水溶性切削液配方分析-科标技术

水溶性切削液配方分析|科标技术
1.背景
切削液在机械加工领域扮演重要角色，应用非常广泛。

然而，切削液被广泛应用于机械加工行业，给人类创造巨大的效益的同时，也给人类生存环境带来了极大的问题。

目前金属切削加工将向高速、强力和高精度方向发展，现代苛刻的加工条件对切削液的质量也提出了更高的要求。

因此，研究和开发对人类和环境友好的高性能切削液是必然的趋势。

2.金属加工液的分类
在金属加工作业中，切削油基本上可分为油性切削油、水溶性切削油两大类。

金属加工液的作用主要是：冷却作用，润滑作用，清洗作用，防锈作用，腐蚀保护。

2.1油性切削油
油性切削油一般多以低粘度矿物油为基础油，再与其他添加剂在一定的条件下调合制成，使用时不需要再用水稀释，也称为非可溶性油。

油性切削油一般而言润滑性相对较好，使用寿命长，防锈性较好、对皮肤刺激较小，但是在高速加工，温度较高的条件下有可能产生较大的烟雾，严重时可能发生着火的现象。

高粘度油较稠密，分子较大，有较佳的润滑性及较大的金属表面隔离能力，但是流动性及冷却性不如低粘度油，一般用于低速加工及加工负荷较高的场合，如冲压、拉拔、冷镦等成型加工场合。

2.2水溶性切削油(又称乳化液)
一般水溶性切削油为浓缩液，使用时再依需要比例加水稀释，又称可溶性油。

稀释后的水溶性切削油称之为乳化液，因其外观酷似肥阜溶液，工厂里有人称之为肥阜水。

水溶性切削油的基本组成为矿物油、表面活性剂、防腐蚀剂、防锈添加剂、水与其它添加剂。

可溶性油按照其乳液形态又可分为三大类，即乳化液、全合成切削液和半合成切削液三种。

2.2.1乳化液
使用时由乳化油与水按照一定比例配置而成。

乳化油主要是由矿物油与一些特种添加剂组成，乳化油的矿油成分最高可达85%，与切削纯油相反，业内认为乳化油所用的基础油采
用芳香烃含量更高的环焼径更为合适，因为它对添加剂溶解性更为理想，乳化效果会更好。

其他特种添加剂主要为一些表面活性剂、防锈剂、油性剂、极压剂和防腐剂等。

乳化油的稀释液外观不透明，呈乳白色，因其色泽与肥阜的的溶液相似，因此在工厂里俗称肥阜水。

乳化液中乳液颗粒直径在1~10μm乳化液相对而言润滑性比较好，可用于加工负荷较高的场合、如攻丝、拉削等。

但他的缺点就是抗菌性差易变质。

2.2.2全合成切削液
全合成切削液是不含矿物油的水基产品。

他的稀释液颗粒直径可以小到0.03μm. 全合成切削液的大量成分是水，因此具有良好的冷却左右，但是水没有防锈性和润滑性，这些功能必须通过大量的防锈剂和润滑剂来提供，已达到油剂产品的加工性能。

全合成切削液的润滑剂基本是一些环氧乙烧的衍生物如聚酸或酯类物质，也有水溶性的磺化植物油等。

全合成切削液一般含有醇胺等物质，以此来提供腐蚀抑制和Ph缓冲性能。

最早时候亚硝酸盐广泛作为防锈剂在全合成切削液中使用，但由于其致癌作用已经被逐步弃用，逐渐被硼酸盐和幾酸胺等物质所替代。

而苯并三氮哩或其衍生物及噻挫类衍生物则被广泛用于有色金属的防腐。

全合成切削液由于没有矿物油这些细菌营养物，因此全合成切削液的抗菌性普遍较好，使用寿命较长。

全合成切削液的稀释液是透明的，具有良好的可见性。

2.2.3半合成切削液
半合成切削液亦称微乳液，它通常是外观透明或半透明的浓缩液，它的稀释液油滴直径在0.1~1μm，稀释液呈透明状或半透明状。

半合成切削液其实也是乳化液的一种，但是他的配方中往往会含有20~60%的水，半合成切削液中的矿物油含量一般在5%~30%左右，一般认为环院基油是半合成切削液比较理想的基础油。

半合成切削液的乳化剂与乳化油基本没有什么差别，但是乳化剂含量会更高。

由于配方中含有大量水，半合成切削液的配方需要通过偶合剂的作用来平衡配方体系。

半合成切削液的极压性能则通过加入含有硫、磷、氮等元素的油性剂和极压剂来满足。

防锈剂和腐烛抑制剂、消泡剂等也是半合成切削液必不可少的成分。

3.半合成切削液的作用及成分组成
3.1油相、水相
基础油是半合成切削液的主要成分，它不仅本身有一定的润滑作用，同时也是油溶性添加剂的载体，在半合成切削液配方中基础油含量最高可达30%。

不同于乳化油，半合成切削液成分中含有大量的水，而且水是半合成切削液的重要组成之一，水的存在为各种水溶性添加剂顺利融入配方体系提供了可能，同时也可偶合各种大量的表面活性剂。

一般半合成切削液中的水均经过软化处理，以防止水中钙镁离子对切削液性能的影响，一般半合成切削液配方中水含量为约30~60%。

3.2表面活性剂
无论是半合成切削液的制备还是对切削液体系的稳定，表面活性剂都起着重要作用，他是形成稳定的半合成切削液的基础。

表面活性剂分为阳离子表面活性剂，阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂，以及两性的表面活性剂。

