水基金屬加工液種類(lèi)及添加劑的選用

第40卷第4期當代化1Vo01.40, No.42011年4月Contemporary Chemical IndustryApril, 2011水基金屬加工液種類(lèi)及添加劑的選用莊園'，劉戈'，李廣宇'(1.沈陽(yáng)鹿森潤滑技術(shù)有限責任公司，遼寧沈陽(yáng)10015; 2沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159) .摘要: 介紹了水基 金屬加工液的發(fā)展演變過(guò)程，說(shuō)明了不同種類(lèi)的水基金屬加工液的分類(lèi)標準、特點(diǎn)及典型配方，重點(diǎn)介紹了不同應用條件下不同種類(lèi)的水基金屬加工液所使用的添加劑的類(lèi)型，主要包括潤滑劑(含邊界、極壓潤滑劑EP)、防銹劑、腐蝕抑制劑、乳化劑、殺菌劑等。關(guān)鍵詞:水基金屬加工液;添加劑; 潤滑劑; 防銹劑; 乳化劑; 殺菌劑中圖分類(lèi)號: TQ 314.255文獻標識碼: A文章 編號: 1671- 0460 (2011) 04 -0403-04Types of Water-based Metalworking Fluids and Application of AdditivesZHUANG Yuan', LIU Ge' , LI Gruang-yu2(1.Shenyang Lusan Lubrication Technology Co, Ltd. , Liaoning Shenyang 110015, China;2.Shenyang Ligong University, Liaoning Sheayang 110159，China)Abstraet: The development course of metalworking fluids was introduced, classification standard and charateristicsof metalworking fluids were summed up as well as some typical formulations. At last, how to correctly choose types ofaditives for different metalworking fluids under diferent application conditions was discussed, including lubricantadditives (boundary lubricants and EP additives), rust inhibitors, corrosion inhibitors, emulsifiers and so on.Key words: Metalworking Fuilds: Additives; Lubricant additives; Corrosion inhibitors; Emulsifiers; Biocides金屬加工液主要應用于金屬切削、磨削和成型媲美的冷卻性能及低廉的成本而獲得了迅速發(fā)展,加工中，可以提高加工效率和工件表面質(zhì)量,同時(shí)因此加快了油基液向水基液過(guò)渡的步伐。近年來(lái)，延長(cháng)刀具的使用壽命。利用金屬加工液可以清洗工微乳液型金屬加工液發(fā)展很快，可以預料它將是未件.上的金屬屑和細末，同時(shí)，起到冷卻、潤滑的作來(lái)金屬加工液的主要品種。用。另外，在進(jìn)一步加工或組裝前，金屬加工液還1水基金 屬加工液分類(lèi)對工件起到一定的室內臨時(shí)防銹作用。20世紀,金屬加工液經(jīng)歷了從單純的油品向多由于水基金屬加工液的種類(lèi)繁多,涉及面廣，樣的水基加工液演變的過(guò)程。最初開(kāi)發(fā)乳化油是在要求各不相同，致使目前世界上還沒(méi)有統-的分類(lèi)1910~ 1920年，目的是為了提高金屬加工液的冷卻及規格標準。