挥发性钢板冲压喷雾油的研制

李云鹏++赵宇++鱼鲲

摘要：挥发性钢板冲压喷雾油具有低黏度、易挥发、防腐防锈及润滑性能好的特点。根据钢板加工混合润滑的特点 选用精制的无色、无刺激性窄馏分轻质油作为基础油。通过考察不同油性剂和极压抗磨剂的摩擦性能筛选了双酯型油性剂和磷酸酯及硫磷剂进行复配以提高油品的润滑性能。同时选择了适合的防锈剂以保证油品具有良好的防腐防锈性能。并且根据实际工况条件要求建立了油品的部分模拟评定试验方法 研制的油品经过应用证明其性能可以满足实际加工工况的需求。

关键词：冲压油；挥发性试验；摩擦性能

中图分类号：TE6263文献标识码：A 文章编号：1002 3.1.19（2016）01 0026 07

0引言

金属板材冲压成形加工涉及到汽车、拖拉机、机械电力、航空航天、仪器仪表、军工国防和日用品等各个部门。在冲压加工中润滑油质量及其合理使用关系到加工工艺成败以及产品质量、模具寿命、生产效率和后工序能否顺利进行等问题。

冲压加工属于金属塑性加工的一种是通过模具对板料施加外力使之分离或产生塑性变形从而获得一定几何尺寸、形状和性能的零件加工方法。其适用于各类轧钢厂的不同材质、不同厚度的冲裁以及各种生活用品制造如饮料罐、洗衣机外壳、电视机显象管等。冲压加工用油占金属加工润滑剂的30%左右[1-3]。

冲压润滑油在冲压加工过程中起到非常重要的作用。20世纪八九十年代是国内冲压油品种、质量发展较为迅速的时期主要原因在于国内引进了许多冲压设备以及模具对冲压润滑剂的需求也较为急迫。如洛阳炼制研究所、上海石油商品应用研究所等单位相继开发了汽车行业用冲压油、彩色显象管零件冲压油、Dl罐冲压油、浴缸成型冲压油等产品[4-5]。由于冲压加工涉及领域、加工材料以及加工零件精、尺寸大小、变形复杂度的不同对冲压油的性能要求也各不相同加之全国各地相继从国外引进了多条冲压加工生产线因此目前国内已有的冲压油品性能不能完全满足冲压加工工艺的技术要求对一些特殊工艺、材质的冲压润滑尚需进口。

国外冲压油的研制工作开展较早目前的研究焦点主要集中在水基挥发性冲压油和油基挥发性冲压油其中日本在此方面的研究更加深入。他们的研究思路大致相同如Boshoku和住友轻金属公司的专利JP 2009073916[6]、JP 20100651.34[7]、JP 4485390[8]中都提出基础油从矿物油、异构烷烃中选取。由于环保要求都不使用含氯极压抗磨剂。但是油性剂和极压剂的选择也主要是选取硫代脂肪酸酯、胺类化合物住友公司特别在专利JP 20100651.34中选用了锰系有机羧酸金属盐作为抗磨剂取得了良好的润滑性但是成本过高。

由于现在国内外尚无冲压油的统一标准因此国内的研究机构多以国外进口冲压油产品为参比油进行研究工作。中国石油大连润滑油研发中心参比德国多用途万能拉延油研制出可满足汽车行业大、中零部件冲压润滑要求及其他行业钢板冲压润滑要求的多功能金属冲压油产品该产品具有优良的润滑性、渗透性、防锈性及可清洗性[9]。洛阳石化研究院研制的HC-L200挥发性冲压油主要用于空调两器生产中的铝翅片的冲压加工[10]。针对挥发性冲压油对挥发性能的要求选择适合的基础油是关键。吴世逵在挥发性冲压油的研究中采用SHD40溶剂油作为基础油[1.1]而杨基和则分别采用了三种深度精制的石蜡基基础油进行研究所研制的冲压油产品均能达到与参比油相当的性能[1.2]。由于挥发性冲压油的挥发性导致产品油膜厚度不大因此需要添加适宜的油性剂和极压抗磨剂来提高产品的润滑性能。戴恩期、张华豪都在产品中添加了脂肪酸酯类添加剂作为油性剂[1.3]而吴世逵则采用易于生物降解的硼酸盐系列添加剂作为极压添加剂。

