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切削液不得不知的基本知识

作者:东莞益昌润滑科技有限公司  发布时间:2014-6-13  浏览次数:3196

金属加工液


      金属及其合金在切削、成形、处理和保护等过程忠使用的工艺润滑油统称为金属加工液,又名切削液。在金属加工过程中,为了降低切削时的切削力,及时带走切削区内产生的热量以降低切削温度,提高刀具耐用度,从而提高生产效率,改善工件表面粗糙度,保证工件加工精度,达到最佳的经济效果,通常使用金属加工液。


      金属加工液在金属加工过程中具有润滑、冷却、清洗、防锈等作用;其中核心作用是:一方面通过冷却作用降低加工过程中的变形热,另一方面通过润滑作用来减少金属加工过程中的磨擦热,从而来提高金属加工质量,延长刀具的使用寿命等。


      1、冷却性能:冷却作用是通过乳化液和因切削而发热的刀具、切屑和工件间的对流和汽化作用把切屑热从固体(刀具、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。 
      2、润滑性能:润滑作用就是其减少前刀面与切屑、后刀面与已加工表面间的摩擦形成部分润滑膜的作用,以防止刀具与切屑或工件间的粘着,所以良好的润滑可以减少功能消耗、刀具磨损和良好的表面光洁度。
      3、清洗性能:在金属加工过程中,切屑、铁粉、磨屑、油污、沙粒等常常粘附在工件、刀具或砂轮表面及缝隙中,同时沾污机床和工件,不易清洗,使刀具或砂轮切屑刃口变钝,影响切削效果。所以要求乳化液有良好的清洗作用。乳化液的清洗性能就是指乳化液防止这些细颗粒粘结和利用液流的机械冲洗作用将其冲走的能力。
      4、防锈性能:在金属加工过程中,工件要与环境介质如水、氧、硫、二氧化硫、二氧化碳、硫化氢、氯离子、游离酸碱和乳化液分解或氧化变质所产生的油泥等腐蚀性介质接触而受到腐蚀,机床部件与乳化液接触的部分会产生腐蚀。因此要求乳化液有一定的防锈能力。


      金属加工液除了应具有良好的冷却性、润滑性、清洗性、防锈性外,还应具有防腐蚀性、抗菌性、防垢性、抗泡性、热稳定性、无毒、无害、无刺激性气味、不污染环境、使用方便等条件。


      金属加工液可分为纯油性切削液和水溶性切削液两种。金属加工液应具有如下作用:
1、   改善加工表面,提高表面光洁度;
2、   提高加工件尺寸的精密度;
3、   延长切削工具的寿命;
4、   随时排除切削屑末,洗净加工面;
5、   防止加工件腐蚀或生锈;
6、   提高切削加工效率;
7、   随时冷却加工件表面和加工刀具。
      因而要求金属加工液必须具备如下性能:
⑴ 要求有良好的边界润滑性能,而需由极好的极压性;
⑵ 防止切削刀具和加工金属表面熔接的性能;
⑶ 良好的热传导性能和耐热性能;
⑷ 良好的防腐蚀性能和防锈性能;
      除此之外,对于纯油性切削液还要求具有:
①在一定的长的时间内不腐蚀金属,不氧化变质,不变色;
②使用中不产生烟雾,不变质,不发臭并无不良气味;
③抗胶质,抗结焦积碳,并不发生沉淀物;
④对加工部件不发生不良作用等。
      对于水溶性切削液还要求:
① 在硬水条件下,不得分层或分离,如用300~700ppm的硬水或冷水时,都应能很好地乳化;
②良好的抗腐败性,抗细菌性,并不发生臭味;
③良好的抗泡沫性;
④和切削的迅速分离性;
⑤不沉积在加工工具上,也不得侵蚀工具等。


