一種環境友好型鈦合金微乳化切削液的研制

鄧富康，李康春，黃福川

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一種環境友好型鈦合金微乳化切削液的研制

鄧富康1,2，李康春1,2，黃福川1,2

（1. 廣西大學化學化工學院，廣西 南寧 530004； 2. 廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧 530004）

通過對鈦合金切削加工工況進行分析，提出了鈦合金加工對金屬切削液的要求及對環境友好型鈦合金微乳化切削液的研制。介紹了基礎油、抗磨劑、抗氧劑、防銹劑、油性劑、表面活性劑、消泡劑、殺菌劑、pH調節劑等添加劑選用。實驗表明，研制的微乳化切削液環保及綜合性能優良，具有優異的存儲穩定性、潤滑性、極壓性、清洗性、防銹性以及冷卻性，滿足鈦合金加工特性要求。

鈦合金；微乳化液；切削

鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、韌性好、熱膨脹系數低、無磁性、耐腐蝕性能好等許多優異特性，是優異的結構和功能材料，廣泛應用于航空航天工業領域，21世紀以來鈦加工材產量不斷增長，2013年鈦加工材達45 453 t[1]。鈦合金機械加工包括車削、鉆削、刨削、拉削、銑削、攻絲、磨削等，屬于典型的難加工材料。主要表現為：鈦合金導熱系數小，導致切削加工區域溫度高、溫升快，要求加工線速度不超過200 m/min；彈性模量低，加工過程中容易變形回彈，使得加工面與加工刀具摩擦系數增大；加工硬化傾向較高，進一步導致了加工過程中摩擦力增大，溫度升高；化學活性高，長時間高溫切削加工，會導致其與與氧、氫、氮發生化學反應，形成脆硬的反應膜，增大了加工的難度。因此潤滑和冷卻成為提高鈦合金加工效率，減少加工成本的關鍵因素。

國內外眾多學者針對鈦合金加工過程產生的問題展開了許多相關研究，其切削工藝主要分為干切削技術和切削液技術。干切削技術尚未成熟，應用范圍有限。切削液技術起步早，應用范圍廣，國內幾個鈦合金加工廠大多采用切削液來解決加工過程中的潤滑冷卻問題；同時，還要求其起到防銹性和清洗的作用。鈦合金切削液分為油基切削液、水基切削液，水基切削液又可分為乳化切削液和合成切削液。油基切削液潤滑性好，但冷卻性能較差；合成切削液冷卻性能好，但潤滑性能較差；乳化切削液則兼具了潤滑性和冷卻性。油基切削液由于冷卻性能差，生物降解性差以及切削過程中，產生煙霧，危害操作人員健康等缺點，逐漸被水基切削液取代。研制鈦合金切削液是一種環境友好型的微乳化切削液，使其具有油基切削液的潤滑性，又兼具合成切削液的滲透性、冷卻性、清洗性以及穩定性，實現了加工性能、經濟性能以及環境性能的平衡兼顧的預期。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

主要材料有鈦合金TC4、PAO4、季戊四醇酯、己二酸酯、硫化脂肪酸酯、T502A、T531、油酸、三乙醇胺硼酸酯、T746、T706、T705、脂肪醇聚氧乙烯醚、石油磺酸鈉、丙烯酸酯與醚的共聚物、Starcide BK、Staradd CBA、去離子水等。

1.2 實驗方法

微乳化切削液采用油、水相互溶的方法制備，分別制備油相和水相，油相的制備是將定量基礎油加入溶解鍋中，使用電磁加熱攪拌器加熱至一定溫度，分別加入定量抗氧劑、抗磨劑、防銹劑、潤滑劑、消泡劑以及非離子表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚，直至均勻溶解。水相的制備是將定量去離子水加入溶解鍋中，再分別加入殺菌劑、pH值調節劑以及陰離子表面活性劑石油磺酸鈉，攪拌加熱到一定溫度，并保持一定溫度滅菌。再將水相逐漸加入油相中，保持一定溫度并按一定轉速攪拌，開始形成水/油型乳化體，隨著水相加入量增多，粘度下降，變型為油/水型乳化體，該方法可獲得穩定微小的乳化顆粒[2]。