通过以上文献可以看出采用窄馏分轻质油作为基础油可以满足产品对挥发性能的要求同时为了提高产品的润滑性能整个产品配方体系应该由适宜的油性剂、抗磨剂、防锈剂组成。

而此次研发的挥发性钢板冲压喷雾油属于挥发性冲压油是专门针对钢板冲切工艺条件所研发的润滑油品。目前市场上同类的进口产品有壳牌的Proformer 、福斯的RENOFOR UBO等系列产品售价在25000～35000元/t属于高收益产品。要求产品具有以下特点：①具有较低黏度易于喷涂于钢板表面；②在冲压成形加工后的加热条件下具有很好的挥发性不在产品表面遗留过多残留物不需清洗；③优良的润滑性能能在冲切过程中保护模具并且保证板材表面光滑；④具有良好的防锈防腐性能；⑤不含氯避免对操作人员的伤害。

1实验部分

1.1实验原料

实验所用添加剂和原料如下由淄博惠华石油添加剂有限公司提供：

加氢精制窄馏分油；合成酯；防锈剂（工业级）；硫磷型抗磨剂（工业级）；硫磷型抗磨剂B（工业级）。

1.2实验方法

1.2.1挥发性试验

1.2.2钢片锈蚀试验

钢片锈蚀试验是模拟加工工件的实际存储条件评价油品的防锈性能的自建试验方法。试验步骤：将100 mm×20 mm×1 mm的45号钢片均匀涂满挥发性冲压喷雾油然后在（1.20±1）℃温度下烘干5 min将钢片取出冷却至室温在室温条件下自然放置7 d然后观察钢片表面是否出现锈蚀情况。

1.2.3其他相关试验方法

其他所涉及的试验方法列于表1。

2结果与讨论

2.1基础油的选择

[JP3]挥发性冲压油的特点是：工件冲压时油品汽化吸热起到很好的冷却作用保证模具在相对低温下作用并且保证冲压制品不必进行后续清洗工序就具有良好的清洁性能。这要求基础油具有很好的挥发性能。同时油品在使用过程中与操作人员会产生皮肤和呼吸道接触 对油品的毒性控制要求很高 油品中应尽可能不含芳烃、烯烃、氯化物、硫化物等对人体有害的物质 并要求油品味道尽量小。此外为了便于形成喷雾不至于堵塞喷嘴该产品黏度要求很低要求40 ℃运动黏度在100～300 mm2/s因此选取几种低黏度的窄馏分基础油进行对比并加以筛选结果见表2。

表2是几种不同烃类组成基础油的性能对比结果。

从表2中可以看出基础油、B、C、E都具有馏程窄、挥发性好、低硫、低芳烃、无毒等特点可以作为产品基础油综合考虑原料的来源、成本等因素选取基础油B作为基础油组分。

2.2添加剂配方研究

冲压加工的润滑状态是流体润滑和边界润滑共存的混合润滑状态。基础油的黏度越大其油膜强度也越高而挥发性钢板冲压喷雾油所选基础油属于轻质油品黏度小在边界润滑条件下其油膜强度不能满足要求油膜容易破裂会引起金属与金属的接触产生烧结。所以需要使用油性剂和极压剂来弥补这一不足。

2.2.1油性剂的选择

（1） 油性剂与基础油的互溶性

在边界摩擦状态下油性剂分子的一端所含有一些极性基可使油性剂产生化学或物理吸附而基础油就存贮在这些分子的网络中在金属表面形成高韧性的润滑膜。一般来说随着油性剂含量的增加油膜强度逐渐增高摩擦因数会降低但增加油性剂会影响到油品的挥发性能。而且因为所选基础油为低黏度的轻质油品选择油性剂时同时要考虑其溶解性。