不同的相關(guān)組織對其進(jìn)行了不同的分性能也防止起火。由于其中加入的水會(huì )導致工件生類(lèi)。具有代表性的分類(lèi)標準有ISO 6743/7- 1986、銹，因此需要加人防銹劑。合成液在20世紀50年ASTM D2881-03和JIS K2241等。其中日本的JIs代首次面市，其冷卻性和防銹性?xún)?yōu)于乳化液，更適K2241標準實(shí)用性強，國外許多水基金屬加工液制用于磨削加工。20 世紀70年代早期，石油短缺促造商都借鑒此標準?，F對JIS K2241中水基金屬加進(jìn)了不含油的合成液的發(fā)展，使其有可能在所有加工液的種類(lèi)和性狀作較詳細的介紹，見(jiàn)表1。工中取代油基產(chǎn)品。20世紀80年代，合成液和半乳化液是乳化油經(jīng)水稀釋后形成的乳白色或合成液在成熟的市場(chǎng)中穩步發(fā)展，并逐漸取代油含半透明液，它具有良好的冷卻性和清洗性，并具有量高的產(chǎn)品。21世紀以來(lái),隨著(zhù)對環(huán)保要求的提高，-定 的潤滑性和防銹性。最大的缺點(diǎn)是工作液穩定廢液處理成本增加，更容易后處理的乳化油的市場(chǎng)性差，易腐敗變質(zhì),使用壽命短。占有率超過(guò)了合成液"。.合成液是用自來(lái)水按一定比例稀釋而成的半總之，由于水基金屬加工液具有油基產(chǎn)品難以透明或中國煤化工長(cháng)，使用安全，YHCNMHG基金項目:遼寧省教育廳基金資助項目， 項目號: 20082185.收稿日期: 2010-12-28作者簡(jiǎn)介:莊園(1982-), 女，助理工程師，遼寧朝陽(yáng)人，2005 年畢業(yè)于遼寧大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院化學(xué)專(zhuān)業(yè)，現主要從事金屬加工液的研發(fā)工作。E-mail:zhuangyua@126.com, 電話(huà): 024- -24513690。當代工2011年4月節約油料資源，具有極好的冷卻性、清洗性和- -定可能會(huì )沖洗破壞掉機床上的潤滑膜,導致機床潤滑的防銹潤滑性。但由于它的清洗性好、滲透力強,部件動(dòng)作不靈，這是合成液的最大弊端。表1水基金屬加工液的種類(lèi)和性狀(JIS K 2241-1997 )Table 1 Types and characteristics of water-based metalworking fuids (JIS K 2241-1997)乳化穩定性/mld室溫，24h)種類(lèi)表勇水硬水揮陽(yáng)值貪臨(24+2)，1489外觀(guān)AmN●m')油層L層油層乳層分%C/mL18S- 105.鋼不色乳白色潮2號痕量≤25≤25≤ 25≥90到卷明3號80~ 105≤:1號85- l05鋼不絕24<40≥301-15透明至半透80-105片錒不色備注:不揮發(fā)成分，氯含量和硫含量是原液性能指標，除此之外是在室溫20~30 C條件下，W類(lèi)按10倍稀釋, W:類(lèi)按30倍稀釋的水溶液性能指標。微乳化液(半合成液)是用自來(lái)水按比例稀釋之一。隨著(zhù)石油產(chǎn)品價(jià)格的不斷攀升，使配方設計而成的半透明或透明液。具有以下特點(diǎn):師們轉而采用合成磺酸鹽。合成磺酸鹽是直鏈或帶①外觀(guān)像合成液，為透明或半透明，利于觀(guān)支鏈的烷基苯(烷基化物)。聚異丁烯琥珀酸酐衍察加工操作情況和工件表面狀態(tài);生物( PIBSA )也可作為石油磺酸鈉的替代物使用。②使用壽命比普通乳化液長(cháng)4~6倍;2.1.2腐 蝕抑制劑③使用效果類(lèi)似乳化液，溶液干后能形成一-由于大多數水基金屬加工液在使用時(shí)用水稀層膜,對機床滑動(dòng)部件起著(zhù)良好的潤滑、防銹作用。