礦物型切削油的研制

王月慧，張珍，王海軍，于佩華

(中海油氣(泰州)石化有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近十幾年來,隨著切削技術不斷提高、先進切削機床不斷涌現(xiàn)、刀具和工件材料不斷發(fā)展，推動了切削液技術的進步。切削液的用量占工業(yè)潤滑油總用量的8%左右，其中水基與油基的比例為6∶4[1]。礦物油是一種混合物，由不同碳氫化合物組成，根據(jù)烴類組成不同可以分為石蠟基、環(huán)烷基及芳香烴基3類。其中石蠟基油所占比例較高；芳香烴基含量少的基礎油油品黏度隨溫度變化較小，具有較高的黏度指數(shù)，性能穩(wěn)定[2]，適合用來調配切削油。油性切削油的基礎油一般采用低黏度礦物油，與特殊添加劑復配制成切削油。與水溶性切削油相比，油性切削油一般潤滑性較好，壽命長，對皮膚刺激較小[3]。

我國切削油研究水平進步顯著，但切削油評定標準仍然不統(tǒng)一，這是由于金屬切削加工工藝存在多樣性，導致切削油由眾多的小企業(yè)進行生產[4]，切削油的市場也呈現(xiàn)出一種分散和多樣化的格局。目前，國外切削油的發(fā)展趨勢為生產廠家逐漸由小廠家轉為大型石油公司或合并成為大公司，切削油向標準化、系列化、通用化方面發(fā)展。

為了滿足市場巨大的需求潛力，并提高自產潤滑油基礎油的利用率和附加值，填補礦物型切削油產品領域的空白，筆者團隊開發(fā)出了2款市場主流礦物型切削油，并制定了企業(yè)標準(表1)，進一步實現(xiàn)產品的工業(yè)轉化與應用。

表1 礦物型切削油企業(yè)標準

1 實驗部分

1.1 基礎油體系

基礎油是切削油液的功能組分，也是切削油液中各種添加劑的載體[5]，這就要求基礎油的顏色淺、揮發(fā)性小、氣味小、無污染，同時，基礎油應具有良好的溶解性，理想情況下還需要適當保留油品中天然的極壓和抗氧化組分[6]。因此，以低黏度餾分油為原料進行切削油液專用基礎油的開發(fā)和研究。

利用40×104t/a石蠟基潤滑油高壓加氫裝置，以二段高壓加氫工藝生產不同黏度的優(yōu)質Ⅱ+和Ⅲ類基礎油，其性質如表2所示。

表2 石蠟基基礎油分析數(shù)據(jù)

由表2可知：通過調整2 mm2/s、6 mm2/s的比例可以滿足產品M10A/M10B的黏度要求；二者的閃點均可滿足高溫儲存的安全性；從傾點來看，作為基礎油組分，2 mm2/s、6 mm2/s具有優(yōu)越的低溫性能。因此，認為2 mm2/s、6 mm2/s作為基礎油組分較為理想。

1.2 極壓抗磨劑

篩選了幾款不同類型的極壓抗磨劑，分別為硫化烯烴型(A)、硫化聚合酯(B)、硫化植物油(C)、硫化甲酯(D)、亞磷酸酯(E)、聚合酯潤滑劑(F)，將其按照一定的比例加入調合基礎油中，通過四球實驗考察極壓劑類型及添加比例對PB/PD值的影響(表3、表4)，篩選出合適的極壓抗磨劑。

表3 極壓劑類型及添加比例對PB的影響 N

表4 極壓劑類型及添加比例對PD的影響 N

由表3、表4可知：硫化聚合酯、亞磷酸酯對PB和PD的影響均比較優(yōu)異，二者提高PB值的能力最佳，提高PD值的能力也高于硫化甲酯、硫化植物油；硫化烯烴添加比例為3%時可以獲得最佳PD值，但對于PB的影響一般；硫化植物油對于PB和PD的影響一般；聚合酯潤滑劑對PB和PD的影響均最低。通過價格比較可知，硫化烯烴及硫化甲酯價格優(yōu)勢明顯，在滿足產品性能要求的前提下，產品具有很好的競爭優(yōu)勢，因此分別選擇硫化烯烴及硫化甲酯作為M10B/M10A配方的優(yōu)選極壓抗磨劑。

1.3 防銹劑

磺酸鋇是目前應用最廣泛的防銹劑，具有優(yōu)良的熱安定性和抗潮濕、抗鹽霧性能，人汗置換和水膜置換性能也較好，適用于多種金屬的防銹。水分、汗液是引起工序間銹蝕的主要原因[7]，因此選擇3種不同牌號的磺酸鋇類防銹劑進行性能實驗(表5)，其中實驗溫度為(49±1)℃，相對濕度大于95%，實驗對象為45號鋼片。由表5可知，3種防銹劑對鋼的防銹效果相近，加入3.0%的防銹劑即可取得較好的效果，實驗5 d無銹蝕。

表5 防銹劑性能篩選

磺酸鋇類防銹劑與其他防銹劑復合使用可進一步提高油品的水置換、人汗置換性能及抗?jié)駸嵝裕芍脫Q金屬表面沾附的水分和汗液，防止人汗造成銹蝕，同時，其吸附于金屬表面并生成牢固的保護膜，可防止外來腐蝕介質的侵入。此類防銹劑主要包括高碳醇、環(huán)己胺、N-油酰肌氨酸、十二烯基丁二酸(T746)、羧基苯硬酯酸、油酸等[8]。此次研究通過考察3號磺酸鋇類防銹劑及T746復配效果及用量[9]確定切削油配方(表6)。由表6可知，3.0%的3號防銹劑與0.3%十二烯基丁二酸(T746)防銹劑復配，油品抗潮濕性能有較大提高，濕熱實驗10 d未見銹蝕，脫水速度明顯提高。

