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微乳切削液配方分析

发布时间:2012/7/22 19:48:46 来源:周工 字体: 
微乳切削液广泛用于金属加工及光伏等制造行业,禾川化工专业从事切削液配方分析配方还原、配方检测、成分分析,配方研制,为切削液相关企业提供整套技术解决方案一站式服务;

一.切削液背景

微乳切削液广泛用于金属加工及光伏等制造行业,禾川化工专业从事微乳切削液配方分析、配方还原、配方检测、成分分析,配方研制、配方技术,为切削液相关企业提供整套技术解决方案一站式服务;切削液是一种用在金属切、削、磨加工过程中,用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体,切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成,同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。克服了传统皂基乳化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病,对车床漆也无不良影响,适用于黑色金属的切削及磨加工,属当前最领先的磨削产品。切削液各项指标均优于皂化油,它具有良好的冷却、清洗、防锈等特点,并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污染等特点。
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。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。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切削液的分类及区别

1.1.1切削液的分类
切削液按油品化学组成分为非水溶性(油基)液和水溶性(水基)液两大类。   水基的切削液可分为乳化液、半合成切削液和合成切削液。
乳化液型切削液的成分:矿物油50~80%,脂肪酸0~30%,乳化剂15~25%,防锈剂0~5%,防腐剂<2%,消泡剂<1%
半合成型切削液:矿物油0~30%,脂肪酸5~30%,极压剂0~20%,表面活性剂0~5%,防锈剂0~10%
全合成型切削液:表面活性剂0~5%,胺基醇10~40%,防锈剂0~40%
1.1.2油基切削液和水基切削液的区别
油基切削液的润滑性能较好,冷却效果较差。水基切削液与油基切削液相比润滑性能相对较差,冷却效果较好。慢速切削要求切削液的润滑性要强,一般来说,切削速度低于30m/min时使用切削油。含有极压添加剂的切削油,不论对任何材料的切削加工,当切削速度不超过60m/min时都是有效的。在高速切削时,由于发热量大,油基切削液的传热效果差,会使切削区的温度过高,导致切削油产生烟雾、起火等现象,并且由于工件温度过高产生热变形,影响工件加工精度,故多用水基切削液。
乳化液把油的润滑性和防锈性与水的极好冷却性结合起来,同时具备较好的润滑冷却性,因而对于大量热生成的高速低压力的金属切削加工很有效。与油基切削液相比,乳化液的优点在于较大的散热性,清洗性,用水稀释使用而带来的经济性以及有利于操作者的卫生和安全而使他们乐于使用。实际上除特别难加工的材料外,乳化液几乎可以用于所有的轻、中等负荷的切削加工及大部分重负荷加工,乳化液还可用于除螺纹磨削、槽沟麻削等复杂磨削外的所有磨削加工,乳化液的缺点是空易使细菌、霉菌繁殖,使乳化液中的有效成分产生化学分解而发臭、变质,所以一般都应加入毒性小的有机杀菌剂。
化学合成切削液的优点在于经济、散热快、清洗性强和极好的工件可见性,易于控制加工尺寸,其稳定性和抗腐败能力比乳化液强。润滑性欠佳,这将引起机床活动部件的粘着和磨损,而且,化学合成留下的粘稠状残留物会影响机器零件的运动,还会使这些零件的重叠面产生锈蚀。一般在下列的情况下应选用水基切削液:
1)对油基切削液潜在发生火灾危险的场所;
2)高速和大进给量的切削,使切削区超于高温,冒烟激烈,有火灾危险的场合。
3)从前后工序的流程上考虑,要求使用水基切削液的场合。
4)希望减轻由于油的飞溅护油雾和扩散而引起机床周围污染和肮脏,从而保持操作环境清洁的场合。
5)从价格上考虑,对一些易加工材料护工件表面质量要求不高的切削加工,采用一般水基切削液已能满足使用要求,又可大幅度降低切削液成本的场合。
6)当刀具的耐用度对切削的经济性占有较大比重时(如刀具价格昂贵,刃磨刀具困难,装卸辅助时间长等);机床精密度高,绝对不允许有水混入(以免造成腐蚀)的场合;机床的润滑系统和冷却系统容易串通的场合以及不具备废液处理设备和条件的场合。均应考虑选用油基切削液。