常用的油性剂一般是长碳链末端带有极性基团的脂肪酸、醇、酯等。因此分别选取不同类型的脂肪酸、脂肪醇和合成酯以质量分数为5%的加入量加入基础油B中考察其溶解性能。结果见表3。

从表3中可以看出合成酯与基础油的互溶性最好。因此可以从合成酯中挑选油性剂。

（2） 油性剂的摩擦性能

酯类油性剂一般分为：①以硬脂酸、油酸等一元脂肪酸与一元醇所形成的的单酯；②以癸二酸、己二酸等二元脂肪酸与一元醇所形成的双酯；③以三羟甲基丙烷、季戊四醇等形成的新戊基多元醇酯；④以多元醇和两个以上的脂肪酸合成的复酯。分别选取不同类别的酯类油性剂以一定的剂量加入基础油B中考察各个油样在四球机中各条件下的摩擦学性能结果见图1～图3。

从图1中可以看出油性剂的加入能够明显地提升基础油的PB值PB值可以表征油品的油膜强度因此表明油性剂的加入有助于大幅提高油品的油膜强度在实际工况下防止加工过程中油膜破裂造成工件表面损伤。而多元醇酯和双酯对基础油PB值的提升最为明显优于硬脂酸酯和油酸酯。但是油品的PB值也不宜过高否则会引起过量润滑导致工件与磨具间无法咬合或者由于油膜过厚产生“屏蔽效应”造成工件表面光亮度下降。

从图3中可以看出这几种油性剂的加入都能够明显降低基础油的摩擦系数但对基础油摩擦系数的影响力却不同。油酸酯加入后随着负荷的增加其摩擦系数也快速提高说明油酸酯在高负荷工况条件下对改善油品的摩擦系数贡献不大。硬脂酸酯、双酯和多元醇酯加入后在较低负荷下对油品的摩擦系数降低效果明显。硬脂酸酯的最大失效负荷小于686 N说明其高负荷下的减摩效果不佳须与其他油性剂复配；多元醇酯的摩擦系数随着负荷的增加变化很小说明其减摩性能优良；多元醇酯B在低负荷时其摩擦系数没有太大变化可是当负荷继续加大时摩擦曲线逐渐下降说明多元醇酯B尤其适合应用于较高负荷工况下；双酯和双酯B的摩擦曲线也没有太大的波动说明这两种油性剂均具有不错的减摩能力其中双酯的摩擦系数最低是最为理想的油性剂组分。

从以上各项摩擦性能可以看出双酯和多元醇不但能有效提高基础油的油膜强度而且还具有优良的减摩性能是油性剂的理想选择综合原料成本考虑最终选择双酯作为油性剂。

（3） 油性剂加入量的确定

油性剂的加入固然能够大幅提高基础油的减摩性能但是加入量过高不仅会影响产品的黏度而且会降低产品的挥发性能。因此将运动黏度和挥发性能作为考量油性剂加入量的指标结果见表4。

从表4中数据可以看出当双酯加入量超过20%时基础油的挥发性已经受到严重影响因此双酯的加量应控制在20%以下。2#、3#油样的抗磨性能均有好的表现。虽然3#油样中双酯的加入量比2#油样增加了5%但是其PB值与磨斑直径并未有大幅度的提高所以基于经济成本的考虑选择双酯的加入量为10%更为合理。

