水基金属加工液种类及添加剂的选用

第40卷第4期当代化1Vo01.40, No.42011年4月Contemporary Chemical IndustryApril, 2011水基金属加工液种类及添加剂的选用庄园'，刘戈'，李广宇'(1.沈阳鹿森润滑技术有限责任公司，辽宁沈阳10015; 2沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳110159) .摘要: 介绍了水基 金属加工液的发展演变过程，说明了不同种类的水基金属加工液的分类标准、特点及典型配方，重点介绍了不同应用条件下不同种类的水基金属加工液所使用的添加剂的类型，主要包括润滑剂(含边界、极压润滑剂EP)、防锈剂、腐蚀抑制剂、乳化剂、杀菌剂等。关键词:水基金属加工液;添加剂; 润滑剂; 防锈剂; 乳化剂; 杀菌剂中图分类号: TQ 314.255文献标识码: A文章 编号: 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金属加工液主要应用于金属切削、磨削和成型媲美的冷却性能及低廉的成本而获得了迅速发展,加工中，可以提高加工效率和工件表面质量,同时因此加快了油基液向水基液过渡的步伐。近年来，延长刀具的使用寿命。利用金属加工液可以清洗工微乳液型金属加工液发展很快，可以预料它将是未件.上的金属屑和细末，同时，起到冷却、润滑的作来金属加工液的主要品种。用。另外，在进一步加工或组装前，金属加工液还1水基金 属加工液分类对工件起到一定的室内临时防锈作用。20世纪,金属加工液经历了从单纯的油品向多由于水基金属加工液的种类繁多,涉及面广，样的水基加工液演变的过程。最初开发乳化油是在要求各不相同，致使目前世界上还没有统-的分类1910~ 1920年，目的是为了提高金属加工液的冷却及规格标准。不同的相关组织对其进行了不同的分性能也防止起火。由于其中加入的水会导致工件生类。具有代表性的分类标准有ISO 6743/7- 1986、锈，因此需要加人防锈剂。合成液在20世纪50年ASTM D2881-03和JIS K2241等。其中日本的JIs代首次面市，其冷却性和防锈性优于乳化液，更适K2241标准实用性强，国外许多水基金属加工液制用于磨削加工。20 世纪70年代早期，石油短缺促造商都借鉴此标准。现对JIS K2241中水基金属加进了不含油的合成液的发展，使其有可能在所有加工液的种类和性状作较详细的介绍，见表1。工中取代油基产品。20世纪80年代，合成液和半乳化液是乳化油经水稀释后形成的乳白色或合成液在成熟的市场中稳步发展，并逐渐取代油含半透明液，它具有良好的冷却性和清洗性，并具有量高的产品。21世纪以来,随着对环保要求的提高，-定 的润滑性和防锈性。最大的缺点是工作液稳定废液处理成本增加，更容易后处理的乳化油的市场性差，易腐败变质,使用寿命短。占有率超过了合成液"。.合成液是用自来水按一定比例稀释而成的半总之，由于水基金属加工液具有油基产品难以透明或中国煤化工长，使用安全，YHCNMHG基金项目:辽宁省教育厅基金资助项目， 项目号: 20082185.收稿日期: 2010-12-28作者简介:庄园(1982-), 女，助理工程师，辽宁朝阳人，2005 年毕业于辽宁大学化学科学与工程学院化学专业，现主要从事金属加工液的研发工作。E-mail:zhuangyua@126.com, 电话: 024- -24513690。当代工2011年4月节约油料资源，具有极好的冷却性、清洗性和- -定可能会冲洗破坏掉机床上的润滑膜,导致机床润滑的防锈润滑性。但由于它的清洗性好、渗透力强,部件动作不灵，这是合成液的最大弊端。