表6 復合防銹劑的防銹效果

1.4 金屬減活劑

噻二唑衍生物類金屬減活劑T571是傳統(tǒng)噻二唑衍生物T561的升級替代產品，硫含量可達31%以上。T571是以噻二唑、長分子鏈烷硫醇等為原料在大分子主鏈中引入S、N等具有抗磨活性的雜原子，經復雜氧化偶聯(lián)反應制得的黃褐色透明液體[10]。該產品油溶性極好，具有極壓抗磨性、抗氧性、抗腐性及降低金屬活性的能力，與T561相比抗氧化性更佳。T571廣泛應用于汽車發(fā)動機油、齒輪油及金屬切削液中。在潤滑油中，T571作為極壓抗磨劑，能顯著抑制潤滑油在使用過程中產生的硫化物的腐蝕性，是極佳的抗氧化劑[11]。其特點是低劑量、高性能，在油品中使用與有色金屬表面作用形成保護膜，有效地防止添加劑中活性硫和氧化作用產生的酸性物質對金屬引起的腐蝕，同時，也抑制了金屬及金屬離子對油品的催化氧化作用，避免使其喪失活性質點[12]。由于設備對潤滑劑有一定負荷的要求。為適應工況，該類潤滑劑必須使用活性硫，而活性硫可能與金屬表面發(fā)生不良反應。硫化甲酯中硫的含量為17%，在較高的溫度下易轉變?yōu)榛钚粤?，對設備形成腐蝕。此時加入一定金屬減活劑將起到保護作用。開展銅片腐蝕性能實驗，分析T571添加量分別為0%、0.2%、0.3%時銅片腐蝕結果(表7)。由圖7可知，T571添加量為0.3%時抗銅腐能力最佳。

表7 硫化甲酯切削油銅片抗腐蝕性能評價

硫化烯烴型為硫烯型極壓劑，含硫量為37%，較高的溫度下會快速、大量地轉化成活性硫。硫化異丁烯之所以性能優(yōu)異，與其合理的硫鍵結構密不可分，但抗銅腐表現(xiàn)欠佳。因此，測試極壓抗磨劑為硫化烯烴型時不同T571添加量對銅腐的改善性能，結果如表8所示。由表8可知，添加量為0.4%時對銅腐改善性能最佳，達到1a級別。

表8 硫化烯烴型切削油銅片抗腐蝕性能評價

2 切削油配方組成及評價

2.1 M10A

該型號的切削油適用于鋼、銅、鋁、鎂等金屬中負荷加工，尤其是在進口機床高速工藝中作為潤滑介質，油品具有優(yōu)良的潤滑、冷卻性能及低油霧性。該配方擬通過加入一定劑量的極壓劑來改善基礎油的負荷級別，其具體配方比例如表9 所示。

表9 切削油M10A配方

油品在長期儲存或高溫使用工況下，表現(xiàn)為酸值增高，黏度增大，生成含氧化合物，如醇、醛、酸、酯、羥基酸等，各種有機酸類產物還會造成金屬的腐蝕。因此，配方中加入少許劑量的T501酚類抗氧劑可以改善產品的儲存穩(wěn)定性及高溫使用工況油品的可循環(huán)性，提高油品的使用經濟性[13-14]。M10A切削油的理化性質見表10。

表10 切削油M10A基本理化性質

2.2 M10B

該型號的切削油適用于金屬的拉削、絞削、攻牙、齒輪加工等多種工藝的加工潤滑，也適用于不銹鋼等難加工材料的重負荷加工潤滑，尤其是在深孔鉆鏜床中作為潤滑介質。油品應具有優(yōu)異的潤滑性能，能提高加工面的光潔度，延長刀具使用壽命；抗油霧能力強，利于環(huán)境改善。其配方見表11，理化性質見表12。

表11 切削油M10B配方

表12 切削油M10B基本理化性質

在相同硫含量條件下，硫化烯烴型產品往往具有較好的極壓性能和較差的溶解性。該配方與基礎油相容性較差，經過配方改善添加3%肪酸雙脂可以改善溶解性不佳的現(xiàn)象(圖1)。圖中，從左到右分別為添加0%、1%、2%、3%脂肪酸雙酯的切削油，由圖可知，添加量為3%時，油品澄清透明，透光性好。

圖1 添加不同含量脂肪酸雙酯的切削油

硫鍵的結構對極壓劑的性能起到重要的作用。硫的存在方式主要有C-S和S-S鍵2種，其中：S-S鍵的鍵能較小，較為活潑，有利于金屬硫化物的快速生成，但同時會導致有效組分消耗過快，產品腐蝕性大，含活性硫較多的組分往往用在金屬加工油中；C-S鍵較為穩(wěn)定，在較高溫度和摩擦下S才會被釋放，更加適用于長期處于較高負荷條件下運轉機械的潤滑。制備性能較好的齒輪油極壓劑，要求在保證硫含量的基礎上，將盡可能多的硫元素放在C-S鍵中而非S-S鍵中。硫化異丁烯之所以性能優(yōu)異，與其合理的硫鍵結構密不可分。

3 結論

(1)開發(fā)出了2款切削油，可應用于金屬切削、磨削、沖壓、拉拔等金屬加工過程中，具備良好的潤滑性能、冷卻性能、防銹性能等特點，對節(jié)能環(huán)保具有一定的意義。

(2)依托自產基礎油優(yōu)勢以及先進的105t/a調油裝置，可以開發(fā)及生產出滿足市場要求的切削油，產品具備一定的市場競爭力。