镁合金微乳化加工液的试制研究

张丽,宋爱华

(1.无锡英荷石化制品有限公司,江苏无锡214151;2.中国石油大连石化分公司石油添加剂厂,辽宁大连116100)

镁合金微乳化加工液的试制研究

张丽1,宋爱华2

(1.无锡英荷石化制品有限公司,江苏无锡214151;2.中国石油大连石化分公司石油添加剂厂,辽宁大连116100)

阐述了研制镁合金微乳化加工液的过程,根据镁合金金属的特殊性能,通过对基础油、表面活性剂、防锈剂和缓蚀剂、润滑剂、pH值调节剂等功能型添加剂复配的研究,制得了该镁合金微乳化液。试验结果表明研制的镁合金微乳化加工液性能稳定,具有优良的润滑、冷却、清洗、防锈、防腐性能,较高的抗硬水稳定性能,且无毒无味,对皮肤无刺激,能满足镁合金加工的各项要求。

镁合金;微乳化液;金属加工

Abstract:The research and devel opm ent p rocess of m icroem ulsified m etal working fluid for m agnesium alloy w as expatia2 ted.According to the specialperform ance of m agnesium alloy,through selecting base oil,surface active agent,antirust a2 gent,corro sion inhibiter,lubricant,pH regulator agent and other functional agents,the m icroem ulsified m etal w orking fluid form agnesium all oyw as obtained.Results of evaluation experi m ent show ed that the developed m icroem ulsified m etal w ork2 ing fluid fo rm agnesium all oy possesses excellent properties of lubricating,coo ling,cleaning,anti-rust,anti-corrosi on and higher hard w ater resisting stability,w ith non-toxic,tasteless and nonirritating to the skin.It can satisfy the processing re2 quirem ents of m agnesium alloy.

Key words:m agnesium alloy;m icroem ulsified fluid;m etal wo rking

0 前言

镁合金具有质量轻、比强度高、导热性好及优良的吸震性和电磁屏蔽性,且可回收性能和机械加工性能好,被誉为21世纪绿色金属结构材料[1-3],广泛运用于汽车、摩托车、机械、航空、航海、国防以及3C产品、手动工具等领域,因此,镁合金加工液的研究和开发,对提高我国金属加工液的水平,满足市场需要,取代国外产品具有重要的现实意义和明显的经济效益。

1 镁合金加工过程中的问题

镁是活泼金属,标准电极电位较负,其表面氧化膜一般都稀疏多孔,致使镁合金耐腐性极差,给镁合金零部件的加工带来一系列问题:镁离子易溶于水溶性切削液中,极大地增加了总硬度,使切削液失效;镁合金切削粉末易在工具和机械上形成沉积物;镁合金加工容易腐蚀变色。因此,镁合金的加工对于切削介质的要求十分苛刻,在设计开发时必须找出解决办法。

2 研究部分

2.1 镁合金微乳化液的暂行技术指标

在ISO及我国国家标准中微乳液一直没有产品标准可参考,因此根据机械行业标准JB/T 7453和日本J IS K2241标准及镁合金微乳型水基加工液的特殊性制订了镁合金微乳化加工液的暂行技术指标,见表1。

表1 镁合金微乳化液暂行技术指标

2.2 镁合金微乳化液的制备

微乳液是一种介于乳化液和合成液之间的新型金属加工液产品,不仅具有乳化液良好的润滑性、防锈性和合成液清洗性好的优点,还克服了乳化液易变质、发臭、使用寿命短及合成液润滑性差的缺点,具有润滑性防锈性好,冷却清洗能力强,使用寿命长等优异的综合性能。在制备中选择了油相和水相两相混合法,将水相滴加到油相中搅拌直到透明后,再加杀菌剂、消泡剂充分搅拌即得到微乳型金属加工浓缩液。

2.3 基础油

基础油不仅本身起润滑作用,同时也是油溶性添加剂的载体,与缓蚀剂一起在金属表面形成定向吸附层,增强缓蚀剂分子吸附层的密集性。微乳液中基础油含量为5%～30%,远远低于乳化油中基础油含量,但也是影响油基稳定性的主要因素。另外,微乳液优异的综合性能需要通过加入大量的各种添加剂才能得以体现,一定程度上使油基稠化,增加产品粘度。因此,应选用粘度较低的润滑油基础油。同时,为了保证运输、储存的安全,选择的基础油闪点不宜太低[4]。

通过实验,选择了45号变压器油作为微乳化浓缩液的基础油。

2.4 表面活性剂

表面活性剂的分散、乳化、增溶等作用实现了微乳液中分散相的高度细化和体系的稳定性。镁合金加工过程中,镁离子极易溶解在水基切削液中,从而增加了总硬度使切削液产生混浊、浮渣、沉淀等问题,导致乳化液稳定体系的破坏,因此,配方中需加入抗硬水的非离子表面活性剂。另外,要得到微乳化液,需HLB=10～13,故选择了T702石油磺酸钠(HLB=11.2)做乳化剂,并与非离子表面活性剂进行复配,获得一个均匀稳定体系。

试验中,T702和非离子表面活性剂的不同配比,对微乳液的抗硬水能力、乳化分散能力和镁合金片在其中的溶解能力影响很大。抗硬水能力,采用5000μg/g人工硬水(MgSO4·7H2O和CaCl2)对其进行测试;乳化分散能力,采用观察5%微乳液浓缩液在盛有自来水的100 mL具塞量筒中的溶解状态进行分析判断,结果见表2。镁合金片在微乳液中的溶解能力,采用将打磨洗涤吹干后的镁合金片(同质量同表面积同体积同形状)浸在(70±2)℃5%稀释液中(用蒸馏水稀释),在12 h、24 h、36 h、48 h时分别测定该稀释液的硬度,硬度越高,说明镁合金片在该微乳液中越容易溶解,反之,亦然。结果见图1。