表1水基金属加工液的种类和性状(JIS K 2241-1997 )Table 1 Types and characteristics of water-based metalworking fuids (JIS K 2241-1997)乳化稳定性/mld室温，24h)种类表勇水硬水挥阳值贪臨(24+2)，1489外观AmN●m')油层L层油层乳层分%C/mL18S- 105.钢不色乳白色潮2号痕量≤25≤25≤ 25≥90到卷明3号80~ 105≤:1号85- l05钢不绝24<40≥301-15透明至半透80-105片锕不色备注:不挥发成分，氯含量和硫含量是原液性能指标，除此之外是在室温20~30 C条件下，W类按10倍稀释, W:类按30倍稀释的水溶液性能指标。微乳化液(半合成液)是用自来水按比例稀释之一。随着石油产品价格的不断攀升，使配方设计而成的半透明或透明液。具有以下特点:师们转而采用合成磺酸盐。合成磺酸盐是直链或带①外观像合成液，为透明或半透明，利于观支链的烷基苯(烷基化物)。聚异丁烯琥珀酸酐衍察加工操作情况和工件表面状态;生物( PIBSA )也可作为石油磺酸钠的替代物使用。②使用寿命比普通乳化液长4~6倍;2.1.2腐 蚀抑制剂③使用效果类似乳化液，溶液干后能形成一-由于大多数水基金属加工液在使用时用水稀层膜,对机床滑动部件起着良好的润滑、防锈作用。释,容易导致机床和工件生锈,防锈也就成为关键。因此微乳化金属加工液能综合乳化液和合成根据乳化剂不同，水基金属加工液中通常添加磺酸液的优点，又能弥补这两种金属加工液的不足，所钙、链烷醇酰胺、氧化石蜡等防锈剂。而含硼的水以性能优异，通用性强"。溶性抑制剂则同时具有防锈性和生物稳定性。各种腐蚀抑制的作用机理不尽相同，有的是形成膜(羧2水基金属加工液的添加剂酸胺),有的是气相抑制剂(单乙醇胺硼酸酯),还.配制水基金属加工液使用的添加剂多数是阴有的是与表面金属形成基质来提供保护(吡咯)。离子或非离子型有机物,大部分是液体,便于混合。在考虑防腐问题时,还要同时兼顾到黑色金属(钢.基本种类包括脂肪酸、链烷醇酰胺、酯、磺酸盐、铁)和有色金属(铝、铜等)合金。皂、乙氧基表面活性剂、氯化石蜡、硫化脂肪和油、2.1.3 微生物抑制剂乙二醇酯、醇胺、聚乙二醇、磺化油、油酯和各种水基金属加工液中需要一种或多种微生物抑杀菌剂等。制剂(杀菌剂)以控制微生物的生长，使体系内的水基金属加工液的很多性质是相互制约的。比细菌和霉菌的数量维持在尽可能低的水平,避免产如，若有极好的生物性和硬水稳定性，则其废液可生恶臭，影响工作环境和操作人员健康"。此外，能很难处理;若有极好的润滑性,则可能不易于清也需要池边添加杀菌剂控制微生物生长。常用的甲洗。总体来说,水基金属加工液应该是稳定、低泡、醛释放型杀菌剂是用于抑制细菌,吡啶硫醇钠是用易于后处理的。可以通过实验来确定其中添加剂最于抑制霉菌。如果酚的排放不会引起废液处理争端佳种类和数量。的话，也可以使用直链苯基苯酚或对氯间甲酚。但2.1 乳化油所谓抗生物降解或生物稳定型的水基金属加工液，2.1.1乳化剂有时不使用杀菌剂而是选择了生物降解能力低的乳化油中的主要乳化剂是磺酸钠，通常与脂肪添加剂。酸皂、酯和偶合剂配合使用。与水混合后形成稳定2.1.中国煤化工的白色乳液。多数乳化油都是油与乳化剂的结合体t中的油。水稀释系。后的,TYHCN M H G几乎不可能形成天然石油磺酸钠是用于乳化油的主要乳化剂流体润滑，而形成的膜的强度与纯油相比相差甚第40卷第4期庄园， 等:水基金属加工液种类及添加剂的选用405远，所以在中等和重负荷加工操作中通常应加入润还有许多乳化剂和润滑剂在静止体系中能充分表滑剂。现出其功能，但当有大量泡沫存在时就几乎失效。所用的边界润滑剂可以是动物油(如猪油或牛所以应加入消泡剂来减少泡沫的形成。