姚瀟 李謹

中國石化潤滑油有限公司上海研究院

水基切削液包括乳化液、微乳液和全合成液等產品。微乳液既有乳化液的潤滑性、防銹性,又有全合成液的清洗性、滲透性、冷卻性,逐步發(fā)展為乳化液和全合成液的換代產品。

長城M2051A微乳切削液是用于黑色金屬加工的傳統(tǒng)經(jīng)濟型產品,至今已有20多年的歷史。該產品具有潤滑優(yōu)良、防銹性良好、經(jīng)濟性佳、應用范圍廣的特點,其銷量在長城微乳切削液產品中常年居于前列。10年前M2051A切削液開展過配方優(yōu)化,重點提高產品的性價比。出于成本控制考慮,該配方采用自主復合添加劑,生產工藝復雜;此外,產品儲存穩(wěn)定性還有較大的改進空間。通過對產品配方再次優(yōu)化改進,提高產品穩(wěn)定性,實現(xiàn)產品升級換代,同時優(yōu)化工藝流程,提高生產效率,對進一步擴大M2051A切削液的應用市場有積極作用。

改進目標和思路

在控制原料成本,保證產品防銹性、潤滑性的前提下,對乳化劑、防銹劑進行優(yōu)化。采用有效含量高、加劑量少的新品種替代原用乳化劑;并適應環(huán)保趨勢,選用無硼防銹劑;改善產品性能,為客戶提供更佳的用液體驗。

配方改進研究

乳化劑優(yōu)化

乳化劑的選擇和使用直接關系到水基切削液的穩(wěn)定性和使用壽命。

M2051A切削液原配方中的乳化劑包括烷基磺酸鹽、復合乳化劑等。烷基磺酸鹽是切削液中的常規(guī)主乳化劑,其乳化性能好,成本低,用途廣泛。原用烷基磺酸鹽有效成分含量偏低(約40%),在配方中的加劑量較大。自主復合乳化劑中的油酸雖具有良好的潤滑性,是水基切削液中常用的油性劑,但由于油酸多以動植物油脂為原料,常有不良氣味,生物穩(wěn)定性差,容易使產品生菌發(fā)臭。

改進后的產品配方選用有效成分含量高的進口烷基磺酸鹽,舍棄復合乳化劑,并引入松香酸,保證乳化劑的乳化能力并增強潤滑效果2種磺酸鹽的性能對比試驗結果見表1。

由表1可以看出,在其他添加劑不變的情況下,進口烷基磺酸鹽的加劑量在B%時即可獲得較好的乳化效果,而原用烷基磺酸鹽的加劑量高達a%(A1≥3B2)。相比之下,進口烷基磺酸鹽的性能更好,性價比更高。

與常用的油酸相比,新引入的松香酸生物穩(wěn)定性好,不良氣味小,且乳化速度快,潤滑性優(yōu)越,可以有效減少產品的不良氣味,提高乳化性、潤滑性和穩(wěn)定性,有利于延長產品的儲存時間。

防銹劑優(yōu)化

防銹性是評價金屬切削液性能好壞的一項重要指標。防銹劑是一種極性很強的化合物,可以通過物理或化學吸附作用在金屬表面形成保護膜,起到防銹作用。

M2051A原配方中的復合防銹劑主要化學成分是硼酸鹽,它是一種高效多功能的潤滑油添加劑,具有優(yōu)異的極壓抗磨性、良好的防銹防腐蝕性。但隨著人們健康、環(huán)保意識的增強,過量硼對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、動植物生殖免疫功能的危害受到了越來越多的關注,這直接影響了硼在金屬加工液中的應用［1～3］。

為適應環(huán)保要求,并滿足市場對無硼切削液的需要,改進配方選用合成羧酸銨鹽型防銹劑。引入醇胺與有機酸復配生成有機羧酸醇胺鹽,同時,加熱條件下二者反應可得烷基醇酰胺。有機羧酸醇胺鹽和烷基醇酰胺分子中的氮原子和氧原子都有孤對電子,可與鐵等有d空軌道的金屬表面作用生成絡合物膜,阻止氧、水等分子與金屬表面接觸［4］。與原用復合防銹劑相比,羧酸銨鹽對黑色金屬的防銹性更好。此外,引入的醇胺除參與反應外,還可以提高產品的pH值,使產品防銹、抑菌效果更好。

采用鐵屑濾紙法分別對原用硼酸鹽、自主復配羧酸銨鹽以及市售幾種不同羧酸銨鹽型防銹劑進行考察,具體結果見表2。與市場同類防銹劑相比,自主復配羧酸銨鹽與市售同類型防銹劑性能相當,性價比更高。