釋,容易導致機床和工件生銹,防銹也就成為關(guān)鍵。因此微乳化金屬加工液能綜合乳化液和合成根據乳化劑不同，水基金屬加工液中通常添加磺酸液的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補這兩種金屬加工液的不足，所鈣、鏈烷醇酰胺、氧化石蠟等防銹劑。而含硼的水以性能優(yōu)異，通用性強"。溶性抑制劑則同時(shí)具有防銹性和生物穩定性。各種腐蝕抑制的作用機理不盡相同，有的是形成膜(羧2水基金屬加工液的添加劑酸胺),有的是氣相抑制劑(單乙醇胺硼酸酯),還.配制水基金屬加工液使用的添加劑多數是陰有的是與表面金屬形成基質(zhì)來(lái)提供保護(吡咯)。離子或非離子型有機物,大部分是液體,便于混合。在考慮防腐問(wèn)題時(shí),還要同時(shí)兼顧到黑色金屬(鋼.基本種類(lèi)包括脂肪酸、鏈烷醇酰胺、酯、磺酸鹽、鐵)和有色金屬(鋁、銅等)合金。皂、乙氧基表面活性劑、氯化石蠟、硫化脂肪和油、2.1.3 微生物抑制劑乙二醇酯、醇胺、聚乙二醇、磺化油、油酯和各種水基金屬加工液中需要一種或多種微生物抑殺菌劑等。制劑(殺菌劑)以控制微生物的生長(cháng)，使體系內的水基金屬加工液的很多性質(zhì)是相互制約的。比細菌和霉菌的數量維持在盡可能低的水平,避免產(chǎn)如，若有極好的生物性和硬水穩定性，則其廢液可生惡臭，影響工作環(huán)境和操作人員健康"。此外，能很難處理;若有極好的潤滑性,則可能不易于清也需要池邊添加殺菌劑控制微生物生長(cháng)。常用的甲洗?？傮w來(lái)說(shuō),水基金屬加工液應該是穩定、低泡、醛釋放型殺菌劑是用于抑制細菌,吡啶硫醇鈉是用易于后處理的?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗來(lái)確定其中添加劑最于抑制霉菌。如果酚的排放不會(huì )引起廢液處理爭端佳種類(lèi)和數量。的話(huà)，也可以使用直鏈苯基苯酚或對氯間甲酚。但2.1 乳化油所謂抗生物降解或生物穩定型的水基金屬加工液，2.1.1乳化劑有時(shí)不使用殺菌劑而是選擇了生物降解能力低的乳化油中的主要乳化劑是磺酸鈉，通常與脂肪添加劑。酸皂、酯和偶合劑配合使用。與水混合后形成穩定2.1.中國煤化工的白色乳液。多數乳化油都是油與乳化劑的結合體t中的油。水稀釋系。后的,TYHCN M H G幾乎不可能形成天然石油磺酸鈉是用于乳化油的主要乳化劑流體潤滑，而形成的膜的強度與純油相比相差甚第40卷第4期莊園， 等:水基金屬加工液種類(lèi)及添加劑的選用405遠，所以在中等和重負荷加工操作中通常應加入潤還有許多乳化劑和潤滑劑在靜止體系中能充分表滑劑?，F出其功能，但當有大量泡沫存在時(shí)就幾乎失效。所用的邊界潤滑劑可以是動(dòng)物油(如豬油或牛所以應加入消泡劑來(lái)減少泡沫的形成。目前，使用油)或者是植物油(如棕櫚樹(shù)油、油菜籽油和椰子的消泡劑有硅類(lèi)消泡劑和非硅消泡劑,低劑量時(shí)含果油等),還可以是各種磺酸鹽、酯、皂和硫化油。硅消泡劑是最有效的。然而,含硅消泡劑會(huì )在電鍍、這些油的油溶性酯能減少脂肪油的生物降解，如甲上漆、拋光表面處理時(shí)形成“魚(yú)眼",所以有這些基豬油脂和季戊四醇酯等。而吹制油、聚氧化植物后續工序的車(chē)間中不能使用含硅消泡劑。和動(dòng)物油，則能加強添加劑和金屬之間的吸附力,2.1.6乳化油的配方(見(jiàn)表2)增加潤滑性。表2乳化油的典型配方所用的極壓添加劑- -般含有S、Cl、 P等元素,Table 2A typical formulation of soluble oil在高溫下，與表面金屬反應，形成反應物薄膜，在功能組分質(zhì)量分數%金屬與刀具間的界面上起到類(lèi)似于固體潤滑劑的由100/100環(huán)烷基油68乳化劑磺酸鹽乳化劑17作用。