阳离子型表面活性剂大多为胺基化合物，主要是有胺盐、季胺盐两大类等。

阳离子表面活性剂除了具有较高的表面活性外，还有一定的抑菌性，一般全合成切削液使用较多。

非离子型表面活性剂由于其较高的表面活性因而成为各种水基切削液广泛使用的添加剂。

较典型的非离子型表面活性剂有NP系列(脂肪醇酸)、TX 系列(烧基酷醚)，吐温系列、烧基醇酰胺等也是常用的非离子表面活性剂。

3.3偶合剂
半合成切削液中油与水同时存在，实际使用中仅仅使用一种表面活性剂是不能形成稳定的半合成切削液的，而加入适量偶合剂可以实现配方中水与油的巧妙平衡。

偶合剂能改变表面活性剂的表面活性及亲水亲油平衡性，调整水和油的极性，水溶性醇可减小水的极性，油溶性醇可提高油的极性，从而改变表面活性剂的表面活性，从而影响体系的相态，使两相性质得到改善。

偶合剂通常是低分子直链醇或醚，如乙醇、正丁醇、二乙二醇单丁醚等
3.4油性促进剂
油性改进剂是一种烃链尾端带有极性集团的化合物，在较低温度下可与金属表面形成分子膜，阻止金属间互相接触，从而降低摩擦系数，起润滑作用。

油性剂有脂肪酸、醇、胺、脂等。

动植物油脂是最早的油性改进剂。

近年来发现不仅动植物油脂有这种性质，其他某些合成的化合物也有同样性质，如有机硼化合物、有机银化合物，它们降低摩擦面摩擦系数的效果更为优异。

3.5极压抗磨剂
随着金属表面负荷逐渐提高，金属表面之间的油膜在压力下被挤出金属表面，金属表面油膜逐渐变薄，当载荷提高一定程度，金属表面油膜被完全挤出，在局部金属表面之间发生直接接触，在这种边界润滑状态下就必须依靠极压抗磨剂的润滑作用来起到保护作用。

极压抗磨剂一般都含有一些活性元素:如硫、磷、氯等元素，这些元素在较高温度下可在金属表面与铁等金属生成硫化铁、氯化铁、磷化铁等化合物的分子膜，防止金属表面发生互相接触，从而避免产生烧结、卡咬、刮伤等现象;不同的极压抗磨剂具有各自的适用温度范围，因此通常将几种硫系、磷系、氯系的添加剂复合适用。

常用的极压抗磨剂有以下几种：
1)有机氯化物如氯化石蜡;
2)有机硫化物;
3)有机磷化物如T306 (磷酸三甲酚酯)和T304 (亚磷酸二正丁酯);
4)有机金属盐如二院基二硫代磷酸锌;
5)硼酸盐和硼酸酯;
3.6水溶性防锈剂
以往亚稍酸钠和含铬的盐是切削液常用的水溶性缓烛剂，但亚硝酸钠及重铬酸盐由于其致癌性现在许多厂家明令禁止使用些常用的乳化剂如磺酸钠、链院醇酰胺等本身也有一定防锈效果，硼酸盐和幾酸盐等化合物也具有较好缓蚀效果。

需要注意的是无论是何种类型的切削液液其稀释液的Ph值都必须控制在8.8以上的水平，以确保稀释液具有较好的防锈保护能力和细菌控制能力，烷基醇醇胺和三乙醇胺等添加剂等具有较好的碱值保持能力，以提供良好的防锈保护。

3.7消泡剂
由于切削液中含有大量的乳化剂，液体具有较高的起泡倾向，在切削液循环系统较高的压力和扰动冲击下更易产生大量泡沫。

泡沫的存在往往会使切削液不能有效进入加工区域，使刀具和工件无法得到有效润滑，从而对刀具造成严重的磨损，并影响工件加工的加工精度。

因此，抗泡剂是半合成切削液中不可缺少的成分之一。

一般使用乳化桂油。

3.8杀菌剂
切削液成分中含有大量矿物油，有些添加剂含有一定的矿油成分，这些矿物油成分往往是细菌的营养物质。

细菌大量繁殖后，其代谢过程会产生大量的低级羧酸。

这些酸性代谢产品会与切削液中碱性物质反应从而破坏切削液的有效成分，另一方面切削液Ph值会因这些低级羧酸的大量产生而下降，因而对切削液防锈性、稳定性都会有很大影响。

常用的有邻苯基酚、2-羟甲基-2-硝基-1等。

3.常见配方(仅供参考，更多技术咨询我中心技术工程师）
3.1 微乳型金属切削液的参考配方
成分百分比含量成分说明
5#基础油9.0-12.0% 基础油
大豆油 4.0-6.0% 油性剂
季戊四醇油酸酯 4.0-6.0% 油性乳化剂
石油磺酸钠 6.0-9.0% 乳化剂、防锈剂
三乙醇胺8.0-9.0% 有机胺
二环己胺 3.0-5.0% 有机胺
苯并三氮唑0.3-0.5% 有缓蚀剂
壬基酚聚氧乙烯醚 2.0-5.0% 亲水性乳化剂
异构脂肪酸盐 2.0-4.0% 缓蚀剂
异构脂肪醇 1.0-3.0% 稳定剂
有机硅消泡剂0.2-1.0% 消泡剂
MBM杀菌剂 1.0-2.0% 杀菌剂
水45.0-50.0% 溶剂。