多功能型全合成金属切削液的制备与性能研究

江 存，张侠婷，何彦波

(德旭新材料(广州)股份有限公司，广东 广州 510520)

水基金属切削液是一种用在金属切、削、磨过程中，用来冷却、润滑刀具和加工件的工业用液体，主要起润滑、冷却、防锈和清洗等作用。水基金属切削液分为全合成切削液、半合成切削液和乳化液三个类型[1]。乳化液和半合成切削液的主要组份为水、矿物油和乳化剂，其特点是润滑性较好，但清洗性差、稳定性低、加工易产生油雾、使用周期短、易发霉发臭，其使用有逐渐减少的趋势。全合成切削液由水溶性添加剂和水构成，其特点是完全不含油，在性能上具有良好的润滑性、冷却性、清洗性、稳定性，使用周期长，它是国内外水基切削液发展的主流[2]。

我国当前市场上的全合成切削液大多性能较单一，可满足一般的金属切削加工，但针对铣、削等特殊的加工方式，为了保证加工的顺利高效进行，减少损耗，切削液除具备一定的防锈性外，还需具备优秀的润滑性和清洗性。为满足机械加工业的快速发展要求，我们需提高切削液性能。基于此，我们通过筛选防锈剂、缓蚀剂、润滑剂、杀菌剂、消泡剂等，得到了一种环保型多功能全合成金属切削液。该全合成切削液具有优秀的防锈性、缓蚀性和润滑性，可应用于黑色金属和铜、铝等有色金属材料在不同加工形式下的成型加工。

1 实 验

1.1 实验原料

三乙醇胺硼酸酯、防锈剂DX309、多功能缓蚀剂DX5810、润滑剂DX529、油酸二乙醇酰胺、表面活性剂，德旭新材料(广州)股份有限公司；消泡剂，毕克化学；三乙醇胺，美国陶氏化学；苯骈三氮唑、三元酸、二元酸、杀菌剂、软水剂，市售；去离子水，自制。

1.2 仪器设备

TTTsystem G8攻丝扭矩机，德国Microtap；DHG-9030A电热恒温鼓风干燥箱，上海索普仪器有限公司。

1.3 性能测试与表征

1.3.1 防锈性能测试

取滤纸放入培养皿内，称取GG25铸铁屑(2±0.1)g，散布于滤纸上，用滴管移取待测液3 mL，使所有的铸铁屑润湿，盖上培养皿，18～28 ℃自然放置2 h，用自来水冲掉滤纸上的铸铁屑，室温(18～28 ℃)自然干燥。实验结果根据滤纸上锈斑的多少按0～4级评定。0级为最优等级，表示铸铁屑无锈蚀。

1.3.2 缓蚀性能测试

参照GB/T6144-2010合成切削液。腐蚀性实验中，紫铜(符合GB/T 5213)、LY12铝(符合GB/T 3190)试片尺寸均为25 mm×50 mm×2 mm，将打磨平整并用酒精清洗干净的试片放入到工作液中，然后置于55 ℃的烘箱中，8 h后观察试片的腐蚀情况。A级为最优等级，代表试片光亮如新，无腐蚀。

1.3.3 润滑性能测试

使用microtap攻丝扭矩机测试攻丝扭矩值，平均攻丝扭矩值越低，代表润滑性越好。

1.4 多功能型全合成金属切削液的制备

根据添加剂的防锈性能、缓蚀性能和润滑性能等优选出添加剂进行复配，采用正交实验法优化全合成切削液配方。常温下，将各组分混合搅拌均匀即可得到一款多功能型全合成金属切削液的浓缩液，使用时按一定比例稀释。

表1 多功能全合成金属切削液浓缩液配方Table 1 Multifunctional fully synthetic metal cutting fluid concentrate formula