氯化物添加劑可以是氯化石蠟或酯, Cl含量為極壓潤滑劑氯化石蠟邊界潤滑劑合成酯40% ~ 70%的氯化物添加劑是最有效的。它不會(huì )形防銹劑鏈烷醇酰胺成污斑,但會(huì )因為產(chǎn)生少量HCI而腐蝕工件。通常殺菌劑酚類(lèi)化合物可以加入環(huán)氧植物油來(lái)抑制其對工件的腐蝕。然而2.2半合成液某些氯化物添加劑尤其是碳鏈為C10~ C13的氯化2.2.1乳化劑石蠟對環(huán)境和人體健康有害，應減少使用'。硫化物中的S一般占10%~ 15%，分為活性和乳化劑主要用于將油分散到水中,形成穩定溶惰性的。硫化礦物油中未成鍵的硫是活性的,很容液。大部分乳化劑與用于乳化油的類(lèi)型相同，只是易反應。然而,;這種游離的硫會(huì )在有色金屬特別是需要更高的乳化劑/油的比率。鏈烷醇酰胺是最常用銅和銅合金上形成污斑。硫化脂肪如豬油中的硫有的乳化劑，常與磺酸鹽、皂、酯和乙氧基化合物配很強的化學(xué)鍵，可以減少污斑的形成。最簡(jiǎn)單的硫合使用。一般來(lái)說(shuō)，性能好又易后處理的水基金屬化礦物油配方中含有約1%的硫，如果用于攻絲或加工液通常含有酰胺和磺酸鹽或皂。硬水穩定產(chǎn)品車(chē)螺紋等復雜操作的加工液則需含約5%的硫。這是將非離子型乳化劑與酰胺配合使用間。類(lèi)添加劑的最大缺點(diǎn)是硫化物會(huì )污染金屬，還會(huì )產(chǎn)2.2.2其他添加劑偶合劑:若有需要,還可用脂肪酸和乙二醇醚生惡臭。硫氯化物添加劑是指在-一個(gè)分 子上同時(shí)含有S等偶合劑來(lái)調整水基金屬加工液的透明度和黏度。防銹劑:油溶和水溶性防銹劑均可使用。通常和Cl,適用于加工低碳鋼和Ni-Cr合金。磷酸酯中含P一般為5%~ 15%。磷酸酯由于使用的防銹劑是羧酸胺或硼酸胺。-般來(lái)說(shuō)，胺對其酯結構含有磷，同時(shí)具備邊界潤滑性和低溫極壓防銹非常有利。三乙醇胺等醇胺類(lèi)是pH緩沖劑也潤滑性。但相對于S和Cl來(lái)講,潤滑作用較小。油利于防銹。溶性的磷酸酯可以用胺類(lèi)等堿性物質(zhì)中和后使用。潤滑劑:可以是油溶性或水溶性的。油溶性添中和后的磷酸酯不形成污斑,無(wú)腐蝕,并且有防銹加劑必須能被乳化，水溶性氯化脂肪酸皂或酯不需性能。缺點(diǎn)是由于磷是真菌和霉菌的營(yíng)養源，會(huì )助要被乳化。邊界和極壓潤滑劑能增強半合成液的性長(cháng)微生物，另外也會(huì )對環(huán)境造成不良影響。能，使其可用于苛刻加工操作。殺菌劑:許多產(chǎn)品中也加入殺菌劑/殺真菌劑來(lái)2.1.5 消泡劑持續攪動(dòng)、噴射、循環(huán)等都會(huì )使水基金屬加工控制微生物生長(cháng)。液發(fā)泡。大量的泡沫會(huì )帶來(lái)很多問(wèn)題，如導致水基消泡劑:隨著(zhù)大量乳化劑的加入(一般2份乳金屬加工液溢出造成損失;由于空氣阻隔致使水基化劑卻泡，就需要加入金屬加工液不能起到潤滑作用;由于空氣導熱性消泡中國煤化工很難選擇，因為--旦MYHCN M H G乳液中，則失效差，泡沫還影響加工液冷卻性能。同時(shí),泡沫也妨礙操作工人的視線(xiàn)，影響加工的精確性和可測性。了。如果消泡劑在桶內分離出來(lái)，那只有再完全混406當代化工2011 年4月人到濃縮液中才能起作用。2.3.3合成液的典型配方(見(jiàn)表4)2.2.3半 合成液的典型配方(見(jiàn)表3)表4合成液的典型配方表3半合成液的典型配方Table 4 A typical formulation of synthetic fluidTable 3 A typical formulation of semi-synthetic fuid功能組成質(zhì)量分數,%組分稀釋劑7(乳化劑磺酸鹽5防銹劑羧酸胺pH緩沖劑和抑制劑三乙醇胺鏈烷醇酰胺極壓潤滑劑磷酸酯100/100 環(huán)烷基油邊界潤滑劑PEG酯腐蝕抑制劑硼酸胺硫酸化蓖麻油偶合劑丁基卡必醇醋酸酯殺真菌劑嘧啶硫酮殺菌劑/殺真菌劑三嗪/嘧啶硫闡水55.53水基金屬加工液的發(fā)展趨勢2.3合成液從環(huán)保、安全和成本等方面考慮,水基金屬加合成型水基金屬加工液是不含礦物油的水基工液必然會(huì )取得更快的發(fā)展，得到更廣泛的應用。