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蘇州金屬加工液配方分析
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CNAS認可項目：是 - 一背景 1.1金屬加工液概念 金屬加工液，又稱金屬加工潤滑劑，是指用于金屬及其合金切削、沖壓、軋制和拉拔等各種加工過程中所使用的潤滑劑，是金屬加工過程重要的配套材料。金屬加工液在金屬加工過程中具有潤滑、冷卻、防銹和清洗等作用。一般的金屬加工液包括切削液、切削油、乳化液、沖壓油、淬火劑、高溫油、極壓切削液、磨削液、防銹油、清洗劑、發黑劑、拉深油等。金屬加工切削液是一種低泡沫、高潤滑性的可溶性潤滑油，即使應用在對加工液要求很高的環境下也能使維護成本降到最低，基本能適用于各類金屬及合金的所有類型的加工，它對大多數鐵制金屬的一般加工十分奏效，尤其在加工軟鋼、鑄鐵、不銹鋼及其他特種鋼時能同時發揮出出色的潤滑作用和冷卻作用。，因而能延長刀具的使用壽命，防止金屬零件銹蝕，帶走加工過程產生的熱量，有效清除零件和刀具表面上的切屑和其它粉粒，改善加工質量，提高生產效率。金屬加工液按組成不同，可分為不含水的油基加工液和水作為功能組分的水基加工液兩大類。水基加工液按礦物油含量不同，又可分為乳化液、微乳液和合成液。水基和油基金屬加工液由于組成不同而具有不同的特性。 近些年來，由于世界各國對環境保護要求日益重視，一系列安全、健康和環保法律法規的頒布和實施，明顯影響著金屬加3-液的發展，在過去20年里，金屬加工液的發展經歷了重大的變化。 1.2金屬加工液的功能 金屬加工切削液性能穩定而出眾，能應用于各種材料（包括非金屬材料，比如陶瓷、硅晶片等）的多種切削、磨削操作。產品良好的化學潤滑性和機械潤滑性能適應最苛刻的切削和磨削加工的要求，是大批量高品質部件生產商的最佳選擇。 隨著工業技術的不斷發展和進步，新材料、新工藝不斷涌現，在這些加工過程中選擇合適的切削液對于保證產品加工質量，提高加工效率，減少環境污染都是至關重要的。 金屬加工液通常也被稱為“冷卻液”，根據不同的機械加工要求，金屬加工液又可分為切削液、磨削液等類型。在制造業中，金屬加工液的使用范圍非常廣泛，例如在發動機的機械加工和變速箱的機械加工中、裝備制造業、齒輪行業等都廣泛使用著各種各樣的金屬加工液。 金屬加工液的主要功能 (1)潤滑功能 金屬表面在機械加工的過程中受到較大的切削力，并且有相對運動，從而在刀具與工件表面、刀具與切屑之間會產生較大的摩擦。這種摩擦現象的存在會產生較大的熱量并且加劇刀具的磨損和工件表面精度的惡化，并且會降低加工效率。金屬加工液可以大大降低這種摩擦，延長刀具壽命并提高加工件表面質量。一般說來，金屬加工液中的礦物油含量越高，其金屬加工液的潤滑性能越好，但隨著金屬加工液技術的發展，含有極壓添加劑半合成和全合成類型的金屬加工液也同樣具有良好的潤滑性能。 (2)冷卻功能 這也是金屬加工液被俗稱為“冷卻液”的原因，因為機械加工過程中存在剪切和摩擦的雙重作用，從而不可避免地會產生較大的熱量，這種熱量如不能被及時帶走，就會造成刀具和工件之間產生高溫，從而會軟化刀具甚至降低工件表面的硬度，加劇刀具磨損，影響工件的表面精度。不僅如此，高溫還會產生積屑瘤，造成工件加工精度偏差。通過大流量的金屬加工液的沖洗作用，可以帶走機械加工過程中產生的熱量，降低刀具和工件的溫度，延長刀具的壽命，提高加工件的表面精度，提高機械加工的效率。 (3)排屑功能 金屬機械加工過程中產生的加工屑如不能被及時從加工區域移走，可能產生積屑瘤并造成已加工面的磨損。 (4)防銹功能 大多數的金屬材料(如鐵和鑄鐵)在與潮濕的空氣與水接觸后會很快產生銹蝕，而在金屬機械加工過程中，如果在兩道不同工序之間，金屬加工液不能提供良好的防銹功能，就可能會造成半成品產生銹蝕，從而使產品報廢。 金屬加工液除以上功能外，還要具有防泡沫、對環境友好、抗菌等功能，不同的機械加工方式對金屬加工液的功能需求也不同，例如重負荷低速機械加工對金屬的潤滑性能要求更高，而高速低負荷機械加工對冷卻要求更高。 1.3金屬加工液的市場現狀 20世紀80年代以來，伴隨著世界工業經濟的快速增長，金屬加工液消費量日益增大。