2.2.2极压抗磨剂的选定

在苛刻的边界摩擦状态下摩擦表面负荷很重吸附膜容易脱附而被挤出从而失去润滑作用产生磨损和烧结现象这时添加极压抗磨剂可以形成极性膜从而降低金属的摩擦和磨损。

极压抗磨剂大多为含有硫、磷、氯等元素的极性化合物。其中以硫化物、氯系极压抗磨剂提高油品极压性能的效果最好。但是此类添加剂酸值高易导致工件和模具生锈同时氯系极压抗磨剂对人体皮肤有很大的刺激性因此不采用此类极压抗磨剂而使用磷系极压抗磨剂。研究表明[14] 磷系酯类添加剂具有良好的热氧化安定性和抗磨性 同时其中的P元素在基础油中可提供有利于微生物繁殖的养分以提高润滑油的可生物降解性 故在生产中得到了广泛应用。磷型极压抗磨剂主要有亚磷酸酯和磷酸酯系列。其中亚磷酸酯的承载性能和抗磨性能明显地受到烃基的亚磷酸酯结构和链长的影响。但长链亚磷酸酯可起到磷酸酯的作用长链烃基起到油溶性的作用并且腐蚀也小这个结论已得到证实。对于钢铁材料的摩擦副 目前普遍认为磷酸酯类抗磨剂在摩擦表面可生成

FePO4化学反应膜 从而起到较好的抗磨作用和一定的抗擦伤作用。

挑选了2种磷酸酯添加剂和SP剂以不同的剂量与油性剂复配考察油品的抗磨性能结果见表5。

从表5中的数据可以看出当磷酸酯与油性剂复配时能有效提高油品的极压抗磨性能而当加入SP剂后油品的PB值可以得到进一步提高并且磨斑直径有明显的下降。这是因为引入了含润滑活性元素S 在摩擦副金属表面形成有效的边界润滑膜所以其极压抗磨效果得到了提高。因此将磷酸酯与SP剂复配油性剂有很好的增效作用。

2.2.3防锈剂的选择

冲压加工件一般会在烘干处理后在进行下一步工序。烘干处理后的加工件表面不可避免的会留有微量的残油这要求残油必须对钢板无腐蚀。因此要加入不易挥发的防锈剂来达成这一目标。防锈剂多为极性化合物吸附在金属表面上隔绝金属与腐蚀介质的接触从而起到防腐防锈的作用。

从常见的防锈剂中挑选了几种与其他功能剂复配进行了防锈性能的测试结果见表6。

从表6中的数据可以看出防锈剂、B均有不错的防锈效果。进一步考察防锈剂、B加量对油品润滑性能的影响。结果见图4。

从图4中可以看出随着防锈剂的加入油品的PB值明显降低这是因为防锈剂可以优先占据金属表面降低了极压抗磨剂的承载能力。而防锈剂B对油品润滑性能的影响更胜于防锈剂这与防锈剂极性基团的种类不同有关。因此可以确定选用02%的防锈剂就足以满足加工工件的防锈要求。

2.2.4产品配方体系的确定

根据以上试验结果可以确定挥发性钢板冲压喷雾油产品可以由以下成分组成：

基础油。选用精制的窄馏分基础油B。

添加剂组合物。其中包含①油性剂为双酯。②极压抗磨剂由磷酸酯和硫磷剂复配组成。③防锈剂。

2.3挥发性冲压喷雾油的性能评定

2.3.1产品性能评定

根据2.2.4所述配方体系制备挥发性钢板冲压喷雾油并对其进行理化性能的评定数据见表7。

2.3.2产品的低温稳定性

有些油性剂因温度降低而在油中的溶解度降低 从而影响油品的低温使用性能； 有些基础油由于所含烃类的影响 其低温性能不好。 用测倾点的办法通常不能很好地反映这种性能 为此建立了低温性能模拟试验方法。为了预防油性剂因温度降低而在油中的溶解度下降 出现沉淀 影响油品的使用性能 建立了低温性能模拟试验方法。将试验油品放入低温槽中 降温到设定温度（-10 ℃） 恒温放置7 d 观察油品的外观 产品未出现浑浊或沉淀现象 可以判断该油品的低温性能合格。