1.3 性能檢測

防銹實驗按GB/T 6144 進行，實驗溫度: ( 35±2)℃，實驗時間: 單片24 h，疊片8 h；腐蝕實驗按GB/T 6144進行，實驗溫度: ( 55±2)℃，實驗時間:鑄鐵片24 h,紫銅片4 h，鋁片4 h。乳液安定性按SH/T 0579進行；四球試驗在濟南時代試金試驗機有限公司生產的MR-S10G杠杠四球摩擦試驗機上進行，實驗條件: 室溫， 轉速: ( 1 450±50)r/min；鋼球：上海鋼球廠GCr15，12.7mm軸承鋼球，執行標準: GB/T 3142；攻絲扭矩實驗在德國生產的Micro-Tap G8 攻絲扭矩實驗機上進行，實驗條件: 室溫，鉆頭材料: 氧化涂層高速鋼，實驗材料: 鈦合金TC4，執行標準: Micro-Tap G8 相關實驗方法；實車切削試驗在廣西大學實訓基地機加工中心進行，加工方式：外圓車削，加工刀具：硬質合金鋼，切削用量：切削速度43.9 m/min,進刀量0.2 mm/r。

研制微乳化切削液的其他相關理化性能測定按相應的國家或行業檢測標準進行。

2 鈦合金微乳化切削液的研制

2.1 基礎油選擇

微乳化切削液基礎油的選擇要根據其理化性能，包括黏度、閃點、潤滑性、相溶性、穩定性等?；A油黏度會影響切削液的潤滑性和乳化穩定性。黏度低的基礎油能較快地流入切屑與與刀具前面以及工件與刀具后面的接觸區間隙處，從而能更快潤濕成膜，起到更好的潤滑作用。黏度大的基礎油在摩擦面形成的油膜厚，減摩效果顯著，潤滑性好，但乳化需要較多的表面活性劑。此外，黏度對乳化穩定性有影響。當基礎油黏度大時，液滴分子間運動受阻力大，速度減慢，碰撞強度因之減弱，不易發生聚析，乳化穩定性好。通常乳化切削液基礎油的黏度選擇在15～35 mm2/s 之間。同時采用低黏度基礎油還能保證了大量添加劑加入后，切削液黏度仍滿足要求?；A油作為油溶性添加劑、表面活性劑等的載體，要求對添加劑有較好的溶解性。微乳化切削液為了滿足運輸儲存以及使用安全要求，基礎油的閃點不宜太低?；A油要具有良好的氧化穩定性和水解穩定性。如果基礎油穩定性差，放置一段時間后被氧化，導致酸值增大，破壞了乳化液體系的平衡，使乳化液分層，影響乳化液的使用壽命。乳化液基礎油還會對產品的外觀有影響。

目前國內切削液的基礎油大多采用礦物油。然而礦物油皂化值小、油膜強度低、潤滑性差、生物降解性低，存在嚴重環境污染等缺點。此外，親水性較強的陰離子乳化劑對礦物油有明顯的稠化作用, 甚至成膏狀。研制切削液的基礎油選用聚α-烯烴（PAO4）、季戊四醇酯以及己二酸酯三種合成油復合作為基礎油，按質量比1:1.5:1.5復合，添加范圍為10%~30%。復合基礎油皂化值較礦物油高，具有較高的抗磨減摩效應及較高的油膜承載能力[3]。此外，這三種基礎油40 ℃運動粘度適合，且閃點高，生物降解性好，具有優良的熱安定性、水解穩定性以及氧化穩定性。其中，PAO4各方面性能變現最佳，季戊四醇酯水解穩定性和熱穩定性比己二酸酯好，而己二酸酯的氧化穩定性要比季戊四醇酯好，酯類基礎油的存在改善了PAO4對添加劑的相容性。其典型理化性能如下表1所示。

