等。酚类化合物和甲醛衍生物杀菌效果非常明显,但有很多对人体,环境和水生物有毒害作用。在微乳化液中加入0.5%~0.2%的三丹油可以在3个月内不长细菌,氨基酸与环氧化物的加成物能长期抑制微乳化液腐败。近年来,一些具有高效杀菌作用且对人员和环境危害小的新型杀菌剂成为研究的热点,如羧酸制备的铜盐具有1年以上的抗腐败效果,柠檬酸单铜也有较好的抗菌效果,硼酸酯与表面活性剂复配也有较强的抗菌能力。
7)其他辅助添加剂
在微乳化液中经常使用到的辅助添加剂有消泡剂、助溶剂、偶联剂、pH值调整剂、抗氧抗腐蚀剂、油雾抑制剂以及金属离子掩蔽剂等。含表面活性剂多的微乳化液极易产生泡沫,故一般都要添加消泡剂,常用的消泡剂有硅油、油酸铬和豆类植物油等。目前市场上出现的各种改性聚硅氧烷抗泡剂,效果很好。硅油难溶于水,通常将其溶于有机溶剂中,采用喷雾等方式让其分散于微乳化液体系中。硅油不能多加,否则会使微乳化体系不稳定,易浑浊,用量一般在0.1%~0.3%。助溶剂和偶联剂用来增加微乳化体系的稳定性,其性能取决于自身的亲水亲油值。
pH值调整剂用于调节微乳化液体系的pH值。微乳化液的pH值一般保持在8~10之间,过低则易滋生细菌,发生霉变;过高则腐蚀严重。常用pH值调整剂有三乙醇胺和碳酸钠。抗氧抗腐蚀剂可以延长微乳化加工液的使用寿命,有效地降低使用成本。金属离子掩蔽剂能络合水中的钙、镁离子,有助于微乳化液体系的稳定。
微乳化液具有乳化液与合成液的性能,是金属加工液的主流品种。微乳化液正向通用化和多功能方向发展,使微乳化液具有普遍适用性和液压液的功能,又可解决一台加工设备使用多种润滑介质的问题。高效,长寿命是微乳化液今后发展的目标,延长微乳化液使用寿命可以减少废液的排放,减少对环境的负面影响,研制安全,环境友好的微乳化液是时代的要求,也是微乳化液研究人员永恒的课题。

2.3参考金属加工液配方

组分
投料量(g/L)
32#基础油
80~150
油酸
40~80
三乙醇胺
80~150
季戊四醇油酸酯
40~80
三乙醇胺硼酸酯
60~100
月桂醇聚氧乙烯醚
30~50
壬基酚聚氧乙烯醚
30~50
石油磺酸钠
40~80
苯并三氮唑
30~50
异构十八醇
30~50
有机硅消泡剂
60~100
异噻唑啉酮
60~100
余量

三.市面常见金属加工液

油基切削液、水基切削液、环保长效切削液、加工中心专用切削液、微乳化切削液、极压切削油、拉丝油、金属磨削液、玻璃磨削液、油基磨削液、水基磨削液、切削油、线切割液、切割冷却液线切割工作液单硅片切割液多晶硅切割液蓝宝石切割液
乳化液、冲压油、淬火剂、高温油、极压切削液、、防锈油、发黑剂、拉深油
回顶部
相关技术
© 苏州禾川化学技术服务有限公司 苏ICP备12044509号 | 我们的服务 联系我们| 网站地图|关注: 

扫一扫,关注禾川微信

官方微博
友情链接盖德化工网
点击这里给我发消息  在线QQ