從世界范圍看，油基加工液和水基加工液呈現了兩個不同的市場消費狀況：80年代初至90年代初水基加工液消費量快速增長，而油基加工液需求相對下降；90年代初至21世紀初，水基加工液需求減緩，油基加工液需求逐步復蘇。與油基加工液相比，水基加工液一次性購買價格較低，而且冷卻性能優異，因此80年代初至90年代初水基加工液需求增長迅速。以英國為例，油基加工液在1980年市場需求占整個加工液需求的60％，水基加工液則占40％；而到了1990年，水基加工液市場比例上升至60％，而油基加工液則下降到40％?。進入90年代中后期，水基加工液需求高速增長的趨勢開始大大減緩，水基加工液完全取代油基加工液的預言，到目前為止并沒有實現。相反，油基加工液的市場需求份額開始明顯復蘇。以北美為例，1997年全北美共生產9億加侖(1美加侖=3．785 L)金屬加工液(水基加工液以濃縮液統計)，其中24％為半合成加工液(乳化液)，21％為合成加工液，而油基加3-液依舊占55％之多 。而在環境保護更加苛刻的法國，金屬加工液的使用趨勢則更明顯趨向使用油基加工液。 1.4金屬加工液發展趨勢 1)油基、水基加工液并存的格局在將來一段時期內仍會存在 油基和水基加工液各有其優勢和不足，例如油基加工液潤滑性和防銹性能好，但在高溫下易揮發，易產生大量油霧，油霧長期積累會損害人體健康；油基加工液尤其是粘度較高的加工液，自凈性能差，加工零件脫油成本高。水基加工液具有優異的冷卻性能，是油基加工液無法比擬的(油的導熱系數為O．125～O．21 w／m?K，而水的導熱系數高達O．61 w／m?K)，使用水基加工液散熱快，不易著火，安全可靠。因此，兩種加工液互相取代在將來一段時期內出現的可能性不大，兩種類型的加工液在市場上還會并存。 2)通用、高效是加工液的重要發展方向 由于金屬加工工藝種類復雜，同時各種新型金屬材料的廣泛應用，造成了金屬加工液產品種類繁多，這一方面為加工液的儲存、銷售帶來種種不便，形成一定的附加成本；同時在使用過程中，由于加工液種類繁多，容易造成加工液種類、牌號的不正確使用，當出現這種情況時，輕者影響加工質量和效率，重者造成刀具損壞，甚至停工停產。此外，據調查，到2OO5年加工機床的主軸的標準轉速將達到20000 r／min，高速機床的轉速可達到30000 r／min，這一趨勢對金屬加工液提出了更加苛刻的要求。為了在高速、高效和精密加工條件下滿足更加苛刻的加工要求，今后金屬加工液研發必須注重于通用性和高效性，以確保對不同金屬材料的適用性，同時還能滿足不同條件下的工藝操作。 3)綠色加工液是將來發展的趨勢 綠色加工液是在各國環境法規日臻完善、環保要求日益嚴格的大背景下產生的，是未來金屬加工液的發展趨勢。 關于綠色金屬加工液到目前為止還沒有嚴格的定義，但綜合起來看，綠色加工液應符合以下要求：①使用過程不損害人體健康；②使用過程符合衛生要求，對環境無污染或低污染；③具有生物降解性，并且降解后無毒或低毒。發展綠色加工液必須解決兩個關鍵問題：基礎液和添加劑的綠色環保問題。對于油基加工液而言，基礎油是最主要的成分，可用于油基綠色金屬加工液的基礎油主要有合成酯和植物油"I。對于水基加工液尤其是合成型加工液而言，水的來源豐富且無毒無臭，是理想的綠色基礎液，因此在努力提高水基添加劑潤滑性和防蝕性的同時，必須重點解決添加劑的生理生態毒性問題。如果這些問題能夠得到較好的解決，綠色水基加工液將會取得更大的市場占有率。隨著綠色化學和綠色設計的發展和應用水平的提高，綠色基礎油和綠色添加劑將會不斷發展，這對綠色金屬加工液的發展將會起到巨大的推動作用。 二.金屬加工液的種類及特性 金屬加工包括軋制、煅造、模沖、拉拔、成型、切削和磨削。大多數的金屬加工都要依賴于好的金屬加工液，所以金屬加工液的用量很大，包括脂肪酸皂、烴類油、乳化油及水溶液。隨著金屬加工要求的提高，在很多場合需要使用到合成油和合成金屬加工液來提高金屬加工的質量。目前，在金屬加工液中使用的合成潤滑劑包括聚烷撐二醇，酯，合成烴及其它的合成潤滑劑。 2.1金屬加工液的分類 金屬加工液紛繁復雜，從組成上來講，金屬加工液大致可以分成純油、溶性油、化學液(合成液)和半化學液(半合成液)4種類型，后3種通常也稱為水基金屬加工液。金屬加工液通常以礦物油的含量來進行分類： 1)純油類金屬加工液，油含量為90%～95%。 2)乳化類金屬加工液，礦物油含量超過50% 3)半合成金屬加工液，礦物油含量5%～50%。 4)不含礦物油的全合成金屬加工液。 