1.2切削液的作用机理

1)润滑作用
切削液在切削过程中的润滑作用,可以减小前刀面与切屑,后刀面与已加工表面间的摩擦,形成部分润滑膜,从而减小切削力、摩擦和功率消耗,降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损,改善工件材料的切削加工性能。 在磨削过程中,加入磨削液后,磨削液渗入砂轮磨粒-工件及磨粒-磨屑之间形成润滑膜,使界面间的摩擦减小,防止磨粒切削刃磨损和粘附切屑,从而减小磨削力和摩擦热,提高砂轮耐用度以及工件表面质量。
2)冷却作用
切削液的冷却作用是通过它和因切削而发热的刀具(或砂轮)、切屑和工件间的对流和汽化作用把切削热从刀具和工件处带走,从而有效地降低切削温度,减少工件和刀具的热变形,保持刀具硬度,提高加工精度和刀具耐用度。切削液的冷却性能和其导热系数、比热、汽化热以及粘度(或流动性)有关。水的导热系数和比热均高于油,因此水的冷却性能要优于油。
3)清洗作用
在金属切削过程中,要求切削液有良好的清洗作用。除去生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒,防止机床和工件、刀具的沾污,使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利,不致影响切削效果。对于油基切削油,粘度越低,清洗能力越强,尤其是含有煤油、柴油等轻组份的切削油,渗透性和清洗性能就越好。含有表面活性剂的水基切削液,清洗效果较好,因为它能在表面上形成吸附膜,阻止粒子和油泥等粘附在工件、刀具及砂轮上,同时它能渗入到粒子和油泥粘附的界面上,把它从界面上分离,随切削液带走,保持切削液清洁。
4)防锈作用
在金属切削过程中,工件要与环境介质及切削液组分分解或氧化变质而产生的油泥等腐蚀性介质接触而腐蚀,与切削液接触的机床部件表面也会因此而腐蚀。此外,在工件加工后或工序之间流转过程中暂时存放时,也要求切削液有一定的防锈能力,防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。特别是在我国南方潮湿多雨季节,更应注意工序间防锈措施。
5)其它作用
除了以上4种作用外,所使用的切削液应具备良好的稳定性,在贮存和使用中不产生沉淀或分层、析油、析皂和老化等现象。对细菌和霉菌有一定抵抗能力,不易长霉及生物降解而导致发臭、变质。不损坏涂漆零件,对人体无危害,无刺激性气味。在使用过程中无烟、雾或少烟雾。便于回收,低污染,排放的废液处理简便,经处理后能达到国家规定的工业污水排放标准等。

二.典型切削液介绍(微乳切削液)

