高性能油基切削液的试验研究_续1_续完_几种极压添加剂的性能评价与作用机理分析

1、3高性能油基切削液的试验研究 (续 1 ,续完)几种极压添加剂的性能评价与作用机理分析刘镇昌刘煜孙建国黄德虎(山东工业大学机械工程学院 济南 250061) (山东省生建摩托车发动机厂 泰安 271000)摘要以切除能力和试件硬度下降为评价指标 ,用磨削试验法对常用的氯系列 、磷系列和有机金属系列极压添加剂的效果进行了试验研究 。提出了一种湿式磨削环境下工件表 层的微观结构模型 ,可用来说明切削液的边界润滑效应 。在此基础上研制出的 YQ 系列油 基切削液产品经生产试验证实效果十分明显 。关键词切削液 ;性能鉴定 ;极压剂中图分类号TG50115根据 GB763115 - 89 ,油基切削液属

2、于 L 类 (润滑剂和有关产品) M 组 (金属加工) 。该标准等效于国际标准 ISO6743/ 7 - 1986润滑剂 、工业用油和有关产品 (L 类) 的分类 第 7 部 分 ;M 组 (金属加工) 。1我国油基切削液的使用现状和问题据作者近几年来在部分工厂所作的调查获悉 ,纯矿物油或普通机械油被相当广泛地当作油基切削液使用 ,这是一种很不合理的现象 。对此 ,本文将用实验结果予以说明 。出现这种现象主要有两方面的原因 。一是贪图一次性购入价格便宜 ,不做仔细的成本核算和长远 考虑 ;二是缺乏有关切削液的基本知识 ,不知道其中大有潜力可挖 。硫化切削油是我国五十年代从苏联引进的切削液品种

3、,后被列为原石油部部颁标准 。 应属于 L2MHD 型 ,是一种具有极压性和化学活性的 MHA 型液体 ,长期被广泛地用于各种已加工表面质量要求较高的低速重负荷加工 ,如各种齿轮加工 、螺纹加工 、拉削加工及某些孔 加工 。但硫化切削油有下述一些缺点 :收稿日期 :19992012173 山东省自然科学基金资助项目 .作者简介 刘镇昌 ,男 ,教授 ,博士生导师 ,博士后科学研究流动站指导教师 ,1942 年生 ,1980 、1988 年先后在华中理工大学获得工学硕士 、工学博士学位 . 主要研究方向 :绿色制造 、先进切削磨削技术与基本理 论 、机械加工中的摩擦磨损与润滑 . 已在Lubri

4、cation Engineering、日本机械学会论文集等刊物和学术会议 上发表文章 30 余篇. 刘煜 ,硕士研究生 . 主要研究方向 :工程陶瓷加工表面强化及溶胶2凝胶技术 . 孙建国 , 山东工业大学博士研究生. 主要研究方向 :机械加工中的摩擦与润滑. 黄德虎 ,工程师 .114山 东 工 业 大 学 学 报1999 年对刀具磨损大 。研究表明 ,在用高速钢刀具车削 45 # 钢时 ,含硫切削油比用普通机械油对刀具的磨损 (尤其是边界磨损) 要大得多1 ,2 ;对加工表面粗糙度的影响不稳定. 新刀具加工时粗糙度较小 ,随着刀具的磨损 、变钝 ,已加工表面粗糙度急剧变坏 ;较易发粘变质

5、,使用寿命相对较短 ;有异味 ,易引起工人皮肤过敏 ;废液中含硫量较高 ,危害环境.硫化切削油的优点在于配制工艺简单 ,价格低廉. 因此 ,至今仍有较大市场.本项研究考察了几种国产的非硫系极压添加剂的性能 ,在此基础上 ,研制出 YQ 系列油 基切削液产品 ,取得了很好的效果 ,各项指标明显优于硫化切削油.2添加剂的使用效能试验方法 、条件与评价体系国内外在切削液及其添加剂的使用效能评价方面长期沿用评定润滑油品耐极压性能的四球试验法 ,这是值得商榷的. 因为切削液与润滑油品的使用工况有根本区别 ,尚无确凿证据认为这种评价结果与使用效能有确切的相关关系. 攻丝扭矩试验法比较接近于使用实态 , 但

6、仅用一个攻丝扭矩值来评判切削液的使用效能难免偏颇. 砂轮是一种特殊的刀具 ,它有无 限多个随机分布的切削刃 . 这种“无限多”和“随机性”赋予砂轮比较稳定的宏观切削性能 . 而 磨削是一种条件更严酷的大负前角切削 ,其单位能耗 、法向力与切向力之比 、接触区温度等 均远高于切削 ,对切削液的要求也更严. 因此 ,选择砂轮磨削法作为切削液的使用效能评价 方法具有较为普遍的代表性. 评价方法的基本思路是把切削液看成试验过程中若干输入参 数之一进行模拟磨削试验 ,检测切削液对磨削过程的多种输出结果 (如磨削力 、磨削温度 、砂 轮磨损 、表面粗糙度 、金属磨除率等) 的影响 ,再用所建立的评价模型按