      如何选择好的添加剂,并能保证金属加工液所应具有的性能是加工液生产厂商的核心


      纯油性切削液主要由基础油、加工性能添加剂、性能增强剂等组成,纯油性切削液具有良好的润滑性能,适合对润滑性要求高,重负荷、低速大进给的切削,切削余量高的加工,表面精度要求高,水对刀具或零件有不良影响的场合以及难加工材料等。其中加工性能添加剂目前普遍使用的如:酯类(醚类)、氯、磷、硫、固体类添加剂为主,性能增强剂包括:抗氧剂、抗油雾剂、防锈/防蚀剂、抗泡剂、着色剂/颜料、香味剂等。


油性油选择原则:


1、黏度:
      由于不同的加工应用需要不同的黏度,以满足不同的冷却、润滑要求,所以纯油性切削液在生产过程中,黏度的选择优为重要,可根据不同的加工工艺生产出与之相适合的油性切削液,以满足不同的金属加工要求。以下列举了几种金属加工工艺所需的黏度范围:
       ▲ 珩磨:                     3—6cST
       ▲ 深孔钻:                   10—18cST
       ▲ 拉削(立式):              12—18cST
       ▲ 切削:                      20—35cST
       ▲ 齿轮加工:                 30—35cST


2、 加工特性:
      油基切削液的润滑性能好,冷却性能较差,水基切削液则相反,但其成本低,操作环境安全、干净,没有油雾和着火的危险;近年来微乳化型切削液发展很快,随着高性能水基切削液新产品的不断开发,其使用范围逐渐扩大,开始出现油基向水基过渡的趋势,可以预料它将是未来切削液的主导品种。


乳化剂


      水基切削液包括乳化切削液、微乳化切削液和合成切削液,大都主要用在高速切削上。水基切削液主要由:矿物油、乳化剂、助溶剂、防锈剂、抗磨添加剂、极压添加剂、消泡剂、防腐杀菌剂、水等组成。


      其中矿物油一般选择环烷基基础油,此类矿物油具有易乳化,与添加剂兼容性好,像回收环烷基变压器油,黏度在10CST左右;此外,也有用重烷基苯类或合成油。重点考虑的是作为分散体或助溶剂使用,润滑作用在其次。

      水性油乳化剂目前国内外切削液生产厂商普遍使用的主要有以下几种:
1.      烷基酚聚氧乙烯醚:如NP、OP系列
2.      脂肪醇聚氧乙烯醚:如MOA、FAE系列
3.      山梨糖醇聚氧乙烯醚;如:SPAN,TWEEN系列
4.      脂肪酸酰胺,脂肪酸盐:如T704、妥尔油盐、蓖麻油盐系列
5.      磺酸盐:如T701、T702,土耳其红油系列


      乳化剂属于表面活性剂类物质,但并非表面活性剂就可以用于切削液中作为乳化剂使用,只有那些对乳化液体系起着有效的稳定作用、同时又不影响乳化体系其它组分的表面活性剂,才适合作切削液生产的乳化剂。


      水基切削液的组成之一 ——表面活性剂(即乳化剂),能降低切削液界面张力,使其扩散、渗透能力强,提高切削液润滑防锈能力。如何选择合适的表面活性剂是研制工作的关键之一。表面活性剂分子具有双亲结构,一端亲油,一端亲水。不同类型的表面活性剂主要区别是其极性基团,分别有阳离子型,阴离子型,两性型与非离子型。选择单一的表面活性剂要注意它们的协同效应以及其它添加剂的互溶性、经济性和低泡性。阴离子表面活性剂价廉,易制,它的极性基团带负电,易与切削过程中的金属表面形成吸附膜,是一种良好的油性剂,能起润滑、防锈作用。非离子表面活性剂不怕硬水,耐酸碱,具有清洗能力,且稳定。两者以一定比例复配可增强效应,表面活性剂如何选择方法之一 ——HLB值法。