表1 基礎油的典型理化指標

2.2 復合添加劑復配研究

2.2.1 抗磨劑的選擇

鈦合金切削加工屬于重負荷金屬切削加工。在金屬切削加工過程中, 鈦合金發生彈塑性變形，刀具與合金持續接觸摩擦, 產生大量的切削熱，切削溫度可高達1 000 ℃以上。切削溫度過高，導致刀具與切屑、刀具與工件之間容易粘附、磨損，降低刀具的壽命和切削效率。 因此，降低切削溫度，提高切削效果是切削加工中的急需解決的問題。僅使用不含添加劑的基礎油是很難滿足切削過程中的潤滑和冷卻性能要求。因此，必須添加極壓抗磨添加劑和其他功能添加劑來滿足使用要求。在高溫重負荷條件下，極壓抗磨劑在摩擦金屬表面生產化學反應膜，將接觸界面分隔，減少了刀具與加工材料的摩擦。金屬加工液常用的抗磨劑有硫、磷、氯化合物、有機鉬化合物以及超堿值的磺酸鹽等。這些化合物在高溫下與金屬表面發生化學反應，生成化學吸附保護膜，可耐較高的溫度，故可用于極壓潤滑摩擦狀態。研制切削液選擇硫化脂肪酸酯作為抗磨劑，是一種非腐蝕性硫極壓潤滑劑，具有良好的熱穩定性和油溶性。為了確定硫化脂肪酸酯的最佳加劑量。在實驗中，從0開始，逐級遞增1%（質量分數，下同），分別與基礎油在60～70℃左右攪拌均勻；然后冷卻至40℃以下獲得9個油樣；再分別對九個油樣進行四球機試驗，測定磨斑直徑和最大無卡咬負荷。實驗結果表明，抗磨劑的加入為一定量時磨斑直徑和最大無卡咬負荷無顯著變化，均達到最優值，最終確定抗磨劑的添加范圍為5.0％～15％。

2.2.2 抗氧劑的選擇

鈦合金切削、負荷大、速度較低，切削過程不斷生產新的金屬表面，切削液在受到高溫、氧氣和金屬催化劑的容易產生氧化，產生膠狀物和有機酸，影響乳化液體系穩定。因此，需要加入一定量的抗氧劑來提高乳化液氧化安定性能，抑制油品氧化，延緩氧化速度，并能防止酸性氧化物腐蝕金屬和破壞體系穩定性?？寡鮿┲饕鸬浇K止氧化反應的進一步進行，以及抑制金屬或其離子對氧化的催化作用，以延長產品的使用壽命。選擇抗氧劑時要注意抗氧劑的生物降解性以及基礎油感受性等問題。通常情況下，幾種抗氧劑復合使用比單一使用效果好。研制切削液選用選用T502A和T531作為抗氧劑，T531（N-苯基-α-萘胺）為芳胺型抗氧劑，工作溫度高，抗氧化性好，具有突出的高溫抗氧化性能。T502A為屏蔽酚型抗氧劑，具有優良抗氧化性能，與胺型抗氧劑復合油協同效應。實驗將兩種抗氧劑按不同比例復配，且按不同量添加到基礎油中，通過旋轉氧彈實驗方法測定氧化誘導時間，判斷油品氧化程度，結果發現兩者具有良好的協同效應，均優于單劑使用。最終確定抗氧劑T502A與T531按1:1復配，添加范圍為0.1%~3.0%。

2.2.3 油性劑的選擇

在金屬切削加工過程中，要求切削液具有較好的減少摩擦和磨損的性能。因此要加入一定量的油性劑。由于油性劑含有極性基團，能夠吸附于金屬表面，生產物理和化學保護膜將兩金屬接觸面分開，在金屬表面形成堅固而薄的單分子層，減輕金屬與金屬接觸，降低接觸面摩擦系數提高液體的潤滑性。油性劑起到邊界潤滑的作用，能降低加工過程中的摩擦阻力和工具磨損，獲得更好的加工精度和表面質量，延長工具使用壽命。通常作為油性劑的物質有動植物油脂、脂肪酸、酯類以及高級醇等。經潤滑劑承載能力測定（四球法）實驗發現，使用酯和酸復合作為油性劑，具有良好的抗磨性和潤滑性能。因此，研制切削液采用油酸和三乙醇胺硼酸酯按1:2.5復配作為潤滑劑，添加范圍為0.1%~3.5%。三乙醇胺硼酸酯能彌補油酸油膜強度不足的缺陷，油酸又可以加強三乙醇胺硼酸酯潤滑性，兩者復配具有協同效應，滿足了重負荷切削加工對潤滑、減摩、承載能力的要求。此外，三乙醇胺硼酸酯還具有一定防腐性能。

