水基金属切削液的研究进展

金属加工液( Metal Working Fluid) 是指用于金属及其合金在切削、研磨、冲压、轧制和拉拔等各种加工过程中所使用的润滑剂。金属加工液按使用特性可分为金属切削液和金属成型液(含拉拔、轧制、锻压等)两大类。每一品种再按介质状况分为油基型和水基型。油基型切削液主要由矿物油和油性剂、少量油溶性防锈剂、极压剂等组成,其特点是润滑性能和防锈性能较好，但易产生油雾，易着火。近年来，随着“低能耗，低成本，低公害”要求的日渐严格，金属切削液正迅速从油基向水基液过渡。水基金属切削液于20世纪40年代问世,由于其具有油基液难以比拟的冷却特性及低廉的成本而得到了迅速发展。到目前为止，水基液在金属切削领域的应用已经远超过了油基液,并且有了长足的发展。

水基金属切削液在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。微乳化液已得到了前所未有的发展和应用。在我国,目前仍以乳化液为主,机械行业在20世纪80年代出现了研制生产和应用合成液的热潮,从20世纪90年代才比较普遍地注重微乳化液的研制和应用。因起步较晚,微乳化液性能没有国外的优异,从国外引进先进机械装备的同时还必须随机引进其昂贵的微乳化液。因而大力研究开发并应用微乳化液是我国机械加工业发展的必然趋势。

1　水基金属切削液的发展现状

1.1　水基金属切削液的分类

水基金属切削液是将原液用水稀释后再使用的切削液，水在稀释液中通常占90%以上，因此成本较低，并且具有良好的冷却性能和清洗性能。水基金属切削液按照工作液性状分为三大类型:乳化液、微乳化液和合成液。其中乳化液润滑性、冷却性较好，而且腐蚀性也比合成型水溶液小，常用于粗、中精度的切削或研磨加工。其价格经济，但属热力学不稳定性体系，寿命短，维护难。合成液具有较好的冷却性、防锈性和清洗性，使用周期长。但润滑性、润湿性差，水分蒸发后在金属表面存在残留物，因此主要用于冷却要求高的场合，只适用于一般的粗磨或半精磨加工。微乳化液兼有乳化液和合成液两者的优点，润滑、冷却、清洗、防锈性能等均较好，应用很广。且其是各相同性的热力学稳定体系，使用寿命比乳化液要长4倍~6倍。

1.2　水基金属切削液的组分选择及作用

1.2.1　基础油及油性剂

水基切削液中使用的基础油及油性剂包括精制矿物油、动植物油、合成油、合成酯等。其中，精

制矿物油历史悠久、工艺成熟、价格低廉，但其生物降解能力仅能达到40%，因此对环境存在一定程度的污染，其中石蜡基与环烷基矿物油应用较好；动植物油具有较低的摩擦因数，但稳定性、低温流动性差；合成油具备某些矿物油所没有的优异性能，但价格较高,市场应用较少；合成酯抗氧化能力强，且倾点低于-25 ℃，在28天内即可降解超过60%。近年来，随着对切削液使用性能和环境卫生要求的不断提高，合成酯在切削液中的使用越来越广泛。在金属切削液中常应用单酯、双酯、多元醇酯等作为油性剂。其中应用较多的是硬酯酸甲酯、硬酯酸丁酯棕榈酸甲酯棕榈酸异辛酯、米糠油酸甲酯、新戊二醇二油酸酯、三羟甲基丙烷油酸酯、二聚亚油酸乙二醇酯、聚烷氧基二醇酯、季戊四醇四油酸酯。季戍四醇四硬脂酸酯和新戊基多元醇酯等，这些合成型酯类可有效减少摩擦和功率消耗。

1.2.2　表面活性剂

表面活性剂在水基切削液中应用十分广泛，它是水基金属切削液的主要成分之一，其作用主要为乳化、防锈、润湿和润滑等。表面活性剂的用量和种类将直接影响水基切削液的性能。表面活性剂在水基金属切削液中最主要的用途就是作乳化剂。用作乳化剂的表面活性剂通常为阴离子型和非离子型表面活性剂，如聚乙二醇二油酸酯、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯山梨醇酯、油酸三乙醇胺。石油磺酸盐烷基苯磺酸盐等。而且阴离子型和非离子型表面活性剂复配使用，效果更好。多种乳化剂复配，可以发挥它们的协同效应，从而提高乳化效率，有助于减少乳化剂的用量;而且具有不同HLB值的非离子表面活性剂复配时,其增溶能力超过其中任何一个。

此外，表面活性剂还可赋予水基金属切削液一定的清洗功能。在金属切削过程中，工件表面常粘有金属粉末、砂粒油等污垢。为除去这些污垢，可在切削液中加人非离子表面活性剂如平平加、OP-7、OP - 10等；阴离子表面活性剂如脂肪酸皂、烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。切削液的清洗作用是润滑、渗透、分散等综合作用的结果。若采用非离子性表面活性剂和阴离子表面活性剂复配能起到显著降低切削液表面张力的作用，从而满足切削液的清洗作用。

再次，某些表面活性剂还具有一定的防锈作用。切削液中使用的防锈剂许多都是表面活性剂，如油溶性防锈剂有石油磺酸盐、金属皂等，但其耐硬水的能力差。王旭珍等以油酸、顺丁烯二酸酐、二乙醇胺为原料，合成了油酸酰胺基非离子表面活性剂OMA。发现OMA水溶性极好，耐水解能力强，在水中对钢和铸铁有优良的防锈性能，对铜也有一定的防锈效果。

1.2.3防锈添加剂

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。其应用已较成熟，但有毒或者价格高，兼容性差，后处理难，正逐渐被其他系列替代；油溶性防锈剂主要有磺酸盐、羧酸及其金属皂盐类、酯醇类、胺类、磷酸酯等，如石油磺酸钡、环烷酸钡、环烷酸锌、油酸山梨糖醇单酯(斯盘-80)、油酸季戊四醇单酯、十七烯基咪唑啉、十二烯基丁二酸、油酰肌氨酸等。它们均为极性很强的化合物，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，但它会与极压剂在金属表面发生吸附竞争，引起切削液的极压性下降。

CN1548505A专利中将硼酸、对叔丁基苯甲酸、对硝基苯甲酸、三嗪类多羧酸化合物、异壬酰基氨基酸衍生物中的一种或几种与链烷醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、吗琳、N-甲基吗啉中一种或几种的混合物作为防锈剂；CN1234827C专利中采用脂肪族二羧酸、脂肪族二羧酸的碱金属盐及该脂肪族二羧酸的输盐作为防锈剂，即辛二酸、壬二酸、癸二酸、十一碳二酸、十二碳二酸、十三碳二酸、十四碳二酸等的钠盐、二乙醇胺盐等；廖德仲以硼酸酯、取代苯甲酸乙醇胺盐、葡萄糖酸钠三者为混合防锈剂应用于切削液中,所得切削液有较好的防锈性能。王文波等选用顺丁烯二酸酐、壬基酚聚氧乙烯醚、二乙醇胺为原料合成了具有防锈、润滑双重性能的琥珀酸壬基酚聚氧乙烯醚酯二乙醇酰胺。蒋海珍研究发现含有辛酰基的N-酰基氨基酸醇胺盐都具有很好的防锈性能,其中,N-辛酰谷氨酸和N-辛酰天门冬氨酸三乙醇胺的防锈性能最好。