      通常在选择好表面活性剂后,通过HLB值确定各种表面活性剂的配比后,按此调成的切削液往往还是有点混浊或放置一段时间后分层或变混浊等,此时一般在金属加工液中往往需要添加一些长链脂肪醇、醚类等助乳化剂,通过助乳化剂来调节切削液的HLB值,使切削液的HLB值达到最佳值,一方面可以提高表面活性剂的乳化性能,另一方面可以提高金属加工液的稳定性,长时间放置不会分层变混浊等。具体应用如:当有一个切削液基本配方时,由于要适合不同的金属加工要求,可能要额外添加一些润滑剂、极压剂或抗磨剂等功能性添加剂,当额外添加功能性添加剂时,往往会改变金属加工液原有的HLB值,使得改进的金属加工液出现分层或混浊,这时就需添加醇醚等功能性添加剂,使HLB值重新达到最佳值而呈现透明液体,具体添加量需要在实验室反复调试,综合考虑其添加量。若不加调整直接使用,会使金属加工液各组分无法充分发挥原有的功能,严重影响金属加工液的性能。因此,醇醚等功能性添加剂在金属加工液研发中的地位尤其重要,被广泛用于原有配方的改进和新配方的研发等。


水性油助溶剂主要有:
①醇胺类,如:MEA,TEA,IPA,MORPHILINE,苯醇胺等;
②醇类:长链脂肪醇,尤其带支链的醇,抗氧化,凝固点低,无腐蚀;
③醇醚类:此类物质具有高沸点,如聚醚等。


      水性油抗磨/油性剂使用较多的有:二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)、天然合成油脂、合成酯、脂肪酸酯等。


      水性油防锈剂可以分为有机系列、无机系列、复合系列;其中有机系列入苯羧酸、磺酸、二元酸、氨基酸等,此类防锈剂防锈性能特别好,低毒,生物降解,不含金属盐,唯一的缺点是价格太高,但随着亚硝酸盐类防锈剂的禁用,此类防锈剂还是得到了广泛应用;无机系列主要有亚硝酸盐、钼酸盐、磷酸盐、硅酸盐等,此类产品便于运输,应用已经比较成熟了,但有毒或者价格高,兼容性差,后处理难等,逐进被有机系列替代;而复合系列多为多元组分复合,所以此类产品种类繁多,且复杂。


      由于水性油含有大量表面活性剂等有利于微生物繁殖的养分,给微生物繁殖提供了培育的温床,微生物的繁殖会导致切削液变质发臭,有机成份的分解、导致PH值下降、腐蚀金属等严重后果,为了防止切削液变质发臭,通常在金属加工液生产过程中添加杀菌剂,以提高切削液的使用寿命等。


杀菌剂


      水性油杀菌剂主要有甲醛释放型和有机合成型两种:
甲醛释放型具有价廉,杀菌谱广,兼容性好,便于检测,但其缺点是有毒,刺激,可能对工人皮肤过敏,对真菌效果差;
有机合成型具有杀菌谱广,低毒,杀菌效率高,霉菌真菌都有效,缺点是价格高,兼容性差,刺激,可能过敏。其中杀细菌剂有三嗪类和磺酸盐类杀菌剂,杀真菌剂有异噻唑啉酮类、三嗪氨基酸酯类、硼酸酯酰胺类等 。


消泡剂


      由于水性切削液在生产过程中使用了大量的表面活性剂等乳化剂,在使用过程中一般都有不同程度的泡沫产生,严重影响金属加工的效率和加工件质量,为了尽量减少金属加工液使用中泡沫的产生,很多切削液生产商都会在生产切削液时加入不同类型的水性油消泡剂,消泡剂类型主要有:有机硅、聚醚、复合型和其它类型的消泡剂,有机硅具有消泡效果好,而广泛被使用,但是溶液在切削液中分层;聚醚类水溶性好,不易过滤掉;而使用复合型消泡剂主要考虑其在切削液中起到抑泡性能;其它类型主要是一些钙盐、矿物油类的。
微乳化切削液