2.2.4 防銹劑的選擇

研制水基切削液有大量水的存在，金屬表面吸附的潤滑油分子由于吸附不牢不能有效起到防銹作用，會使工件、刀具生銹、設備使用壽命減短，增加額外生產成本。因此，必須加入一定量合適的防銹劑，使工件、刀具在切削加工過程中不會發生銹蝕，保證加工結束后在規定工間放置時期內直接暴露在空氣中也滿足防銹質量要求；同時使得機床得到良好保護。研制切削液選用防銹劑T746十二烯基丁二酸、T706苯并三氮唑和T705堿性二壬基苯磺酸鋇，由于極性基團存在它們能在金屬表面形成薄而牢固的油膜，阻止腐蝕介質與金屬接觸，保護金屬不被銹蝕和腐蝕。實驗按不同復配比和添加量復配進行銅片腐蝕試驗（GB/T5096）和水基切削液防銹性能試驗（GB/T6144）,最終確定T746：T706：T705質量比為1:1:2，添加范圍為5.0%~10%。

2.2.5 表面活性劑的選擇

①綜合考慮到未來幾年北京降水形勢起伏不定，旱中有澇、旱澇急轉已成常態化的趨勢，建議可以先期立項研究系列延長以及下墊面變化帶來的影響，修訂資料，開展評價分析。待綜合考慮未來幾年降水豐枯實際情況后，再著手開展《北京市水文手冊》中關于暴雨和洪水的修訂工作。

鈦合金切削加工過程要求微乳化切削液具有潤滑、冷卻以及清洗作用，而微乳化切削液整體性能受表面活性劑性能影響較大，性能優良的表面活性劑可使得切削液具有低的表面張力，具有良好的潤濕性能，從而潤滑、冷卻以及清洗性能也得到相應提高。優良的表面活性劑還使得微乳化切削液受其他添加劑組分影響小，從而具有優良的穩定性。微乳化切削液分散相粒度在0.1~1 μm，粒度小表面自由能大，采用非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑復配，能起到顯著降低切削液表面自由能，獲得穩定的微乳化液體系，滿足高水基切削液的需要。表面活性劑的親水、親油平衡值（HLB值）是制取乳化體的重要因素，HLB 值在8 ~18 適宜做O/W 型微乳化液。

研制微乳化切削液采用脂肪醇聚氧乙烯醚和石油磺酸鈉作為表面活性劑。脂肪醇聚氧乙烯醚是最主要的非離子表面活性劑，HLB值為13.61[4]。石油磺酸鈉為陰離子表面活性劑，HLB值為16.7[5]。兩種表面活性劑HLB值適合，復配具有協同增效作用，乳化、潤濕、清洗性能優良。通過均勻設計實驗，采用不同比例的脂肪醇聚氧乙烯醚和石油磺酸鈉復配，獲得不同適宜HLB值的復合表面活性劑，再加入復合基礎油和去離子水調配，觀察體系的乳化情況。根據實驗結果，最終確定脂肪醇聚氧乙烯醚和石油磺酸鈉按質量比1:2復配，復合表面活性劑添加范圍為20%~30%，去離子水添加范圍為余量，可獲得較好的乳化性能。

2.2.6 其他添加劑的選擇

氣泡會加速切削液的氧化變質速度，加速消耗添加劑，使切削液導熱能力下降影響散熱，影響潤滑油膜生成，對設備造成磨損。研制切削液選用丙烯酸酯與醚的共聚物作為消泡劑，添加量為30×10-6~50×10-6，抑制泡沫的產生，提高了切削液的使用效果。水基切削液易滋生微生物和細菌，需要選擇殺菌效果好，對皮膚刺激小，對切削液功能性無影響，對金屬不腐蝕的殺菌劑。研制切削液選用Starcide BK作為殺菌劑，添加量為0.05%~0.3%。PH值是水基切削液一項重要指標，PH值對切削液乳化體系穩定性、防銹防腐性以及皮膚刺激性有影響，一般控制在8~10，選用Staradd CBA調節，添加范圍為1.0%~5.0%。

3 研制鈦合金微乳化液的性能

3.1 切削液理化指標

研制切削液配方確定后運用均勻設計法結合灰色層次分析法[6]得出一組較優的添加配方，對其理化指標進行了考察，結果如表2所示。

表2 切削液理化指標

續表

項目性能指標實測值測試方法 鋁片,4 hA級A級 防銹試驗（35±2）℃GB/T6144 單片,24 h合格合格 疊片,8 h合格合格 乳液安定性SH/T0579 皂無無 油無無 消泡性/(mL?10-1min-1)<20GB/T6144 可生物降解率,%≥8086CEC-L-33-A-93 毒性通過通過急性皮膚刺激 抗菌試驗通過通過 對機床油漆適應性允許輕微失光和變色，但不允許起泡、發粘、開裂、脫落等不良影響適應適應