2.1.1純油類加工液 所謂純油型金屬加工主要是指礦物油，盡管在某些特殊的場合也使用動、植物油，合成油有時也用作純油基礎油。但不論是天然油或合成油，都調合了不同的邊界或極壓添加劑。純油金屬加工液不含水，潤滑性優良，但冷卻能力有限。對于切削余量少的精加工，使用純油型金屬加工油是個不錯的選擇。 2.1.2溶性油加工液 溶性油實際上就是水包油型乳化液(O／w)，包括粗乳化液和微乳化液。與粗乳化液相比，微乳化液的綜合性能更為優異，其配方技術也復雜的多。 溶性油同時具有油的潤滑性和水的冷卻長處，是一類非常通用的金屬加工液，使用非常廣泛。在苛刻的切削或成型加工中，使用含有磷和硫極壓劑的配方，1倍～5倍稀釋使用。但在輕切削或磨削中，溶性油濃縮液通常只含有防銹劑，2O倍～100倍稀釋使用。 2.1.3化學液(合成液)加工液 化學液不含石油，用水稀釋后形成真溶液。這類金屬加工液通常被稱作“合成液”。然而，不是所有的合成液都含有合成潤滑劑。合成潤滑劑包括聚烷撐二醇，酯和PAO。為了避免混淆，將不含油的水溶性產品稱為“化學金屬加工液”或“化學液”。最初配制化學液是為磨削和輕切削加工，后來加人合成潤滑劑，以及水溶性邊界極壓添加劑的發展，擴大了這類金屬加工液的應用范圍。 2.1.4半化學液(半合成液)加工液 半化學金屬加工液具有溶性油和化學液的最優性能，這類產品同時含有水溶性添加劑、乳化劑和不少于20％的礦油的濃縮液。 由于高速切削刀具的發展及磨削速度的提高，純油作為金屬加工潤滑劑顯現出了其局限性。切削或磨削工件的大部分能量以熱的形式消耗，隨著切削速度的增加，金屬加工液的冷卻性變得更重要。純油有優良的潤滑性，但冷卻能力有限。 在更高速的加工中，油基金屬加工液會導致刀具壽命變短，同時產生有刺激性的煙霧。 用水作為金屬加工液，切削速度可提高30％～40％，速度增加的主要原因是水與油相比，有更優良的冷卻性能。因為水比油有更高的比熱和蒸發潛熱。然而，作為金屬加工液，水有2個明顯的缺點，(1)水是一種不良的潤滑劑，(2)水可導致刀具和工件腐蝕。 高質量的溶性油是水基金屬加工液的主要產品。溶性油既有水冷卻的優勢，又有良好的潤滑性和防腐性。用溶性油代替純油，使得金屬加工不必犧牲表面光潔度或刀模具壽命就可提高加工速度。除了是優良的冷卻劑外，溶性油比純油更干凈，不產生大量的煙霧，著火的危險也大為降低，且很容易從機床和工件上除去可溶性的殘留物。 溶性油金屬加工液的潤滑和冷卻性能可以簡單地通過稀釋率，添加劑的類型及量的改變來調整。在重負荷成型操作中，溶性油濃縮液中調配有高濃度的含氯、硫和磷極壓潤滑添加劑，使用前用水1：1或1：2稀釋。用20：1到100：1的水稀釋同樣也可用于高速輕負荷的切削和磨削加工。 用于輕負荷加工的溶性油通常僅調配有防銹劑。相對于純油金屬加工液。溶性油的另一個優勢是價格。雖然溶性油濃縮液的價格比純油更貴，但用水稀釋后，實際價格明顯下降。在使用中，溶性油的損失較純油更少，補充的費用也更少。盡管有這些優勢，但溶性油也的確存在一些新的問題。溶性油最顯著的缺點是對細菌的攻擊很敏感。水中的微生物很快就會在乳化液中新陳代謝。他們快速繁殖，釋放出不愉快的氣味，最終通過表面活性劑的新陳代謝，破壞乳化液，降低液體的pH值。加入殺菌劑可明顯降低這些不足，但生物攻擊仍是溶性油用戶面臨的最大問題。同時，溶性油有乳化齒輪油和液壓油的傾向，這樣對金屬加工液造成不利的影響。溶性油金屬加工液對水的pH值和硬度也很敏感。化學液或者合成金屬加工液有良好的防護性、優異的冷卻性和足夠的潤滑性，且比溶性油更干凈，穩定，清凈性和透明性良好，能抵抗生物攻擊。 合成金屬加工液也存在著如下的問題： (1)導軌潤滑： 因為有良好的清凈能力，很多化學金屬加工液有沖洗掉導軌潤滑劑的傾向，引起明顯的操作問題。使用一段時間后，化學金屬加工液會造成運動部件的粘滯，這是水蒸發后遺留下來的抗腐蝕劑和潤滑添加劑造成的，也可能是這些添加劑與硬水中的鈣、鎂離子反應形成的不溶物造成的。若加工液中含有硼酸胺腐蝕抑制劑，在硬水中還會形成粘性的殘留物。 多年來發現，使用有良好的硬水穩定性，低清潔傾向，低粘性組分的改進配方，可減少導軌潤滑問題，同樣，使用抗沖洗的導軌潤滑劑及更靈活的機床潤滑程序也可以解決這些問題。 (2)機床潤滑： 從溶性油轉到化學金屬加工液，部分操作者發現機床未得到相應的潤滑，化學金屬加工液中不含油，不會在機床的運動部件上留下油膜，這個問題通常可采用例行的機床潤滑程序來解決。 (3)皮炎： 因為有良好的洗滌性和高的pH值，化學金屬加工液能沖洗掉皮膚上的油脂而引發皮炎，使用雪花膏和橡膠手套，改善工業衛生條件可以克服上述問題。 (4)涂料和密封的相容性： 化學冷卻液中的某些組份能侵蝕機床中的密封件和涂料。 (5)潤滑與腐蝕： 化學金屬加工液存在著潤滑差和抗腐蝕差的局限，但這個問題目前已經得到很大的改善。化學金屬加工液涉及的問題，特別是機床和 導軌的潤滑問題，導致了半化學金屬加工液的發展，這類典型產品含有20％的油及表面活性劑、胺和其它水溶性添加劑。然而，在具有溶性油對機床潤滑的優點時，也失去了化學液的抗細菌能力。正如它的名稱一樣，半化學液是溶性油和化學金屬加工液之間的調和。 2.2水基金屬加工液 金屬加工液主要應用于金屬切削、磨削和成型加工中，可以提高加工效率和工件表面質量，同時延長刀具的使用壽命。利用金屬加工液可以清洗工件上的金屬屑和細末，同時，起到冷卻、潤滑的作用。另外，在進一步加工或組裝前，金屬加工液還對工件起到一定的室內臨時防銹作用。 20世紀，金屬加工液經歷了從單純的油品向多樣的水基加工液演變的過程。最初開發乳化油是在1910～1920年，目的是為了提高金屬加工液的冷卻性能也防止起火。由于其中加入的水會導致工件生銹，因此需要加入防銹劑。合成液在20世紀50年代首次面市，其冷卻性和防銹性優于乳化液，更適用于磨削加工。20世紀70年代早期，石油短缺促進了不含油的合成液的發展，使其有可能在所有加工中取代油基產品。20世紀80年代，合成液和半 合成液在成熟的市場中穩步發展，并逐漸取代油含量高的產品。21世紀以來，隨著對環保要求的提高，廢液處理成本增加，更容易后處理的乳化油的市場占有率超過了合成液。 總之，由于水基金屬加工液具有油基產品難以媲美的冷卻性能及低廉的成本而獲得了迅速發展，因此，加快了油基液向水基液過渡的步伐。近年來，微乳液型金屬加工液發展很快，可以預料它將是未來金屬加工液的主要品種。 2.2.1水基金屬加工液的發展趨勢 從環保、安全和成本等方面考慮，水基金屬加工液必然會取得更快的發展，得到更廣泛的應用。未來水基金屬加工液及添加劑將向以下幾個方面發展： (1)長效。合理應用殺菌劑、防銹劑，開發長壽命型水基金屬加工液，減少廢液排放，節約能源，降低成本。 (2)高效。同時隨著機械加工工業的不斷發展，勢必對金屬加工液的性能提出更高的要求，要在高速、高效的條件下同時滿足苛刻的加工要求和對工件、刀具、機床的保護；不但要確保對不同金屬的適應性，還能滿足不同工藝條件。 (3)環境友好。隨著環保相關法律法規日益完善，對環境保護的要求越來越高，水基金屬加工液及所用添加劑也應符合使用安全，對環境無污染，對生物無毒害等要求。 2.2.2水基金屬加工液分類 由于水基金屬加工液的種類繁多，涉及面廣，要求各不相同，致使目前世界上還沒有統一的分類及規格標準。不同的相關組織對其進行了不同的分類。具有代表性的分類標準有ISO 6743／7—1986、ASTM D288l一03和JIS K2241等口]。其中日本的JISK2241標準實用性強，國外許多水基金屬加工液制造商都借鑒此標準。現對JIS K2241中水基金屬加工液的種類和性狀作較詳細的介紹. 乳化液是乳化油經水稀釋后形成的乳白色或半透明液，它具有良好的冷卻性和清洗性，并具有一定的潤滑性和防銹性。最大的缺點是工作液穩定性差，易腐敗變質，使用壽命短。 合成液是用自來水按一定比例稀釋而成的半透明或透明液，其優點是使用壽命長，使用安全，節約油料資源，具有極好的冷卻性、清洗性和一定的防銹潤滑性。但由于它的清洗性好、滲透力強，可能會沖洗破壞掉機床上的潤滑膜，導致機床潤滑部件動作不靈，這是合成液的最大弊端。 微乳化液(半合成液)是用自來水按比例稀釋而成的半透明或透明液。具有以下特點： 1）外觀像合成液，為透明或半透明，利于觀察加工操作情況和工件表面狀態； 2）使用壽命比普通乳化液長4～6倍； 3) 使用效果類似乳化液，溶液干后能形成一層膜，對機床滑動部件起著良好的潤滑、防銹作用。因此微乳化金屬加工液能綜合乳化液和合成液的優點，又能彌補這兩種金屬加工液的不足，所以性能優異，通用性強口。 2.2.3水基金屬加工液組成 配制水基金屬加工液使用的添加劑多數是陰離子或非離子型有機物，大部分是液體，便于混合。