自乳化酯在全合成切削液中的性能研究*

曾海燕 王一助 戴恩期 向 晖

(广州机械科学研究院有限公司 广东广州 510700)

水基金属加工液具有冷却效果好、可节约能源和提高工作效率等特点，已广泛应用于金属加工工艺中，起到良好的使用效果。水基金属加工液产品可分为乳化油、半合成液和全合成液三大类[1]。全合成切削液具有使用寿命长，易于再生处理等特点，随着近年来环保要求越来越严格，已广泛用于金属加工过程中[2-4]。全合成液含水量高，冷却效果非常优异；但其不含油，润滑效果一般，一般通过添加大量润滑极压剂以提高其润滑效果[5-6]。

自乳化酯由于其特殊结构，具有优异的生物降解性能和低毒特性。考虑到其兼具乳化性和酯类化合物的润滑性，研发工程师将其用于金属加工液配方研发中，在润滑和抗泡方面取得了良好的应用效果，近年来已广泛应用于金属加工液中[7]。研究表明，使用高分子量的自乳化酯可以有效提高金属乳化切削液的润滑性能，已成为开发润滑性能优异、使用寿命长的金属乳化切削液的重要添加剂之一[8]。

传统合成切削液其润滑剂主要以聚醚或脂肪酸为主，聚醚的润滑效果主要体现在它的逆溶性，当切削温度高于聚醚的浊点时，聚醚从溶液中析出形成油滴状，为切削加工提供良好的流体润滑[9]。但以聚醚作为润滑剂的全合成切削液，普遍存在润滑性能低、聚醚析出粘附金属屑；以四聚蓖麻油酸酯等脂肪酸类作为润滑剂的全合成切削液，存在泡沫大、抗硬水差、易滋生细菌、使用寿命短等问题[10]。为探讨自乳化酯作为全合成切削液主润滑剂的可能性，本文作者采用市售的聚醚、四聚蓖麻油酸酯、自乳化酯3种材料作为润滑剂，调配了不同的合成切削液配方，借助Micro Tap攻丝扭矩和四球抗磨性能和泡沫特性等试验方法，对3种材料的润滑性、抗磨性能和泡沫性能进行对比分析。

1 试验部分

1.1 试验材料

主要试验材料：自乳化酯Priolube 3952，工业级；聚醚RPE 1720，工业级；四聚蓖麻油酯Hostagliss L4，工业级；耦合剂，工业级。

Priolube 3952自乳化酯主要是以植物油中大量的不饱和键与不饱和脂肪酸或酸酐进行加成，再用氨基醇将羧酸或酸酐进行部分酯化[11]。自乳化酯结构中同时含有酯基团和较多强极性基团(如羧基、羧酸根)，这类自乳化酯以游离酸形式存在时酸值较大，使用时需要用一定量的碱性物质加以中和[12]。该自乳化酯具有植物油优异的润滑性能，且结构中不含聚氧乙烯醚链段，抗泡沫性能优异[13]。

1.2 合成切削液的配制

以市售的聚醚、四聚蓖麻油酸酯、自乳化酯作为润滑剂，调配5种合成切削液配方，如表1所示，同时还配制了参比样R。

表1 切削液配方

1.3 试验方法

(1)四球摩擦磨损试验

使用四球抗磨试验机，按照D-4172标准来测定质量分数10%全合成切削液的磨斑直径和摩擦因数。

(2)攻丝扭矩试验

采用Micro Tap G8型攻丝扭矩试验机测定全合成切削液的润滑性能。扭矩试验机是模拟金属攻丝加工的实验方法，通过使用丝锥在试验板材上进行攻丝试验，选用不同的切削液作为冷却介质，采集攻丝过程中的扭矩，参照ASTM D—5619方法进行数据处理。试验条件如表2所示。选取其中一个样品作为参比样品，采用相对效率来比较润滑性能的优劣。计算公式为

表2 Micro Tap攻丝扭矩试验机的试验条件

(3)泡沫试验：参考CNOMO的D655212方法的液体循环试验来评价全合成切削液的泡沫性能。

2 试验结果与讨论

2.1 自乳化酯的润滑性能研究

5种合成切削液样品在Micro Tap攻丝扭矩试验机上进行润滑性能对比实验，结果如表3所示。比较不同自乳化酯添加量的样品C、D和E的结果可知，随着自乳化酯添加量的增加，合成切削液的润滑性能提升；比较样品A、B和C的结果可以得出，在相同添加量的情况下，自乳化酯与四聚蓖麻油酸酯的润滑性能大体相当，且显著优于聚醚的润滑性能；比较样品A和E的结果可以看出，添加质量分数5%自乳化酯的样品E与添加质量分数15%聚醚的样品A的润滑性能基本相当。由此可见，对于钢和铝合金加工，在切削液中添加一定量的自乳化酯，具有和四聚蓖麻油酸酯相当的润滑性能，且显著优于聚醚类添加剂的润滑性能。这是由于自乳化酯利用植物油(不饱和程度较高的大豆油或菜籽油)中的不饱和脂肪酸进行加成和部分酯化，这种自乳化酯由于结构中的极性基团较多，且其脂肪酸碳链聚合加成，在金属表面具有较强的吸附性能，因而具有良好的润滑性能。