金属切削液一般含有润滑剂、极压剂、表面活性剂、防锈剂、防腐剂、消泡剂等添加剂。

2.1微乳型切削液

现代半合成切削液 ,俗称微乳 ,即按一定的比例稀释到水中 ,广泛用于金属切削等加工工艺上 ,消除了乳化型及合成型切削液的缺点 ,同时把该两种切削液的优点集于一体 ,它广泛作为机械加工润滑、冷却用,具有良好的润滑、冷却、 防锈、 清洗等功能。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。微乳化油中包括了油、水、 表面活性剂、 防锈缓蚀剂、 油性剂、 极压剂、 防霉杀菌剂等成分。
(1)油相和水相: 微乳化油含量一般为 10 %~30 % ,油不仅有润滑作用 ,而且是油溶性添加剂的载体。微乳化油中的水分最高含量为 45 % ,大量水的存在是有别于乳化油的一个主要特征。这不仅是偶和表面活性剂的需要 ,也为各类水溶性添加剂的使用提供了必要条件。从环境和健康出发 ,要求油中芳烃的含量小于 10 %;从与添加剂的配伍性出发。石蜡基与环烷基的c础油较好。常选用;机械油、植物油、白油、15号石腊基油。
油不仅有润滑作用 ,而且是油溶性添加剂的载体。从环境和健康出发 ,要求油中芳烃的含量小于 10 %;从与添加剂的配伍性出发 ,石蜡基与环烷基的基础油较好。
(2)表面活性剂: 微乳化液中分散相的高度细化和体系的稳定性是依靠表面活性剂的润湿、分散、乳化、增溶等作用实现的。在乳化油中 ,表面活性剂的用量为 20 %~25 % ,而在微乳化油中,其用量可高于40 % ,以保证分散相油滴细化 ,使体系保持高度稳定性。表面活性剂是使油和水乳化的关键性物质 ,一般分为3种类型:阳离子型表面活性剂、 阴离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。阳离子型表面活性剂通常使乳液显酸性 ,使乳液容易腐败变质 ,故极少用。阴离子型表面活性剂的特点是乳化性能好,并有一定的清洗和润滑性能 ,但抗硬水能力差 ,并易起泡。常与非离子型表面活性剂配对使用。非离子型表面活性剂在水中不电离 ,其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团(一般为醚基和羟基)构成 ,不宜受强电解质无机盐类存在的影响 ,也不易受酸碱的影响 ,与其它类型的表面活性剂相溶性好 ,能很好地混合使用 ,但由于在溶液中不电离 ,故在一般的固体表面上不易发生强烈的吸附 ,另外 ,随温度的升高 ,很多非离子型表面活性剂溶解度降低甚至不溶 ,这样会造成乳液浑浊。所以 ,通常通过调整阴离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂的配比 ,使H LB值与分散相匹配 ,以获取最佳的分散、乳化效果 ,这是能否获得一个均一、 稳定的体系的关键。大量表面活性剂的参与使微乳化液的渗透、 清洗能力比乳化液大大增强 ,有利于保持刀具刃面和 砂轮的锋利以及切削加工面的清净度 ,从而提高了切削效率和加工精度。常用阴离子和非离子表面活性剂复配使用效果较好。常用表面活性剂:脂肪酸皂, 石油磺酸盐脂肪醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、吐温、脂肪酸烷基酰胺、山梨糖醇酯, 聚醚等
(3)防锈缓蚀剂: 为了保护机床、刀具及工件不受乳液的侵蚀 ,要在切削液中加入防锈缓蚀剂 ,以期在金属表面形成保护膜 ,或者形成钝化膜。防锈添加剂主要由水溶性防锈剂和油溶性防锈剂两大类。水溶性添加剂有亚硝酸钠、 苯并三氮唑、硼酸、 三乙醇胺、磷酸盐、 铬酸盐、 植酸、 苯甲酸钠、 钼酸钠和无水碳酸钠等。他们与金属发生作用 ,并在金属表面生成不溶性的致密的氧化膜 ,阻止金属的电化学腐蚀。这类防锈剂多是电解质 ,用于乳液时,用量不易过大 ,以免发生电解现象而破坏乳液。油溶性防锈剂主要有磺酸盐、 高分子羧酸及其金属皂盐类、 酯醇类、 胺类、 磷酸酯等。他们是极性很强的化合物 ,能优先吸附在金属表面或与表面化学反应生成保护膜 ,抑制氧及水对金属的接触 ,因此 ,它会与极压剂在金属表面的吸附发生竞争 ,使乳液的极压性下降。亚硝酸钠有致癌作用 ,在西方发达国家 ,和一些发展中国家已为禁用产品。二乙醇胺的含量也不应超过1 % ,因其在空气中容易氧化成致癌物质。常用的环境友好缓蚀剂如脂肪酸衍生物、胺类、 咪唑啉类及三唑类。