基本種類包括脂肪酸、鏈烷醇酰胺、酯、磺酸鹽、皂、乙氧基表面活性劑、氯化石蠟、硫化脂肪和油、乙二醇酯、醇胺、聚乙二醇、磺化油、油酯和各種殺菌劑等。水基金屬加工液的很多性質是相互制約的。比如，若有極好的生物性和硬水穩定性，則其廢液可能很難處理；若有極好的潤滑性，則可能不易于清洗。總體來說，水基金屬加工液應該是穩定、低泡、易于后處理的。可以通過實驗來確定其中添加劑最佳種類和數量。 A常見乳化油的組成 1)乳化劑 乳化油中的主要乳化劑是磺酸鈉，通常與脂肪酸皂、酯和偶合劑配合使用。與水混合后形成穩定的白色乳液。多數乳化油都是油與乳化劑的結合體系。天然石油磺酸鈉是用于乳化油的主要乳化劑之一。隨著石油產品價格的不斷攀升，使配方設計師們轉而采用合成磺酸鹽。合成磺酸鹽是直鏈或帶支鏈的烷基苯(烷基化物)。聚異丁烯琥珀酸酐衍生物(PIBSA)也可作為石油磺酸鈉的替代物使用。 2)腐蝕抑制劑 由于大多數水基金屬加工液在使用時用水稀釋，容易導致機床和工件生銹，防銹也就成為關鍵。根據乳化劑不同，水基金屬加工液中通常添加磺酸鈣、鏈烷醇酰胺、氧化石蠟等防銹劑。而含硼的水溶性抑制劑則同時具有防銹性和生物穩定性。各種腐蝕抑制的作用機理不盡相同，有的是形成膜(羧酸胺)，有的是氣相抑制劑(單乙醇胺硼酸酯)，還有的是與表面金屬形成基質來提供保護(吡咯)。在考慮防腐問題時，還要同時兼顧到黑色金屬(鋼、鐵)和有色金屬(鋁、銅等)合金。 3)微生物抑制劑 水基金屬加工液中需要一種或多種微生物抑制劑(殺菌劑)以控制微生物的生長，使體系內的細菌和霉菌的數量維持在盡可能低的水平，避免產生惡臭，影響工作環境和操作人員健康 。此外，也需要池邊添加殺菌劑控制微生物生長。常用的甲醛釋放型殺菌劑是用于抑制細菌，吡啶硫醇鈉是用于抑制霉菌。如果酚的排放不會引起廢液處理爭端的話，也可以使用直鏈苯基苯酚或對氯間甲酚。但所謂抗生物降解或生物穩定型的水基金屬加工液，有時不使用殺菌劑而是選擇了生物降解能力低的添加劑。 4)潤滑劑 乳化油的潤滑性主要來自于其中的油。水稀釋后的乳化油的黏度幾乎與水相同，幾乎不可能形成流體潤滑，而形成的膜的強度與純油相比相差甚遠，所以在中等和重負荷加工操作中通常應加入潤滑劑。 所用的邊界潤滑劑可以是動物油(如豬油或牛油)或者是植物油(如棕櫚樹油、油菜籽油和椰子果油等)，還可以是各種磺酸鹽、酯、皂和硫化油。這些油的油溶性酯能減少脂肪油的生物降解，如甲基豬油脂和季戊四醇酯等。而吹制油、聚氧化植物和動物油，則能加強添加劑和金屬之間的吸附力，增加潤滑性。 所用的極壓添加劑一般含有s、cl、P等元素，在高溫下，與表面金屬反應，形成反應物薄膜，在金屬與刀具間的界面上起到類似于固體潤滑劑的作用 氯化物添加劑可以是氯化石蠟或酯，cl含量為40％～70％的氯化物添加劑是最有效的。它不會形成污斑，但會因為產生少量HCI而腐蝕工件。通常可以加入環氧植物油來抑制其對工件的腐蝕。然而某些氯化物添加劑尤其是碳鏈為C10～C13的氯化石蠟對環境和人體健康有害，應減少使用 。硫化物中的S一般占10％～15％，分為活性和惰性的。硫化礦物油中未成鍵的硫是活性的，很容易反應。然而，這種游離的硫會在有色金屬特別是銅和銅合金上形成污斑。硫化脂肪如豬油中的硫有很強的化學鍵，可以減少污斑的形成。最簡單的硫化礦物油配方中含有約1％的硫，如果用于攻絲或車螺紋等復雜操作的加工液則需含約5％的硫。這類添加劑的最大缺點是硫化物會污染金屬，還會產生惡臭。 硫氯化物添加劑是指在一個分子上同時含有s和cl，適用于加工低碳鋼和Ni—Cr合金。磷酸酯中含P一般為5％一15％。磷酸酯由于其酯結構含有磷，同時具備邊界潤滑性和低溫極壓潤滑性。但相對于s和cl來講，潤滑作用較小。油溶性的磷酸酯可以用胺類等堿性物質中和后使用。中和后的磷酸酯不形成污斑，無腐蝕，并且有防銹性能。缺點是由于磷是真菌和霉菌的營養源，會助長微生物，另外也會對環境造成不良影響。 5)消泡劑 持續攪動、噴射、循環等都會使水基金屬加工液發泡。大量的泡沫會帶來很多問題，如導致水基金屬加工液溢出造成損失；由于空氣阻隔致使水基金屬加工液不能起到潤滑作用；由于空氣導熱性差，泡沫還影響加工液冷卻性能。同時，泡沫也妨礙操作工人的視線，影響加工的精確性和可測性。 還有許多乳化劑和潤滑劑在靜止體系中能充分表現出其功能，但當有大量泡沫存在時就幾乎失效。所以應加入消泡劑來減少泡沫的形成。