7、一定的准则作出单项 评价或综合评判.211212试验方法 :定进给切入磨削试验法试验条件试验机床 :卧轴矩台平面磨床 试验砂轮 : GD120 Y1SP305 10 50试件材料 :高速钢 ,硬度 66 0 . 5 HRC ,100 mm 50 mm 5 mm 磨削参数 : V s = 2000 m/ min , Vw = 1 m/ min , T = 0 . 0250 . 4 mm 供液参数 :压力 196 ,200 Pa ,流量 40 L/ min砂轮修整参数 :单颗粒金刚石笔修整 , V d = 0 . 4 m/ min , Td = 0 . 01 mm/ pass评价指标 :本文采用主

8、因素单项比较评价法 ,着重考虑切削液的边界润滑效果 ,只用切除能力 E213和硬度下降 两个指标.切除能力 E 在规定的试验条件下 ,使用某种切削液进行试验时 ,试件的烧伤色斑 级别不超过 3 级时所能允许的最大切深 ,称为该种切削液的切除能力 ,单位为微米. 有关烧绕色斑级别的判断参见本文第 1 报 .第 2 期刘镇昌等 :高性能油基切削液的试验研究 (续 1 ,续完)115硬度下降 H 在规定的试验条件下试件受试前后测得的表层硬度的下降值 ,单位为 HRC.3添加剂单品及其配合物的使用效能试验结果除硫系列以外 ,常用的极压添加剂还有氯系列 、磷系列和有机金属系列. 本文考察了分别属于这三个

9、系列的氯化石蜡 ( C) 、酸性磷酸脂 ( P) 、二烷基二硫代磷酸锌 ( Z) ,将单品及其图 1 纯基础油的试件表层硬度变化曲线图 2 试油 C 的试件表层硬度变化曲线图 3 试油 P 的试件表层硬度变化图 4 试油 Z 的试件表层硬度变化图 5 试油 CP 的试件表层硬度变化图 6 试油 ZC 的试件表层硬度变化图 7 试油 ZP 的试件表层硬度变化图 8 试油 ZCP 的试件表层硬度变化116山 东 工 业 大 学 学 报1999 年配合物按固定比例加入基础油 L2AN32 ,得到 7 种含不同添加剂的切削油 (代号分别为 C , P ,Z ,CP ,CZ ,PZ ,CPZ) ,以基础

10、油 (代号 B) 为参照进行试验和对比分析.图 18 是分别用代号为 B ,C ,P ,Z ,CP ,CZ , PZ ,CPZ 的 8 种试验油试验后试件表层硬度分 布曲线 ( H - L 曲线) ,某些试验条件下出现的硬度下降起因于磨削热引起的试件表层金相 组织转变. 图 9 为上述试油的切除能力 E 的直方图.试验结果表明 :(1) 使用纯机械油 L2AN32 的效果很 差 ;(2) 分别单独加入 C ,P ,Z 极压添加剂 后效果明显改善 :切除能力显著提高 ,试件 已加工表面硬度下降程度大大减轻 ;(3) C ,P ,Z 两两相互配合使用时其效果均有不同程度的增强 ; 三种添加剂同时

11、使用的效果最好.图 9 各种试油的切除能力4试验结果分析作为基础油的矿物油或普通机械油的主要成分是环状或链状的碳氢化合物非极性分子 ,只能在金属表面上形成很弱的物理吸附膜 ,仅适合一般常温机械在轻负荷情况下作为全损耗系统润滑油使用 ,而在切磨削加工这类十分严酷的高温高压条件下工作其效果自然很 差 . 加入上述添加剂后情况会大为改善. 兹简要分析如下.氯是典型的非金属元素 ,有很强的电负性. 因此 ,C 添加剂在金属表面会形成强有力的 化学吸附膜. 当切削温度升高时 ,添加剂极性基的氯元素与碳链之间的 Cl2C 结合发生分离 , 而与工件表面的铁起化学反应 ,在摩擦界面生成第三相物质 氯化铁.

12、典型的化学反应过 程为 :RCl x RCl x - 2 + 2 HCl , 2 HCl + Fe FeCl2 + H2 ; RCl x + Fe FeCl2 + RCl x - 2 .其中 ,R 、R分别表示原来的和反应后的碳氢分子基团 . 由于氯化铁为层状结构 ,抗剪强度低 (仅为铁的 20 %左右) ,摩擦力的机械分量小 ; P 添加剂中的有效成分酸性磷酸脂在磨削过程 中会与铁反应生成磷酸铁 ,亦有类似效果 ; Z 添加剂的分子组分中含有硫 、磷和锌 ,在机械摩 擦和热的作用下与铁发生化学反应 ,起到硫 、磷复合添加剂的作用 ,在摩擦界面上生成含硫 、 磷 、氧 、铁的复杂化合物和含锌的