      一、 乳化切削液也称为皂化溶解油,是石油系油加入乳化剂,如环烷酸皂、磺化油、磺酸钠、C14以上的饱和脂肪酸皂,石油酸皂、妥尔油酸皂等树脂酸皂,氧化石油脂,以及C17~20的合成脂肪酸皂等表面活性剂,并加入结合剂,如各种醇类和醇胺类等乳化稳定剂,再加入抗磨剂,抗擦伤剂,抗腐蚀剂,抗泡剂,抗氧化剂及抗腐败剂和防菌剂等。并用少量的水调制成的母液,及时用15~40倍的水稀释成乳白液使用。根据使用要求,可制成油包水或水包油型的两种乳化液。这种水溶性乳化切削液中含石油系油较多,润滑性能较好。由于含大量的水而冷却性也好,而且腐蚀性也比一般电解系的无机盐型透明水溶液为小,常用在粗、中精度的切削或研磨加工上。


      这种乳化切削油,必须根据PH值区分使用,一般PH值在8.5~10.5的适用于钢、铁材料的切削,6~8.5的适用于铝、铜等非铁金属材料的加工上。其常用的典型组分,为由4~5%的表面活性剂(平均分子量350~525的石油磺酸钠),和30~70%的石油润滑油(50℃粘度10~30厘沲),及最多到20%的亲和剂,最好是C1~20的醇或醇胺,和适量的电解质(最好是无机盐),以及15~66%的水组成。


      二、微乳化液是矿物油溶于水后形成的,一般含矿物油5—35%,乳化剂含量与油性物含量比乳化液高出3—6倍,但其油的含量远低于乳化液中油的含量,因而能使油滴形成微粒的直径很小。由于微乳化液特有的组成特点,使得它兼有乳化液和合成液两者的优点,润滑、冷却、清洗、防锈性能均较好,且其使用寿命比乳化液要长4~6倍。其中乳化切削液属于传统产品,价格经济,稳定性差,寿命短,维护难,兑水后呈乳白色;微乳化切削液具有多用途,应用广,综合性能好,稳定性较好,寿命长,兑水后呈半透明或透明状;全合成切削液主要用于冷却要求高的场合,如磨削等,兑水后呈全透明状,极压性不够。因此,发达国家已经走过了从乳化液向合成液,再向微乳化液发展的过程,微乳化液得到了前所未有的发展和应用。


      微乳化切削液是由水、油(有机溶剂)、表面活性剂和助表面活性剂等组成的透明或半透明的、各相同性的热力学稳定体系,具有粒子细小、大小均一、稳定性高等特点。微乳化液常规制备方法有两种:一种是把有机溶剂、水、乳化剂混合均匀,然后向该乳液中滴加醇醚等助乳化剂,在某一时刻体系会突然间变得透明,这样就制得了乳化液,这种方法称为schulman法;另一种是把有机溶剂、醇醚、乳化剂混合为乳化体系,向该乳化液中加入水,体系也会在瞬间变成透明,称为shah法。乳化液的形成不需要外加功,主要依靠体系中各份的匹配,寻找这种匹配关系的主要办法有PPT(相转换温度)、CER(粘附能比)、表面活性剂在油面相和界面相的分配、HLB值(亲水——亲油平衡值)和盐度扫描等方法。目前应用最多的是HLB值法和表面活性剂在油面相和界面相的分配。


      微乳化切削液是以中性或非离子型表面活性剂30—50%为主要成分,混入石油系油,再加防锈剂,极压剂和防腐剂,充分分散而成的含有多量水分的胶体溶液。其表面张力极小,洗涤性能很强,几乎和水一样透明的分散乳化液。使用时用水稀释到30至100倍。一般用在精密研磨时,需用80—100倍的水稀释,切削时用20—50倍的水稀释。

 

 
 
 
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