2.3.3产品性能对比

自制挥发性钢板冲压喷雾油与进口同类产品进行对比结果见表8。

从表8数据可以看出自制挥发性钢板冲压喷雾油与进口产品相比润滑性能优于进口产品防锈能力相当完全可以取代进口产品进行使用。

2.4产品的应用

在某开关设备制造公司进行了实际使用试验。试验采用连续自动冲压技术 全自动制带机制带高速冲床 157×106 N 负荷级进模自动连续冲压线。冲压件为板厚0 8 mm的冷轧钢板； 对比油为福斯RENOFOR UBO377； 试验周期为5 d 每天8 h 工作。将原使用对比油（ 进口冲压油） 的冲压机油箱进行彻底清洗后 换上自制的挥发型钢板冲压喷雾油 运转机器并滴油清洗润滑油路两次；冲压机更换新的冲压凸模进行试验。试验结束后停机检查模具冲压凸模磨损情况发现冲压凸模表面光亮无明显磨损；冲压件边缘光滑无明显毛刺合格率达到98%。并且跟踪5批工件数个生产周期后无腐蚀现象 且挥发油挥发性能优良。试验结果表明 自制的挥发性冲压喷雾油的润滑性、冷却性、挥发性以及耐腐蚀性等各项性能均达到生产工艺的要求 使用效果良好 无异味 生产的工件质量合格 油品的消耗量与进口油大致相当 性能达到进口挥发性冲压油水平 完全能够满足生产工艺的需要。

3结论

（1）采用低黏度窄馏分油B 作基础油 添加多种极压剂、油性剂、防锈抗腐剂等 所调制的挥发性钢板喷雾冲压油质量可以满足暂定指标要求 并且通过与同类进口喷雾冲压油对比发现其润滑性能优于进口油。

（2）通过实际的工业应用试验结果表明所研制的挥发性冲压喷雾油的润滑性、冷却性、挥发性以及耐腐蚀性等各项性能均达到生产工艺的要求。

参考文献：

[1]黎明摩托车的“前生”与“今世”[J]摩托车201.3（6）：1.1-2.2

中原洋一 2.1世纪冲压加工的重点因素[C]//中国锻压协会 2007（北京）中国国际金属成形会议—第三届中国国际金属切割、冲压、成形及制作会议暨中国锻压协会金属钣金及制作委员会成立大会论文汇编 北京：中国锻压协会2007：41

[2]张海滨 冲压概论[C]//菲尼克斯电气中国第二届菲尼克斯电气学术年会论文集 南京：菲尼克斯电气中国2008：188

[3] 张旭 车身冲压油现状与发展趋势[J]汽车工艺与材料201.2（7）：52-56

[4] 张旭 汽车零部件冲压油研制及应用[C]//中国汽车工程学会 第1.3届中国汽车工程学会燃料与润滑油分会论文集 重庆：石油商技2008：107

[5] 陈洋 轿车板材冲压油的研制[J]合成润滑材料201.2.39（1）：4-6

[6] Toyota Boshoku Corporation Lubricating Oils and ethod for Press Forming of Electrogalvanized Steel Sheets Using the OIls：JapanJP2009073916[P]2009

[7] Sumitomo Light etal Industries Ltd Lubricating Oils and ethod for Press Forming of （Stainless） Steel Sheets Under Them： JapanJP20100651.34[P]2010

[8] Toyota Boshoku Corporation Lubricant for etallic aterial Working and a ethod of Press Working a etallic aterial： JapanJP 4485390[P]2010

[9] 王洪斌 多功能金属冲压油的研制与应用[J]润滑油200520（5）：14-18

[10] 张华豪 HC-L200挥发性冲压油的研制及工业应用[J]石油炼制与化工200738（8）：44-47

[11] 吴世逵 挥发性冲压油的研制[J]润滑油20062.1（4）：10-1.3

[12] 杨基和几种冲压加工油的研制[J]天然气与石油2001.19（4）：40-42

[13] 戴恩期 环保高性能冲压拉深工艺润滑剂的研究[C]//中国机械工程学会 第九届全国冲压学术年会论文集 长沙：中国机械工程学会2008：80

[14] 李勇 HEDP作为润滑油抗磨剂的应用研究[J] 石油炼制与化工200637（2）：42-46