13、减摩物质 ,使试件表层的抗剪强度和摩擦系数降低. 减摩物 质的存在和摩擦系数的降低有助于切屑形成和排出 ,从而使切削能耗减少 、切削温度降低.通过对大量实验结果的考察和分析 ,我们提出了一种湿式磨削环境下工件表层的微观 结构模型 (图 10) .在湿式磨削条件下 ,被切削液浸润的工件表面可大致分为 5 层 . 第 1 层是切削液液层 ,保留着切削液流体的宏观性质 ,可起到流体润滑作用 ;第 2 层是由添加剂活性分子构成的物 理 吸附或化学吸附膜 ,依添加剂性质的不同可以是单分子层 ,也可以是多分子层 ,其厚度为第 2 期刘镇昌等 :高性能油基切削液的试验研究 (续 1 ,续完)117几十至几千

14、埃不等 , 这层膜象绒毯一样将工件表面覆盖 住 ,能有效地减轻砂轮与工 件间的摩擦 ; 第 3 层是反应 膜 ,为添加剂活性分子在机 械摩擦和高温作用下与金属发生化学反应的生成物 , 如 铁的 氯 化 物 、硫 化 物 、磷 化 物 、氧化物 ,或由添加剂中含 有的铅 、锌 、锑 、钼等金属元 素形成的减摩化合物 , 多为夹杂结晶 ,质地松脆 ,组织缺 陷多 , 故其机械强度远低于 基体材料 , 其厚度可达数千 埃以上 ; 第 4 层是反应膜与图 10 湿式磨削环境下工件表层的微观结构模型基体材料之间的过渡层 ,起因于化学反应时的电子迁移和原子扩散 ,有许多空位和各种晶格缺陷 ,质地较基体材料

15、疏松 ;第 5 层是基体材料. 吸附膜 、反应膜和过渡层共同组成边界膜 , 它是液层与基体材料之间的过渡层. 该模型揭示出了湿式磨削环境下工件表层的组织密度 和抗剪强度沿表面外法线方向递降这一重要特征 .由于工件表层存在着沿其外法线方向降低的抗剪强度梯度场 ,使磨粒作用过程中的弹 性接触 、塑性挤压阶段缩短 ,微切削易于发生和顺利进行 ; 边界膜使新生金属及磨粒表面的 自由能降低 ,减轻磨粒和工件材料的粘附倾向 ,从而减缓摩擦和磨粒磨损 ; 液层和边界膜还能减轻无效磨粒及结合剂对工件滑擦与挤压造成的能量损失. 所有这些都是切削液的边界 润滑效应 ,它使磨削过程顺利进行 ,减少摩擦热的产生 ,降

16、低磨削温度 ,提高切除能力. 当配 合适当的多种极压添加剂综合作用时 ,以上效果将相互协同加强 .5YQ 系列新型油基切削液的使用效果在上述研究的基础上 ,用复合添加剂配制出 YQ 油基切削液系列产品. 经工厂试用证实 ,与机械油比较 ,用于滚切 20CrMnTi ( HB170210) 齿轮时 ,取得同样的已加工表面粗糙度 ,刀具耐用度延长 3 倍 ,加工效率提高 215 倍 ;用于该零件的剃齿加工时 ,刀具耐用度提高 50 % ,已加工表面粗糙度下降 12 级 ,加工效率提高 1 倍以上. 工人反映该产品无腐蚀性 ,无皮肤刺 激 ,无异味 ,使用寿命长.6结论(1) 将纯矿物油或普通机械油

17、当作油基切削液使用是一种很不合理的浪费现象 ,少量加入适当的添加剂能大大提高其使用效能.118山 东 工 业 大 学 学 报1999 年(2) C 、P 、Z 极压添加剂单独加入基础油中使用均有明显的效果 ,切除能力比用纯基础油时显著提高 ,试件已加工表面硬度下降也较用纯基础油时大大减轻 ;两两相互配合使用时 其效果又有不同程度的增强 ;三种添加剂同时使用的效果最好.(3) 用湿式磨削环境下工件表层的微观结构模型能较好地说明切削液的边界润滑效 应 .(4) 在上述试验研究的基础上 ,研制出 YQ 系列油基切削液产品 ,经生产试验证实 ,其效 果十分明显. 这也表明砂轮磨削法作为切削液的使用效能

18、评价方法与实际使用效果有很好 的相关性.参 考 文 献D EVELOPMENT OF HIGH2PERMO RMANCE OIL2BASEDCUTTING FL UIDS ( 2 ND REPO RT)- - Performance Evaluation & Action Mechanism of Some EP AdditivesL iu Zhenchang L iu YuS un J ianguo( College of Mech. Eng. , Shandong Univ. of Tech. J inan 250061)Huang Dehu( Shandong Sheng jian Motorcycle Engine Factory Taian 271000)ABSTRACTThe perfo