表3 切削液攻丝扭矩试验结果 单位：%

2.2 自乳化酯的抗磨性能研究

选用质量分数为10%的切削液，在四球试验机上在196 N负载下长磨30 min，测试各切削液润滑下的摩擦因数、磨斑直径，考察自乳化酯、聚醚、四聚蓖麻油酸酯3种润滑剂的减磨、抗磨效果。结果如图1、2所示。

从图 1可以看出，与参比样R相比，随着润滑添加剂的加入，切削液样品A、B、C的长磨摩擦因数显著降低。未添加润滑剂的切削液参比样R的摩擦因数为0.353，且实验过程中摩擦因数曲线上下波动较大；添加聚醚润滑剂的样品A的摩擦因数显著下降，为0.121，且实验过程中摩擦因数曲线变得平滑；添加四聚蓖麻油酸酯的样品B的摩擦因数降至0.089，为3种润滑剂中最低；添加自乳化酯的样品C的摩擦因数降至0.103。

图1 含不同添加剂的合成切削液的摩擦因数曲线

图 2 长磨钢球表面磨斑的电镜图

由图 2可知，在相同的实验条件下，参比样R、样品A、样品C、样品B为切削液时的磨斑直径分别为1.12、0.82、0.71、0.68 mm，表明样品B的抗磨性能最好，然后依次为样品C、样品A、参比样R。切削液中在没有添加润滑剂条件下的钢球表面的划痕较深，磨斑直径较大。切削液中加入聚醚类润滑剂后，钢球表面明显变得光滑，犁沟变浅，说明聚醚在切削液中具有一定的抗磨性。这可能是由于在长磨过程中，随着时间的延长，钢球间摩擦产生热量，当温度高于聚醚的浊点时，聚醚从切削液中析出，形成一层油状物质，吸附在钢球表面降低钢球间的摩擦力，使得摩擦因数降低[14]。而切削液中加入四聚蓖麻油酸酯后，钢球磨斑直径明显变小，钢球表面划痕很浅，没有犁沟。这主要是由于四聚蓖麻油酸酯含有羧基官能团，具有较强的极性，容易吸附在钢球表面，形成一层润滑膜，增加切削液的油膜强度，在长磨过程中显著降低摩擦因数，使得磨斑直径变小。自乳化酯由于结构中的极性基团较多，使得这其在金属表面具有较强的吸附性，从而提高了切削液的润滑性能。

2.3 自乳化酯的泡沫性能研究

泡沫是气体在液体中的一种粗分散体系，气体占据大部分的体积，液体成为在气泡之间的薄膜[15]。当高分子化合物类润滑剂或表面活性剂加入至切削液中，在气液界面上形成一层吸附膜，就有可能形成比较稳定的泡沫[16]。随着现代机床的大规模普及，主轴转速越来越快，切削液的喷流压力也越来越大，如果切削液的消泡性能差就会引起一些问题，例如泡沫使切削液冷却性能下降，致使工件表面烧伤；大量泡沫还会削弱刀具与工件接触面的冷却和润滑效果；泡沫使得切削液流失，导致加工费用增加；泡沫还会造成空穴现象，导致抽液泵寿命缩短[17-18]。因此，评定切削液的抗泡性能非常重要。

采用液体循环泡沫试验机对含自乳化酯、聚醚、四聚蓖麻油酸酯3种润滑剂的切削液的抗泡性能进行分析，结果如图3所示。

图3 含不同添加剂的合成切削液的泡沫性能

从图3可知，添加聚醚的样品A的起泡量明显少于添加四聚蓖麻油酸酯的样品B和添加自乳化酯的样品C，且消泡速度也最快；添加自乳化酯的样品C的泡沫体积为200 mL，15 min后泡沫体积为160 mL；四聚蓖麻油酸酯的泡沫体积达280 mL，且消泡速度也最慢，15 min后仍有180 mL。这是因为聚醚由EO环氧乙烷、PO环氧丙烷嵌段聚合而成，EO亲水性强，PO亲油性强，EO含量越高，HLB值越高，相对浊点越高，泡沫相对越多，且聚醚在磨削过程中随着温度的上升相对析出越少，相对消泡速度越慢；自乳化酯的结构中可能包括羧基基团、聚氧乙烯链和聚氧丙烯或聚氧丁烯链段，与有机胺中和后，具有非常好的乳化能力，且泡沫倾向较低；四聚蓖麻油酸酯分子中同时有大量羟基、双键以及羧基官能团，可以发生多种反应，与有机胺或无机碱反应后，生成的蓖麻油酸铵盐乳化能力强，相对泡沫较多。

3 结论

(1)通过攻丝扭矩试验机和四球抗磨试验机，考察含有聚醚、四聚蓖麻油酸酯和自乳化酯的全合成切削液的润滑性能和抗磨性能。结果表明：自乳化酯在全合成切削液中的润滑性能及抗磨性能显著优于聚醚，与四聚蓖麻油酸酯润滑性能相当。

(2)通过泡沫试验机，考察含有聚醚、四聚蓖麻油酸酯和自乳化酯的全合成切削液的抗泡性能。结果表明：自乳化酯在全合成切削液中的抗泡性能显著优于四聚蓖麻油酸酯，与聚醚的抗泡性能相当。

(3)自乳化酯是一种不含硫、磷、氯等元素，对环境友好、绿色环保的润滑剂，具有良好的润滑及抗磨作用，且泡沫相对较低，可以与其他类型添加剂复配，广泛用于全合成切削液中。