目前，使用油)或者是植物油(如棕榈树油、油菜籽油和椰子的消泡剂有硅类消泡剂和非硅消泡剂,低剂量时含果油等),还可以是各种磺酸盐、酯、皂和硫化油。硅消泡剂是最有效的。然而,含硅消泡剂会在电镀、这些油的油溶性酯能减少脂肪油的生物降解，如甲上漆、抛光表面处理时形成“鱼眼",所以有这些基猪油脂和季戊四醇酯等。而吹制油、聚氧化植物后续工序的车间中不能使用含硅消泡剂。和动物油，则能加强添加剂和金属之间的吸附力,2.1.6乳化油的配方(见表2)增加润滑性。表2乳化油的典型配方所用的极压添加剂- -般含有S、Cl、 P等元素,Table 2A typical formulation of soluble oil在高温下，与表面金属反应，形成反应物薄膜，在功能组分质量分数%金属与刀具间的界面上起到类似于固体润滑剂的由100/100环烷基油68乳化剂磺酸盐乳化剂17作用。氯化物添加剂可以是氯化石蜡或酯, Cl含量为极压润滑剂氯化石蜡边界润滑剂合成酯40% ~ 70%的氯化物添加剂是最有效的。它不会形防锈剂链烷醇酰胺成污斑,但会因为产生少量HCI而腐蚀工件。通常杀菌剂酚类化合物可以加入环氧植物油来抑制其对工件的腐蚀。然而2.2半合成液某些氯化物添加剂尤其是碳链为C10~ C13的氯化2.2.1乳化剂石蜡对环境和人体健康有害，应减少使用'。硫化物中的S一般占10%~ 15%，分为活性和乳化剂主要用于将油分散到水中,形成稳定溶惰性的。硫化矿物油中未成键的硫是活性的,很容液。大部分乳化剂与用于乳化油的类型相同，只是易反应。然而,;这种游离的硫会在有色金属特别是需要更高的乳化剂/油的比率。链烷醇酰胺是最常用铜和铜合金上形成污斑。硫化脂肪如猪油中的硫有的乳化剂，常与磺酸盐、皂、酯和乙氧基化合物配很强的化学键，可以减少污斑的形成。最简单的硫合使用。一般来说，性能好又易后处理的水基金属化矿物油配方中含有约1%的硫，如果用于攻丝或加工液通常含有酰胺和磺酸盐或皂。硬水稳定产品车螺纹等复杂操作的加工液则需含约5%的硫。这是将非离子型乳化剂与酰胺配合使用间。类添加剂的最大缺点是硫化物会污染金属，还会产2.2.2其他添加剂偶合剂:若有需要,还可用脂肪酸和乙二醇醚生恶臭。硫氯化物添加剂是指在-一个分 子上同时含有S等偶合剂来调整水基金属加工液的透明度和黏度。防锈剂:油溶和水溶性防锈剂均可使用。通常和Cl,适用于加工低碳钢和Ni-Cr合金。磷酸酯中含P一般为5%~ 15%。磷酸酯由于使用的防锈剂是羧酸胺或硼酸胺。-般来说，胺对其酯结构含有磷，同时具备边界润滑性和低温极压防锈非常有利。三乙醇胺等醇胺类是pH缓冲剂也润滑性。但相对于S和Cl来讲,润滑作用较小。油利于防锈。溶性的磷酸酯可以用胺类等碱性物质中和后使用。润滑剂: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,无腐蚀,并且有防锈加剂必须能被乳化，水溶性氯化脂肪酸皂或酯不需性能。缺点是由于磷是真菌和霉菌的营养源，会助要被乳化。边界和极压润滑剂能增强半合成液的性长微生物，另外也会对环境造成不良影响。能，使其可用于苛刻加工操作。杀菌剂:许多产品中也加入杀菌剂/杀真菌剂来2.1.5 消泡剂持续搅动、喷射、循环等都会使水基金属加工控制微生物生长。液发泡。大量的泡沫会带来很多问题，如导致水基消泡剂:随着大量乳化剂的加入(一般2份乳金属加工液溢出造成损失;由于空气阻隔致使水基化剂却泡，就需要加入金属加工液不能起到润滑作用;由于空气导热性消泡中国煤化工很难选择，因为--旦MYHCN M H G乳液中，则失效差，泡沫还影响加工液冷却性能。同时,泡沫也妨碍操作工人的视线，影响加工的精确性和可测性。了。如果消泡剂在桶内分离出来，那只有再完全混406当代化工2011 年4月人到浓缩液中才能起作用。