3.2 切削液切削性能評價

為了更好評價研制微乳化切削液實際切削效果，分別進行了攻絲扭矩模擬評定試驗和實機切削試驗，結果表明：

1）在德國Micro-Tap G8 攻絲扭矩試驗機上對研制微乳化切削液液與某進口切削液進行測試，研制切削液3次攻絲扭矩實驗的最大扭矩均小于進口切削液，平均扭矩與進口切削液相當，表明研制具有優良的潤濕和潤滑性能，能夠滿足鈦合金切削加工要求，具有良好的加工性能和加工效率，刀具壽命得到提高。

2）在機加工中心進行實際車削實驗，分別對研制微乳化切削液和某進口切削液進行測試，測定刀具到達磨損限時切除的鈦合金材料的總體積。實驗過程中，兩種切削液均未出現卡盤打滑、工件停轉現象，表面切削液具有優良潤滑性，研制切削液切除金屬總體積比進口切削液多30%以上，具有優良的切削加工性能。

3）在切削實驗過程中，實驗工件均具有良好的加工質量，且工件在規定放置時間內均為出現銹蝕現象，且切削加工使用的實驗機和機床均未出現 脫漆、銹蝕現象。

4 結 論

研制了一種環境友好型鈦合金微乳化切削液，研制切削液采用環境友好型合成油和合成酯復配作為基礎油，并添加抗磨劑、油性劑、抗氧劑、防銹劑、抗泡劑、表面活性劑等復合添加劑調配而成。經理化性能測試、模擬試驗以及實車試驗，表明研制切削液具有較好的潤濕潤滑效果、穩定性高、切削效率高、可用延長刀具使用壽命，對刀具、工件及機床無腐蝕，可以滿足鈦合金材料重負荷切削加工要求。研制切削液油蒸氣少、氣味小、蒸發損耗低，自然降解率高，且對人體和環境無危害，是一種環境友好型軋制油。同時，研制切削液的成本較低，性價比高。

［1］ 中國工程院. 中國鈦合金及海綿鈦發展[M]. 北京：高等教育出版社，2015：12-13.

［2］ 劉鎮昌. 第5講 切削液的配制方法[J]. 機械工程師，2008，05：70-72.

［3］ 孫建林，黃瑛，熊孝經，等. 添加劑皂化值對鋁材軋制油工藝潤滑性能的影響[J]. 中國有色金屬學報，2011，21(6)：1491-1495.

［4］ 秦嬌龍，龐文文，劉如軍，任天瑞. 脂肪醇聚氧乙烯醚的HLB值分析方法研究[J]. 世界農藥，2014，03：46-48+55.

［5］ 張康夫，等. 水基金屬加工液[M]. 北京：化學工業出版社，2008. 54-55.

［6］ 經建芳，唐彩珍，藍明新，唐興中，黃福川. 基于灰色層次分析法的鈦合金切削液配方優選研究[J]. 組合機床與自動化加工技術，2015，08：148-152+156.

Development of an Environment-friendly Titanium Alloy Microemulsion Cutting Fluid

DENG Fu-kang1,2，LI Kang-chun1,2，HUANG Fu-chuan1,2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 530004，China； 2. Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology, Guangxi Nanning 530004，China）

Through analysis of titanium alloy cutting processing conditions, requirements of titanium alloy processing for metal cutting fluid were proposed, and development of environment-friendly titanium alloy microemulsion cutting fluid was put forward. In this paper, selection of additives was introduced, such as the base oil, the antiwear agent, the antioxidant, the anti rust agent, the oily agent, the surface active agent, the antifoaming agent, the antiseptic agent, and the pH regulator and so on. The experimental results show that the microemulsion cutting fluid has good environmental protection and comprehensive properties, excellent storage stability, lubrication, extreme pressure, cleaning , anti rust and cooling, and can meet the requirements of the processing characteristics of titanium alloy.

Itanium alloy; Microemulsion; Cutting

TG 174

A

1671-0460（2016）06-1112-05

2016-04-24

鄧富康（1991-），男，廣西省百色市人，碩士研究生，研究方向：潤滑油及其添加劑的研究與開發。E-mail：dengfukang@foxmail.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：潤滑油及其添加劑的研究與開發。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。