(4)油性剂: 为了保护刀具 ,提高加工质量 ,此类添加剂是微乳化油中不可缺少的组分。这类添加剂主要有动植物油脂 ,聚合脂肪酸及其皂 ,脂肪醇及多元醇 ,硫化油脂 ,酮类 ,胺类等有机物。它们是具有极性基的分子,能在金属表面形成定向吸附膜。在金属加工中 ,此膜能减少工件、 切削、 刀具之间金属的直接摩擦 ,降低工件表面粗糙度 ,提高工件精度并延长刀具使用寿命。
(5)极压剂: 极压剂是含硫、磷、氯等元素的化合物 ,这些化合物在高温下与金属表面发生化学反应 ,生成化学吸附膜。化学吸附膜与物理吸附膜相比,耐较高的温度,故可用于极压润滑摩擦状态。国内广泛采用氯化石蜡、硫化脂肪油、硫氯化棉子油、亚磷酸二丁酯、磷酸三乙酯、ZDDP 等作为极压剂。在磷类极压剂中引入 N、S、B 等元素形成的极压剂效果不错。P - N 具有较高的承载能力S - P - N型磷元素在低速高扭矩条件下效果最好 ,在高速冲击负荷下效果很差 ,但硫元素在高冲击下对提高极压性能却最为有效 ,此外 ,由于胺的存在抑制了酸性磷酸酯的化学腐蚀磨损 ,所以该类极压抗磨添加剂具有较好的极压性、 防锈性和抗氧化性,B - P - N 型则具有良好的抗铜腐蚀性和优良的极压抗磨性能。
有机硼酸酯分子中引入活性元素硫和磷则具有多种性能 ,除了增强抗氧化和减摩作用外 ,其抗磨性和摩擦改性均变好;若引入氮元素 ,可明显提高承载能力和抗磨性能。
有机钼化合物作为极压抗磨添加剂,不仅具有优良的抗磨、减摩、抗极压性能 ,而且还有防腐蚀性能。
二聚酸及其衍生物是水基金属加工液良好的添加剂,与水相溶而生成透明的水溶性润滑液。其油性基团具备良好的减摩抗磨作用 ,在极压条件下 ,二聚酸与摩擦表面反应生成二聚酸金属盐皂膜起极压抗磨作用 ,此外 ,还能提供防锈性。其可用于多种金属材料加工 , 包括含铁和非铁金属 ,如钛、 镁、 黄铜、 铜、 青铜或其它相类似的易于被污染的金属的加工。由于油基产品向水基产品发展 ,水溶性极压剂的研究也越来越受到人们的重视。这类产品有脂肪酸的有机硫磷酸盐、 壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯 ,烷基氧乙烯醚有机磷酸胺盐等。最近发现 ,高碱值磺酸盐在重金属加工中用作惰性极压剂(PEP) ,能在金属表面形成物理覆盖的碳酸盐保护膜 ,具有低剪切强度 ,在金属加工中具有优异的极压润滑性能 ,与含硫极压剂复合使用有显著的协同效应 ,对多数金属没有腐蚀 ,且具有防锈作用 ,对人和环境基本无害 ,符合工业卫生和环保要求。还能改善表面光洁度 ,有极好的防锈能力 ,对大多数金属不腐蚀 ,安全并无环境污染。
(6)防霉杀菌剂:微乳液容易滋长微生物 ,使加工液变质 ,使用寿命变短。常用的杀菌剂有甲醛释放剂、酚类化合物、水杨酸类、杂环化合物等。目前 ,我国常用的为三丹油。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
(7)其他助剂; 微乳化液中使用的辅助添加剂还有消泡剂(硅油乳剂, 高级醇)、稳定剂(十二醇)偶和剂、 pH调整剂、金属离子掩蔽剂等。消泡剂常用的为硅油类 ,其不溶于水 ,分散于水中 ,不能加多 ,否则 ,体系易浑浊。偶和剂用来增加体系的稳定性 ,其性能取决于自身的亲水 - 亲油之间的平衡。体系pH值应保持在8~10之间 ,pH值过低 ,易滋生细菌霉变;pH值过高 ,铝腐蚀严重。金属离子掩蔽剂能络合水中的钙镁离子。这些添加剂如何使用 ,应根据具体情况而定。

2.2常见微乳切削液的配方表

组分
投料量(g/L
15号基础油
200~220
蓖麻油三乙醇胺
200~220
妥尔油
30~80
硼酸
150~200
杀菌剂
10~30
消泡剂
10~30
表面活性剂(tx-10
25~50
聚乙二醇
25~50
石油磺酸钠
100~130
磷酸钠
100~130
余量

三.市面常见切削液

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
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