目前，使用的消泡劑有硅類消泡劑和非硅消泡劑，低劑量時含硅消泡劑是最有效的。然而，含硅消泡劑會在電鍍、上漆、拋光表面處理時形成“魚眼”，所以有這些后續工序的車間中不能使用含硅消泡劑。 B.常見半合成加工液組成 1)乳化液 乳化劑主要用于將油分散到水中，形成穩定溶液。大部分乳化劑與用于乳化油的類型相同，只是需要更高的乳化劑／油的比率。鏈烷醇酰胺是最常用的乳化劑，常與磺酸鹽、皂、酯和乙氧基化合物配合使用。一般來說，性能好又易后處理的水基金屬加工液通常含有酰胺和磺酸鹽或皂。硬水穩定產品是將非離子型乳化劑與酰胺配合使用 。 2)其他添加劑 偶合劑：若有需要，還可用脂肪酸和乙二醇醚等偶合劑來調整水基金屬加工液的透明度和黏度。防銹劑：油溶和水溶性防銹劑均可使用。通常使用的防銹劑是羧酸胺或硼酸胺。一般來說，胺對防銹非常有利。三乙醇胺等醇胺類是pH緩沖劑也利于防銹。潤滑劑：可以是油溶性或水溶性的。油溶性添加劑必須能被乳化，水溶性氯化脂肪酸皂或酯不需要被乳化。邊界和極壓潤滑劑能增強半合成液的性能，使其可用于苛刻加工操作。殺菌劑：許多產品中也加入殺菌劑／殺真菌劑來控制微生物生長。消泡劑：隨著大量乳化劑的加入(一般2份乳化劑：1份油)，半合成液更容易起泡，就需要加入消泡劑。然而，半合成液中消泡劑很難選擇，因為一旦消泡劑被偶合或被乳化到微乳液中，則失效了。如果消泡劑在桶內分離出來，那只有再完全混入到濃縮液中才能起作用。 C.常見合成加工液的組成 合成型水基金屬加工液是不含礦物油的水基產品，其微粒直徑一般為0．003um，接近真溶液。 1)腐蝕抑制劑 合成液通常含有醇胺類添加劑，它具有一定的防腐蝕性和pH緩沖能力。應用于合成液的腐蝕抑制劑還包括硼酸胺(通常稱為硼酸酯)和羧酸胺衍生物等。這些低泡添加劑替代了胺和亞硝酸鹽。由于次級胺與亞硝酸鹽反應生成的亞硝胺具有很強的致癌性，已經被禁止使用。 有色金屬腐蝕抑制劑包括苯并三氮唑、甲基三唑和巰基苯并噻唑等。不含胺的無機抑制劑有鉬酸鈉。脂肪酸胺和鏈烷醇酰胺也具有極好的防銹性，而且是良好的潤滑劑。 2)潤滑劑和其他添加劑 合成液潤滑劑還包括聚亞烷基二醇和酯類。這兩類物質都是低泡潤滑劑，并具有良好的硬水穩定性。但是由于它們在水中不分解成離子，所以廢液難以處理。用于合成液的邊界和極壓潤滑劑必須是水溶性的。邊界潤滑劑包括皂、酰胺、酯、乙二醇和硫酸化植物油等。極壓潤滑劑包括氯、硫化脂肪酸皂和酯以及中性磷酸酯。 由于合成液中不含油，且pH值較高，其中幾乎不存在細菌。但是要添加殺真菌劑來抑制合成液中常見的酵母菌和霉菌。還有消泡劑、潤濕劑和染料等作為輔助添加劑也常出現在很多合成液中。潤濕劑可以減小水基金屬加工液的表面張力，促進其在金屬表面的鋪展，有利于潤滑。 2.3典型案例-微乳化金屬加工液 20世紀70年代的石油危機把世界帶入了水基金屬加工液時代，油基金屬加工液的消費量逐年下降，而水基金屬加工液的需求呈現快速增長趨勢。微乳化液由于兼具乳化油的潤滑性和合成液的冷卻性與清洗性而備受用戶青睞。發達國家早就開始了微乳化液的開發，而我國從20世紀80年代才開始研制，微乳化液是目前乃至將來金屬加工液的主流產品。 2.3.1微乳化液的組成 微乳化液主要由基礎油，水和表面活性劑組成，按照加工場合要求再添加一些添加劑，如油性劑、防銹緩蝕劑、殺菌劑、消泡劑和助表面活性劑等。在金屬加工實際過程中，根據加工條件將母液稀釋成不同質量分數的工作液，通常將母液稀釋成質量分數為5％的工作液。 1)微乳化液的油相和水相 通常將一些油溶性的添加劑溶解于基礎油中即得油相，基礎油的質量分數一般為10％一30％，不僅可以起潤滑作用，同時也是油溶性添加劑的載體。目前可以作為基礎油的有礦物油，改性植物油和合成油。選擇基礎油時，從基礎油與添加劑的配伍性和適應性考慮，石蠟基油(SN)與環烷基(DN) 油的性能比中間基(ZN)油的性能優異，目前深度精制的石蠟基油正逐步代替未精制或淺度精制的環烷基油。高粘度基礎油調配的乳化油潤滑性和防銹性較好，但其乳化性較差，表面活性劑用量會相對增加，同時乳液穩定性下降。基礎油粘度過低，形成的油膜太薄，不利于防銹潤滑。因此微乳化液基礎油的粘度要適中，通常選粘度較低易乳化的礦物油。 將水溶性添加劑溶于水中即得水相，水質量分數一般為10％～70％。水的硬度對微乳化體系的穩定性有重要的影響，軟水的乳化安定性、潤滑效果和防銹性較好，微乳化液壽命長，但易產生大量的泡沫；硬水不易起泡，但會使某些水溶性添加劑和表面活性劑失效，析出不溶水的金屬皂，微乳化液的安定性差。 