表1 磺酸鹽性能對比

表2 不同水溶性防銹單劑的性能考察

配方整體調整

確定乳化劑組合及防銹劑類型后,對配方整體進行微調,最大程度控制成本并提高性能。M2051A改進配方1～3的組成和性能檢測結果見表3。

由表3可見,將乳化劑和防銹劑體系進行組合復配,并調整添加劑的加劑量,可以得到儲存穩(wěn)定性、防銹性能良好的M2051A產品。綜合考慮產品性能及成本,確定改進配方3為M2051A新配方。

配方改進前后產品性能對比

配方改進前后的M2051A切削液性能全分析結果見表4。

由表4可見,與原配方相比:

◇新配方產品的儲存時間由原來的3-6個月,延長為至少1年以上,無分層或發(fā)臭、變質等現(xiàn)象,儲存穩(wěn)定性顯著提高;

◇新配方產品磨斑直徑有所減小,說明潤滑性稍有提高;

◇新配方產品3%稀釋液的鐵屑濾紙防銹實驗結果為0級,而原配方為1級,表明其防銹性也有一定提高;

◇新配方產品稀釋液的pH值更高,抑菌效果更好,對延長儲存時間也有一定的幫助。

雖然新配方中的進口磺酸鹽價格更高,但由于降低了乳化劑及基礎油的加劑量,所以總體上產品的原料成本變化不大。M2051A切削液新配方較好地保持了產品的經(jīng)濟性,與市場同類型國外品牌相比,仍有一定的價格優(yōu)勢。

表3 調整配方對比評價

表4 M2051A切削液原配方與新配方產品試驗數(shù)據(jù)

生產工藝改進

原生產工藝需預先生產2個復合劑,經(jīng)檢驗合格,再進行產品的調合生產。 工藝復雜,工作量大;產品質量影響因素多,不易控制。通過配方優(yōu)化,舍棄復合劑,簡化了工藝流程,提高了生產效率,節(jié)約了生產能耗。并且,新的生產工藝調整了消泡劑的加劑順序,將消泡劑分兩次加入,有效緩解了生產過程中的起泡問題,使生產過程更符合實際工況,便于工人操作。新生產工藝流程見圖1。

圖1 新生產工藝流程示意

產品應用效果

在當今切削液品種不斷增多、市場競爭日趨激烈的環(huán)境下,不斷優(yōu)化的M2051A切削液憑借優(yōu)異的產品性能和極高的性價比,銷量在長城微乳液產品中常年穩(wěn)居首位,在江蘇、上海、山東、陜西等地擁有多家客戶,且應用反饋良好。

M2051A切削液在上海某工具廠外圓磨及無心磨工藝中長期穩(wěn)定使用,產品表現(xiàn)出良好的冷卻、潤滑及防銹性能,保證了被加工件外圓精度和表面光潔度,可滿足其外圓磨及無心磨的工藝要求。通過多次技術交流與服務,M2051A切削液最終成功寫入上海某工具廠外圓磨床及無心磨床用液工藝指導規(guī)范。

因環(huán)保要求,浙江某磁鋼有限公司需替換掉原用于永磁壓模工藝的皂化油。M2051A切削液配方中不含硼,對環(huán)境更為友好。經(jīng)現(xiàn)場壓模試驗,M2051A切削液加工性能與在用皂化液相當,壓模成型的電機永磁體外觀平整,無裂痕。值得一提的是,該公司使用長城M2051A切削液后,其環(huán)保意識以及環(huán)保舉措受到了當?shù)卣母叨荣澷p,成為當?shù)丨h(huán)保標桿企業(yè)。

寶雞某石油機械有限公司使用M2051A切削液。據(jù)該公司的應用反饋,加工工件的表面精度、光潔度高,機床及刀具無銹蝕,較好地滿足了生產工藝需求。M2051A切削液優(yōu)異的潤滑性、防銹性和穩(wěn)定性得到了客戶的極大認可。

結論

☆選用有效含量高、性能穩(wěn)定、加劑量少的進口磺酸鹽替代原用磺酸鹽;不再使用含硼復合劑,直接合成羧酸銨鹽作為防銹劑;產品防銹性、潤滑性、環(huán)保性均有所改善,儲存穩(wěn)定性大幅提高,儲存時間由3～6個月延長至1年以上。

☆通過配方優(yōu)化及加料順序調整,簡化了生產工藝、提高了生產效率,便于工人生產操作。

☆實際應用表明,改進后的M2051A切削液潤滑防銹性能優(yōu)異、儲存穩(wěn)定性好,可適用于黑色金屬等材料的切削、車削、磨削、壓模成型等多種加工工藝; 且采用無硼配方,對環(huán)境友好;經(jīng)濟性佳,可以替代進口同類產品,為客戶節(jié)約大量生產成本,產品市場進一步擴大。