不同体系金属加工液表面性能研究

郎需进，张杰，尤龙刚，陈志忠，火鹏飞

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

不同体系金属加工液表面性能研究

郎需进，张杰，尤龙刚，陈志忠，火鹏飞

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

研究了油基金属加工液的运动黏度及水基金属加工液的表面张力变化对产品沉降性能和浸润性能的影响。结果表明，低黏度油基金属加工液浸润性能优于高黏度油基金属加工液，有利于金属碎屑的沉降；含有表面活性剂的乳化型金属加工液、微乳型金属加工液的沉降性能、浸润性能大幅提高。

金属加工液；黏度；沉降性能；浸润性能

0 引言

金属加工是机械制造中最主要的加工方法，使用金属加工液是提高加工质量和降低加工成本的重要方式。因此，金属加工液已变成一个产业，成为第二大工业润滑材料[1]。为了降低金属加工力及模具、刀具等与工件间的摩擦，提高加工效率和工件表面质量，金属加工对切削液的表面性能有较高要求，如浸润性能、沉降性能等[2]。这些性能对金属加工液能否起到良好的润滑、冷却、清洗作用至关重要。

一般来说，低黏度液体比高黏度液体渗透性好，油基加工液的渗透性比水基加工液渗透性好[3]。本文考察了不同黏度油基金属加工液在沉降性能及浸润性能上的表现差异，研究了水基金属加工液表面张力对其沉降性能、浸润性能的影响规律。

1 实验部分

1.1仪器与试样

1.1.1 仪器

克吕氏K100表面张力仪，德国克吕氏公司；CAV2100全自动运动黏度仪，美国CANNON公司；DMA4500密度计，奥地利Anton Paar公司。

1.1.2 试样

1#，2#，3#油基金属加工液；1#，2#，3#水基金属加工液，均为实验室配制。铝粉(分析纯)，天津市致远化学试剂有限公司；还原铁粉(分析纯)，天津市风船化学试剂科技有限公司。

1.2试验方法

1.2.1 表面张力测定[4]

使用吊片法进行表面张力测定。20 ℃温度下将金属铂金片垂直于测试液体表面之上，用外力将铂金片拉起，测量出此铂金片拉离液面所需的最大力。在理想情况下，此最大力线性相关于表面张力(γ)。

1.2.2 浸润性能测定

在固定直径与高度的石英管内装入固定量的铁粉，然后将石英管垂直于测试液体表面之上，测试开始时，表面张力仪自动控制其接触液面。

1.2.3 沉降性能测定

将一定量铝粉搅拌分散于测试液中，然后将固定直径的伞状金属粉末收集器倒立插入液体内固定深度，测试开始时，表面张力仪自动检测铝粉沉降在伞状金属内的质量。

2 结果与讨论

2.1不同金属加工液理化数据

试验用金属加工液理化性质测试数据见表1。

表1 各类金属加工液理化性质测试数据

注：*水基产品，未检测。

由表1可以看出，除黏度很小的轻油基础油外，其他油基加工液和乳化油的20 ℃表面张力均在30 mN/m以上，而微乳型加工液的表面张力较两者而言明显偏低；而由于水基加工液(工作液)中水含量非常高，所以其密度高于油基加工液。

2.2油基金属加工液表面性能分析

在恒温条件下，考察了不同表面张力、黏度油基加工液产品的沉降性能和浸润性能，结果如图1、图2所示。

图1 不同黏度油基加工液的沉降性能

图2 不同黏度油基加工液的浸润性能

由图1、图2可见，从曲线斜率上可以判断，铝粉在三种油基加工液中的沉降速度和浸润速度的大小顺序均为1#油基加工液>2#油基加工液>3#油基加工液。其中，铝粉在1#、2#和3#加工液中沉降完成时间分别为10 s、200 s和大于200 s；1#、2#和3#加工液浸润全部铁粉的时间分别为20 s、550 s和大于800 s。究其原因，加工液的黏度决定了油基产品沉降性能和浸润性能的优劣。因此，在选用侧重沉降性能或浸润性能的油基金属加工液时，应首先考虑运动黏度因素。其次，油基加工液产品的表面性能也相关于其表面张力。图1中沉降平衡时沉降量的不同是由伞状金属粉末收集器上方悬浮的铝粉多少造成的，图2中加工液的最终吸附量的不同则是由加工液密度、铁粉量决定。

2.3不同基础液金属加工液表面性能分析

考察了不同基础液(油基、水基)金属加工液产品的沉降性能和浸润性能，结果如图3、图4所示。

图3 不同基础液金属加工液的沉降性能

图4 不同基础液金属加工液的浸润性能

由图3可见，从曲线斜率上可以判断，虽然2#油基加工液的表面张力小于2#、3#水基加工液，但铝粉在水基加工液产品的沉降速度明显快于所有的油基产品。其中微乳型产品略优于乳化油型产品，原因为水基产品中含有大量乳化剂，降低了体系的表面张力，从而对金属表面的浸润速度较快。

由图4可见，不同基础液的金属加工液的铁粉浸润性能规律与图3所示规律相同，即水基加工液浸润(渗透)铁粉的速度较油基产品快，而水基产品中微乳型产品快于乳化油型。不同基础液加工液的表面张力大小与其表面性能之间无明显对应关系，同基础液的加工液表面张力与其表面性能之间有一定对应关系。

3 结论

(1)除黏度很小的轻油基础油外，油基金属加工液与乳化油型加工液的表面张力大小相当，明显高于微乳型产品。

(2)油基金属加工液产品的黏度对产品沉降性能和浸润性能影响至关重要。黏度越小，金属粉末沉降越快，液体在金属表面吸附、浸润越快。

(3)水基金属加工液的沉降性能、浸润性能明显优于油基产品。微乳型加工液产品的沉降性能、浸润性能等表面性能略优于乳化油型产品。

(4)由于水基和油基是两种不同基础液体系，不能仅依据表面张力进行其表面性能的预判。

[1] 李茂生.金属加工液的开发应用与评价方法[J].润滑与密封，2010, 35(11):123-127.

[2]王文昌，陆春，顾浩.黏度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究[J].太阳能学报，2015, 36(2):387-391.

[3]王先会.金属加工油剂选用指南[M].北京：中国石化出版社,2013：85.

[4]李明远，吴肇亮.石油乳状液[M].北京：北京科学出版社,2009:132-133.

Study on the Surface Properties for Metalworking Fluids with Different System

LANG Xu-jin, ZHANG Jie, YOU Long-gang, CHEN Zhi-zhong, HUO Peng-fei

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

The influence of kinematic viscosity change of oil-based metalworking fluids and surface tension change of water-based metalworking fluids on the sedimentation and infiltration properties of the products was investigated. The result shows that，the lower viscosity is good for the infiltration property of oil-based metalworking fluids，and is conductive to the settlement of metal debris. The sedimentation property and infiltration property of emulsified oil and microemulsion increase significantly because they contains lots of emulsifier.

metalworking fluid; viscosity; sedimentation property; infiltration property

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.007

1002-3119(2017)05-0033-03

TE626.39

A

2017-06-29。

郎需进，高级工程师，2004年毕业于兰州大学化学化工学院，从事金属加工液产品研究工作，已公开发表论文10余篇。E-mail：langxujin_rhy@petrochina.com.cn