微乳化液的形成是一個復雜的相變過程，各組份的加入有嚴格的要求。有研究表明，當水與基礎油(礦物油十油酸)的質量比大于4：1時，不能形成微乳化液。 2)表面活性劑 表面活性劑在微乳化液中的用量依據其親油親水平衡值(HLB)和乳化效率來確定，有些乳化劑的質量分數可達到40％，以保證分散相油滴足夠細化均勻，使整個體系高度穩定。表面活性劑是使油和水乳化的重要媒介，主要有離子型和非離子型表面活性劑及高分子生物表面活性劑等。 陽離子型表面活性劑在加工液中易滋生細菌，使加工液發臭，腐敗變質，故很少使用。陰離子型表面活性劑具有高效的清洗、潤濕和乳化作用，主要有磺酸鹽、聚氧乙烯醚磷酸鹽、烷基醇酰胺磷酸鹽、烷基咪唑啉類等。陰離子表面活性劑在低溫下比較難溶解，在酸性環境下易分解，所以一般在堿性條件下使用。陰離子表面活性劑抗硬水能力差，易起泡，易與水中的鈣、鎂、鋅等金屬離子生成難溶的金屬皂，影響工作液的性能和穩定，但乳化效率高，價廉易得，有一定的清洗、防銹和潤滑性能，故在水基加工液中常與非離子型表面活性劑復配使用。 非離子型表面活性劑大多在水中不電離，以分子或膠束狀態存在于溶液中，其親水基團一般由氧化乙烯基和羥基的含氧基團構成(調整分子中氧化乙烯基的數目可以改變非離子型表面活性劑的水溶性或油溶性)，不受強電解質無機鹽的影響，也不易受溶液酸堿性的影響。目前水基加工液中常用的非離子表面活性劑有脂肪醇聚氧乙烯醚AEO(俗稱平平加)、十二烷基酚聚氧乙烯醚(NPEO)和辛基酚聚氧乙烯醚(OPEO)、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷醇酰胺、失水山梨醇脂肪酸酯(俗稱司本)、聚氧乙烯山梨醇脂肪酸酯(俗稱吐溫)。在水基切削液中常將烷基酚聚氧乙烯醚與烷基苯磺酸鈉、平平加等復配使用。研究發現，烷基多苷(APG)具有良好的綜合性能，與聚氧乙烯型非離子表面活性劑不同的是它沒有濁點，與其他的表面活性劑復配效果好。目前研究出一種叫樹形高分子表面活性劑，具有較高的表面活性，在金屬加工液中應用取得了良好的效果。 配制水基加工液時通常將陰離子表面活性劑和非離子型表面活性劑搭配使用，使得HLB值相互匹配，乳化效率高，乳化劑用量少，微乳化液穩定，具有協同增效作用。含硅的表面活性劑有很高的表面活性和潤濕性，能顯著降低水的表面張力，特別是聚硅醚活性劑在不同的溫度范圍里既能消泡又能穩泡 J。含硼的表面活性劑沸點高，不揮發，高溫穩定性好，有抗菌作用，其在切削液領域的應用還有待進一步開發。 3)防銹劑 微乳化液中常用的油溶性防銹劑種類繁多，如石油磺酸鈉：環烷酸鋅、烷基磷酸咪唑啉鹽、氧化石油脂鋇皂、十二烯基丁二酸及羊毛脂鎂皂等。油溶性防銹劑的機理與油性劑的機理類似，防銹劑與油性劑在金屬表面發生競爭吸附，使微乳化液的極壓性能下降，故選擇防銹劑要綜合考慮與其他添加劑的配伍性能，提高微乳化液整體加工性能，通常將不同類別的防銹劑復合使用。 水溶性防銹劑主要有三乙醇胺、六次甲基四胺、苯乙醇胺、苯甲酸鈉、硅酸鈉、鉻酸鹽、鉬酸鈉、亞硝酸鈉、長鏈二元酸等。水溶性防銹劑多是電解質，用于微乳化液時會發生電解而影響微乳化液的 穩定性。亞硝酸鈉具有優良的防銹性能，但因會與有機胺反應生成有致癌作用的亞硝胺而被禁用，故出現了一系列可以替代亞硝酸鈉的新型防銹劑，如硼酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽及改性亞硝酸鈉衍生物等。在用量相當的情況下，硼酸鹽與羧酸鹽復配后的防銹性能與亞硝酸鈉相當。目前，環境友好型緩蝕劑受到了各國廣泛的關注，研發防銹性能良好、低毒性和生物降解性的水溶性防銹劑是近年來的主要方向。 4)油性劑 微乳化液中常用的油性劑有動植物油脂、高級脂肪酸，醇、酯、胺及金屬皂等。油性劑的性能取決于其本身的油性強弱，油性強，附著力大，油膜厚度增加，摩擦因數低。動植物油脂穩定性差，易被氧化，極易滋生細菌導致微乳化液腐敗發臭。但動植物油具有很高的生物降解性，非常符合現代環保理念，可通過對動植物油脂進行改性，提高其抗氧化性能。 5)極壓添加劑 國內常用的極壓添加劑有氯化石蠟、硫化脂肪、硫化棉子油、亞磷酸二丁酯、磷酸三乙酯等。氯化石蠟活性較強，極壓效果好，生成的氯化鐵化學反應膜熔點較低，但在有水時極易水解，生成具有強腐蝕性的氯離子，因此在微乳化液中時使用時必須加入腐蝕抑制劑。