表2 不同配比T702和非离子表面活性剂对微乳液抗硬水能力及乳化分散能力的影响

图1 在(70±2)℃时不同配比T702和非离子表面活性剂对镁合金片溶解能力的影响

由表2不同配比T702和非离子表面活性剂对微乳液抗硬水能力及乳化分散能力的影响和图1在(70 ±2)℃时不同配比T702和非离子表面活性剂对镁合金片溶解能力的影响,经综合分析评定,T702和非离子表面活性剂在微乳液中的比列应选择3号配比。

2.5 防锈剂和缓蚀剂

防锈是金属加工液的主要性能之一,在微乳化液中加入防锈剂,确保工件、刀具及机床不受乳化液的侵蚀。

其次,由于镁的化学活泼性较强,使其加工时无论在酸性、中性和弱碱性介质中都不耐蚀,只有在pH值大于11的碱性溶液中,由于生成稳定的钝化膜,镁合金是耐蚀的,但pH值过高会伤害操作者皮肤。为解决镁腐蚀问题,通常加入镁缓蚀剂。据文献报道[5],镁在含有S iO23-离子的溶液中可形成保护膜,腐蚀速度较慢。但微乳液中不同Na2S iO3含量对油基状态影响较大,结果见表3。

表3 微乳液中不同Na2Si O3含量在微乳液浓缩液中的比较

由表3微乳液中不同Na2Si O3含量在微乳液浓缩液中的比较确定Na2SiO3在微乳液中的含量为0.1%。

2.6 润滑剂

在金属加工时,为减小被加工的金属发生塑性和弹性变形,需在金属加工液中加入润滑剂。经试验,含有S、Cl、P、B元素的极压抗磨剂对镁合金均有严重的腐蚀现象,结果见表4。因此,选择了非S、Cl、P、B系的高级脂肪酸酯作为润滑剂。

表4 含有S、Cl、P、B元素极压抗磨剂对镁片的影响

在镁合金微乳液浓缩液中加入10%的润滑剂,通过考察浓缩液的油基状态、极压抗磨性能、镁合金腐蚀情况进行筛选,见表5、图2。

表5 几种高级脂肪酸酯在微乳液浓缩液中的比较

图2 几种高级脂肪酸酯四球极压试验负荷-磨痕对比

由表5几种高级脂肪酸酯在微乳液浓缩液中的比较及图2四球极压试验负荷-磨痕对比可知,虽然酯C的极压抗磨性能较好,但对镁合金有腐蚀;酯D虽有较高的PD值,但在相同负荷时的磨痕都较大;酯A不管在相同负荷时的磨痕来看,还是PD值来看,较酯B都差,综合评定选择酯B为微乳液的润滑剂。

2.7 pH值调节剂

微乳液体系的pH值应保持在8～10之间,pH值过低,滋生细菌霉变,导致加工液的腐败和工件、机床的锈蚀;pH值过高,降低润滑性,还会伤害操作者皮肤。

实验选用了几种常用pH值调节剂,通过考察镁合金腐蚀情况和5%稀释液的pH值来选择合适的pH值调节剂,结果见表6。

表6 不同pH值调节剂的比较

由表6不同pH值调节剂的比较可见,既能使5%稀释液pH值在8～10范围内,又能使镁片不产生腐蚀的pH值调节剂为特殊胺。

2.8 其他添加剂

微乳化液中还需加入消泡剂、杀菌剂等辅助添加剂来提高微乳液的使用性能及寿命。

2.9 复合配方的确定

根据以上实验结果,通过正交试验筛选和配方优化,最终确定了镁合金微乳化加工液的配方,见表7。

表7 镁合金微乳化液配方

3 镁合金微乳化加工液的综合性能

参照镁合金微乳化加工液暂行标准,对研制的镁合金微乳化加工液的性能进行了全面测试,测试结果见表8。

4 结论

根据镁合金的加工特点,制备的镁合金微乳化加工液不含氯、磷、硼、二胺、亚硝酸盐及其他硝基化合物,具有良好的润滑、冷却、防锈、清洗性能,较高的抗硬水性能,不侵蚀镁合金,低泡沫性,达到了暂定的技术指标,可用于镁合金材料的加工。

[1]Fleteren R V.Magniesium forAutomotiveApplications[J]. AdvancedMaterials&Process,1996(5):33-34.

[2]Bralower PM.AutomotiveDie CastMagnesium Reviving up for the 21stCentury[J].Die Casting Engineer,1997(5/6): 68-70.

[3]陈振华.镁合金[M].北京:化学工业出版社,2004:5.

[4]孙成杰,黄宁,曹美娟.MAF-1#微乳型水基切削液的研制[J].润滑油,2004,19(4):43-47.

[5]吴振宁,李培杰,刘树勋.镁合金腐蚀问题研究现状[J].铸造,2001,50(10):583-586.

Research and Development of M icroemulsified M etalworking Fluid for Magnesium Alloy

ZHANG Li1,SONG Ai-hua2
(1.W uxiRoyalDutch Petrochem ical Products Co.,Ltd,W uxi214151,China; 2.Dalian Petroleum Additive Factory,PetroChina Dalian Petrochem icalCompany,Dalian 116100,China)

TE626.39

A

100223119(2010)0120023204

2009-02-10。

张丽(1984-),女,助理工程师,理学学士,2007年毕业于南京晓庄学院化学系化学分析技术专业,现任无锡英荷石化有限公司技术总监,从事润滑油脂技术研发工作。