產(chǎn)品，其微粒直徑-般為0.003 μm,接近真溶液。未來(lái)水基金屬加工液及添加劑將向以下幾個(gè)方面2.3.1腐蝕抑制劑發(fā)展:合成液通常含有醇胺類(lèi)添加劑，它具有一定的(1)長(cháng)效。合理應用殺菌劑、防銹劑，開(kāi)發(fā)防腐蝕性和pH緩沖能力。應用于合成液的腐蝕抑長(cháng)壽命型水基金屬加工液，減少廢液排放，節約能制劑還包括硼酸胺(通常稱(chēng)為硼酸酯)和羧酸胺衍源，降低成本。生物等。這些低泡添加劑替代了胺和亞硝酸鹽。由(2)高效。同時(shí)隨著(zhù)機械加工工業(yè)的不斷發(fā)于次級胺與亞硝酸鹽反應生成的亞硝胺具有很強展，勢必對金屬加工液的性能提出更高的要求，要的致癌性，已經(jīng)被禁止使用。在高速、高效的條件下同時(shí)滿(mǎn)足苛刻的加I要求和有色金屬腐蝕抑制劑包括苯并三氮唑、甲基三對工件、刀具、機床的保護;不但要確保對不同金唑和巰基苯并噻唑等。不含胺的無(wú)機抑制劑有鉬酸屬的適應性，還能滿(mǎn)足不同工藝條件。鈉。脂肪酸胺和鏈烷醇酰胺也具有極好的防銹性，(3)環(huán)境友好。隨著(zhù)環(huán)保相關(guān)法律法規日益而且是良好的潤滑劑。完善，對環(huán)境保護的要求越來(lái)越高，水基金屬加工2.3.2潤滑劑和其他添加劑液及所用添加劑也應符合使用安全，對環(huán)境無(wú)污合成液潤滑劑還包括聚亞烷基二醇和酯類(lèi)。這染，對生物無(wú)毒害等要求。兩類(lèi)物質(zhì)都是低泡潤滑劑，并具有良好的硬水穩定參考文獻:性。但是由于它們在水中不分解成離子，所以廢液[I] Byers 」P. Metalworking Fluids (Second Edition) [M]. New York;難以處理。Tayor&Francis, 2006:128-129.用于合成液的邊界和極壓潤滑劑必須是水溶[2] 關(guān)子杰金屬加工液基礎與應用[M].北京:中國石化出版社. 2006:性的。邊界潤滑劑包括皂、酰胺、酯、乙二醇和硫，4-10.[3] 張自衛金屬切削液(一) [I磨床與磨削，1994(3); 28-36.酸化植物油等。極壓潤滑劑包括氯、硫化脂肪酸皂[4] Marcin Cyprowski, Malgorzata Piotrowska,和酯以及中性磷酸酯。Microbial and endotoxin contamination of water- soluble metalworking由于合成液中不含油，且pH值較高，其中幾fluide. Intemnational Joumnal of Oecupational Medieine andEnvironmental Health [U] 2007, 20(4): 365 - 371.乎不存在細菌。但是要添加殺真菌劑來(lái)抑制合成液[5] 羅新民.金屬加工用油產(chǎn)品與應用{Ml北京:中國石化出版社，中常見(jiàn)的酵母菌和霉菌。206:33-34.還有消泡劑、潤濕劑和染料等作為輔助添加劑[6] Zinmeman Julie B, Clarens Andres F, Hayes Kim F. e al. Design od也常出現在很多合成液中。潤濕劑可以減小水基金Hard Water Stable Emulsifer Systems for Petroleum- and Bio- -hased屬加工液的表面張力，促進(jìn)其在金屬表面的鋪展,中國煤化Iinmne Sieee &有利于潤滑。TYHCNMHG