2.3.3合成液的典型配方(见表4)2.2.3半 合成液的典型配方(见表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功能组成质量分数,%组分稀释剂7(乳化剂磺酸盐5防锈剂羧酸胺pH缓冲剂和抑制剂三乙醇胺链烷醇酰胺极压润滑剂磷酸酯100/100 环烷基油边界润滑剂PEG酯腐蚀抑制剂硼酸胺硫酸化蓖麻油偶合剂丁基卡必醇醋酸酯杀真菌剂嘧啶硫酮杀菌剂/杀真菌剂三嗪/嘧啶硫闡水55.53水基金属加工液的发展趋势2.3合成液从环保、安全和成本等方面考虑,水基金属加合成型水基金属加工液是不含矿物油的水基工液必然会取得更快的发展，得到更广泛的应用。产品，其微粒直径-般为0.003 μm,接近真溶液。未来水基金属加工液及添加剂将向以下几个方面2.3.1腐蚀抑制剂发展:合成液通常含有醇胺类添加剂，它具有一定的(1)长效。合理应用杀菌剂、防锈剂，开发防腐蚀性和pH缓冲能力。应用于合成液的腐蚀抑长寿命型水基金属加工液，减少废液排放，节约能制剂还包括硼酸胺(通常称为硼酸酯)和羧酸胺衍源，降低成本。生物等。这些低泡添加剂替代了胺和亚硝酸盐。由(2)高效。同时随着机械加工工业的不断发于次级胺与亚硝酸盐反应生成的亚硝胺具有很强展，势必对金属加工液的性能提出更高的要求，要的致癌性，已经被禁止使用。在高速、高效的条件下同时满足苛刻的加I要求和有色金属腐蚀抑制剂包括苯并三氮唑、甲基三对工件、刀具、机床的保护;不但要确保对不同金唑和巯基苯并噻唑等。不含胺的无机抑制剂有钼酸属的适应性，还能满足不同工艺条件。钠。脂肪酸胺和链烷醇酰胺也具有极好的防锈性，(3)环境友好。随着环保相关法律法规日益而且是良好的润滑剂。完善，对环境保护的要求越来越高，水基金属加工2.3.2润滑剂和其他添加剂液及所用添加剂也应符合使用安全，对环境无污合成液润滑剂还包括聚亚烷基二醇和酯类。这染，对生物无毒害等要求。两类物质都是低泡润滑剂，并具有良好的硬水稳定参考文献:性。但是由于它们在水中不分解成离子，所以废液[I] Byers 」P. Metalworking Fluids (Second Edition) [M]. New York;难以处理。Tayor&Francis, 2006:128-129.用于合成液的边界和极压润滑剂必须是水溶[2] 关子杰金属加工液基础与应用[M].北京:中国石化出版社. 2006:性的。边界润滑剂包括皂、酰胺、酯、乙二醇和硫，4-10.[3] 张自卫金属切削液(一) [I磨床与磨削，1994(3); 28-36.酸化植物油等。极压润滑剂包括氯、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值较高，其中几fluide. Intemnational Joumnal of Oecupational Medieine andEnvironmental Health [U] 2007, 20(4): 365 - 371.乎不存在细菌。但是要添加杀真菌剂来抑制合成液[5] 罗新民.金属加工用油产品与应用{Ml北京:中国石化出版社，中常见的酵母菌和霉菌。206:33-34.还有消泡剂、润湿剂和染料等作为辅助添加剂[6] Zinmeman Julie B, Clarens Andres F, Hayes Kim F. e al. Design od也常出现在很多合成液中。润湿剂可以减小水基金Hard Water Stable Emulsifer Systems for Petroleum- and Bio- -hased属加工液的表面张力，促进其在金属表面的铺展,中国煤化Iinmne Sieee &有利于润滑。TYHCNMHG