近年來研究發現，含氯系極壓添加劑的廢切削油(液)在燃燒處理時會生成具有強致癌性和致畸性的二惡烯類化合物，所以含氯極壓添加劑的使用受到嚴格限制，正逐漸退出使用。硫化異丁烯、長鏈烷基硫化烯烴等含有活性硫的極壓添加劑潤滑效果好，形成的硫化亞鐵化學反應膜熔點高，抑制積屑瘤和鱗刺的能力強。磷酸三丁酯、亞磷酸酯在金屬表面的吸附力較大，反應活性高，防燒結效果好。磷系極壓劑在引入氮、硫、硼等雜原子后減摩、抗磨性能優異，具有較高的承載能力。 6)殺菌劑 添加殺菌劑可以有效地增加微乳化液的使用壽命。常用的殺菌劑有鄰苯基苯酚、四氯代酚、對氯間二甲基苯酚、六氫化三吖嗪、三溴水楊酰胺等。酚類化合物和甲醛衍生物殺菌效果非常明顯，但有很多對人體，環境和水生物有毒害作用。在微乳化液中加入0．15％～0．2％的三丹油可以在3個月內不長細菌，氨基酸與環氧化物的加成物能長期抑制微乳化液腐敗。近年來，一些具有高效殺菌作用且對人員和環境危害小的新型殺菌劑成為研究的熱點，如羧酸制備的銅鹽具有1年以上的抗腐敗效果，檸檬酸單銅也有較好的抗菌效果，硼酸酯與表面活性劑復配也有較強的抗菌能力。 7)其他輔助添加劑 在微乳化液中經常使用到的輔助添加劑有消泡劑、助溶劑、偶聯劑、pH值調整劑、抗氧抗腐蝕劑、油霧抑制劑以及金屬離子掩蔽劑等。含表面活性劑多的微乳化液極易產生泡沫，故一般都要添加消泡劑，常用的消泡劑有硅油、油酸鉻和豆類植物油等。目前市場上出現的各種改性聚硅氧烷抗泡劑，效果很好。硅油難溶于水，通常將其溶于有機溶劑中，采用噴霧等方式讓其分散于微乳化液體系中。硅油不能多加，否則會使微乳化體系不穩定，易渾濁，用量一般在0．1％～0．3％。助溶劑和偶聯劑用來增加微乳化體系的穩定性，其性能取決于自身的親水親油值。 pH值調整劑用于調節微乳化液體系的pH值。微乳化液的pH值一般保持在8～10之間，過低則易滋生細菌，發生霉變；過高則腐蝕嚴重。常用pH值調整劑有三乙醇胺和碳酸鈉。抗氧抗腐蝕劑可以延長微乳化加工液的使用壽命，有效地降低使用成本。金屬離子掩蔽劑能絡合水中的鈣、鎂離子，有助于微乳化液體系的穩定。 微乳化液具有乳化液與合成液的性能，是金屬加工液的主流品種。微乳化液正向通用化和多功能方向發展，使微乳化液具有普遍適用性和液壓液的功能，又可解決一臺加工設備使用多種潤滑介質的問題。高效，長壽命是微乳化液今后發展的目標，延長微乳化液使用壽命可以減少廢液的排放，減少對環境的負面影響，研制安全，環境友好的微乳化液是時代的要求，也是微乳化液研究人員永恒的課題。 2.3.2.參考配方 組分 投料量(g/L) 32#基礎油 80~150 油酸 40~80 三乙醇胺 80~150 季戊四醇油酸酯 40~80 三乙醇胺硼酸酯 60~100 月桂醇聚氧乙烯醚 30~50 壬基酚聚氧乙烯醚 30~50 石油磺酸鈉 40~80 苯并三氮唑 30~50 異構十八醇 30~50 有機硅消泡劑 60~100 異噻唑啉酮 60~100 水 余量 三．市面常見金屬加工液 油基切削液、水基切削液、環保長效切削液、加工中心專用切削液、微乳化切削液、極壓切削油、拉絲油、金屬磨削液、玻璃磨削液、油基磨削液、水基磨削液、切削油、線切割液、切割冷卻液、線切割工作液、單硅片切割液、多晶硅切割液、藍寶石切割液 乳化液、沖壓油、淬火劑、高溫油、極壓切削液、、防銹油、發黑劑、拉深油 蘇州禾川化工新材料科技有限公司（簡稱：禾川技術），為企業，科研的生產研發提供專業化解決方案。禾川技術以蘇州大學為產學研基地，融合了中科院有機所、應化所、浙江大學、南京大學、蘇州大學、華東理工大學等多家科研機構與高校的外圍專家博士團隊，依托生物納米科技園、蘇州大學、中科院納米所強大的儀器測試平臺，憑借強大的科研實力，多年豐富的研發經驗，共同建立化工材料分析中心，新材料研發中心。禾川技術致力于化工行業材料檢測、材料分析、配方還原、新領域新材料的開發；推進新項目整體研發進度，縮短研發周期，推動化工產業自主研發的進程。 公司：蘇州禾川化工新材料科技有限公司 地址：江蘇省蘇州市工業園區星湖街218號 聯系人：胡工 手機;18862167716 電話：051282190669 郵箱：hechuanjishu@hechuanchem.com 網址：http://www.hechuanchem.com