2 结果与讨论

2.1 防腐蚀剂的选择

金属工件极易受到周围环境中的水分、酸性或碱性物质、颗粒杂质、氧气等介质的影响，使工件产生腐蚀，影响工件最终的质量和性能。全合成切削液以水为基体，含水量大，更易使机床、刀具及加工件等产生腐蚀[3]。在切削液中加入黑色金属防锈剂和有色金属缓蚀剂，使切削液在加工过程中，可在金属表面形成致密的保护膜，隔绝腐蚀介质与加工工件表面的直接接触，防止金属腐蚀，并且对刀具的保护和机床的保养也都起到了积极的作用。防腐蚀剂性能的优劣、配比及添加量的高低对体系性能有重要的影响。添加量过低，则会导致体系防腐蚀性能不足；添加量过高则会引起体系润滑的不足和化学原料的浪费。大量的数据和实验研究表明[4-5]，硼酸酯类、三元酸类和酰胺类在金属防腐蚀领域中具有较好的效果和广泛的应用。我们初步筛选出七种常用的水性金属防腐蚀添加剂进行防锈、缓蚀和润滑性能测试，测试结果如表2所示。综合成本、性能等因素，我们后续试验选用三乙醇胺硼酸酯、DX309、DX5810、苯骈三氮唑作为全合成切削液体系的金属防腐蚀剂。通过正交实验确定全合成切削液体系金属防腐蚀剂的组成为三乙醇胺硼酸酯10%、DX309 6%、DX5810 5%、苯并三氮唑0.5%。

表2 金属防腐蚀剂的防锈性、缓蚀性和润滑性Table 2 Rust prevention，corrosion inhibition and lubricity of metal corrosion inhibitors

2.2 润滑剂的选择

金属机加工过程中，刀具与金属表面切削时产生的摩擦力是影响加工质量的一大因素。切削液中添加不同类型极压润滑剂可达到不同的润滑极压性能。传统的酯类极压润滑剂一般含有硫、磷、氯等对环境有害的活性元素，不符合环保的要求。动植物油类的润滑性能良好，但氧化安定性以及低温流动性能较差，使用后易在机床表面留下不易清洗的斑迹。合成脂肪酸酯类具有优异的润滑性能，且氧化安定性能好[6]。我们选用德旭新材料(广州)股份有限公司生产的无泡润滑剂DX529作为主润滑剂。将DX529添加到金属防腐蚀剂组合物中，测试了不同添加量情况下的平均攻丝扭矩值，如表3所示，平均攻丝扭矩值随DX529添加量的增加而降低。当DX529添加量为5%时，平均攻丝扭矩值较低，继续添加DX529，平均攻丝扭矩值无明显降低，故优选润滑剂DX529的添加量为5%。此外，测试发现，DX529的加入对防锈性和缓蚀性也有一定的提升，可在更低浓度条件下实现防锈0级和缓蚀A级。

表3 平均攻丝扭矩值Table 3 Average tapping torque value

2.3 其它添加剂的选择

细菌的滋生和繁殖会导致切削液性能和使用寿命的下降，需添加杀菌剂和抗菌剂，我们选用MBM和BIT复合剂。在加工过程中产生的金属切屑、磨屑需及时地排出冲洗掉，防止其停留在切削区或者粘附在刀具上，影响加工。切削液的清洗作用可以有效消除这些杂屑在加工过程中产生的负面影响。配方中加入表面活性剂作为清洗助剂，其中表面活性剂还具有增容、调整切削液外观和促进防锈剂、缓蚀剂在金属表面的吸附以提高防腐蚀作用。同时加入三乙醇胺，起到增溶、pH调整、耦合、防锈等多重作用。全合成切削液中使用的辅助添加剂还有耦合剂、消泡剂、乳化剂等，如何应用，应根据实际情况而定。

2.4 全合成金属切削液性能

根据上述实验对功能性添加剂的筛选结果，我们制备出了金属加工用全合成切削液。其主要性能测试结果如表4所示。

表4 全合成金属切削液的性能测试结果Table 4 Performance test results of fully synthetic metal cutting fluids

3 结 论

本文使用环保型原材料，通过正交实验，研发出一种具有良好防锈、缓蚀和润滑性的多功能全合成金属切削液，可适用于铝材、铜材、黑色金属的加工。此款切削液性能优、通用性强，绿色环保、不易腐败、废液易处理，该产品经客户现场使用，针对不同类型的加工均具有良好的效果，完全满足实际成产使用要求。