一种固-液双形态金属切削液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属加工液，具体涉及一种固-液双形态金属切削液及其制备方法。

背景技术

在现代工业尤其是汽车工业及航空航天工业中,复合材料及耐磨有色金属材料被大量使用，如高硅铝合金，纤维增强塑料，金属基复合材料及强化木地板等，采用普通刀具加工这类材料却难以胜任。超硬材料切削刀具的应用随之越来越多。超硬切削材料是在硬度值上高于硬质合金、金属陶瓷和切削陶瓷的所有切削材料，主要为金刚石和立方氮化硼基体。

超硬切削会产生大量的热量，需要使用切削液。传统的切削液以水或油作为基础液，再添加油性剂、极压剂、防锈剂、消泡剂等添加剂。中国专利CN105087129A公开了一种用于镁合金切削加工的半合成微乳化切削液，包括：40～60份的矿物油、4～13份的pH调节剂、12～30份的乳化剂、2.5～5份的缓蚀剂、0.5～1.5份的稳定剂、0.01～0.2份的消泡剂、2～4份的杀菌剂以及5～20份的水；该切削液具有良好的抗磨性、抗硬水性、抗腐蚀性和优异的清洗冷却性能，虽然提高了金属加工的抗硬水能力，但其冷却性能和抗磨性能难以满足超硬切削的应用场景，在局部高温情况下，切削液中的低沸点成分以及芳香烃挥发，对人的身体健康和环境污染造成恶劣影响。

中国专利CN115851358A公开了一种环保不锈钢水性切削液及其制备方法和应用，包括以下质量百分比的原料：混合油酯20％～60％、有机胺1％～20％、水性不锈钢极压润滑剂0％～40％、离子液体10％～40％、缓蚀剂1％～10％、乳化剂8％～30％、杀菌剂1％～20％，余量为去离子水；其中所述混合油酯是由废变压器油和白油以3～1:1～5组成的混合物，虽然水性切削液相较于油性切削液，具有冷却性能相对较好、加工产品容易清洗与冲洗碎片的能力较强的优点，且将废变压器油进行回收利用，但是加入了离子液体使得成本增高，且对于超硬切削同样存在冷却性能不好以及润滑能力不足容易造成磨损的问题。

此外，上述切削液无论是油性还是水性均在常温下是液态，均存在运输不便以及高温挥发和低温析出沉淀的现象。针对现有技术不足，需要进行进一步的改进。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种固-液双形态金属切削液及其制备方法，具体技术方案为：

包含：基础油、改性固体石蜡、乳化剂、缓蚀剂、杀菌剂、稳定剂、消泡剂、pH调节剂；按质量份计，20～25份的基础油；18～35份的改性固体石蜡；9～12份的乳化剂；0.1～2.5份的缓蚀剂；0.1～2份的稳定剂；0.1～0.5份的消泡剂；0.2～2份的杀菌剂；pH调节剂10-25份；

所述改性固体石蜡为酯化石蜡，先对固体石蜡表面进行接枝酸改性，然后再进行酯化反应，具体制备方法为：步骤一，加入一定剂量比的固体石蜡、丙烯酸，在70-85℃温度下加热熔化搅拌，然后加入引发剂，反应2-4h，后将反应产物用丙酮分离、干燥，得到丙烯酸改性石蜡；步骤二，将丙烯酸改性石蜡加入到小分子醇溶剂中，在酸催化剂作用下反应2-5h，反应温度为100-120℃，反应完成后，自然冷却至室温，挥发溶剂得到改性固体石蜡；

优选的，步骤一中引发剂为过氧化苯甲酰、异丙苯过氧化氢以及过硫酸钾中的一种或几种；所述石蜡、丙烯酸的质量比为3-4：1；所述引发剂与丙烯酸的质量比为1：10；

优选的，所述丙烯酸改性石蜡、小分子醇的质量比为2：1；所述催化剂为对甲苯磺酸；所述催化剂与小分子醇的质量比为0.05-0.1：1；

优选的，小分子醇为C2-C4的链状单醇或多醇，更优选的，为异丙醇、丙二醇以及丁二醇中的一种；

所述乳化剂为SP-80或EN-50；

所述基础油为变压器油、石蜡基油以及环烷基基础油的一种或多种，且在40摄氏度的温度下的运动粘度为20～30mm2/s；

所述缓蚀剂为CU250、T706中的任意一种；

所述稳定剂为乙二醇单丁醚、乙二醇中的任意一种；

所述杀菌剂为MBM/BK、BIT20/BIT85、MDIT/IPBC-30中的任意一种；

所述消泡剂为575、110D中的任意一种；

所述pH调节剂为碳酸钠和/或碳酸氢钙。

进一步地，所述固-液双形态金属切削液的制备方法为：在70-85℃下将基础油、缓蚀剂、改性固体石蜡、消泡剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂，混合均匀后冷却至室温得到固-液双形态金属切削液。

技术原理

固体石蜡是包含多种烃的混合物具有良好的润滑性，白色无味，是石油精制的副产品价格低廉，但是由于难以乳化，将其用于切削液的效果并不好。为了增加其乳化性，本发明对固体石蜡进行改性，通过丙烯酸对固体石蜡进行接枝，将固体石蜡酸化，酸化后的固体石蜡乳化性有一定增强但是具有腐蚀性，因此，本发明将丙烯酸改性固体石蜡进一步进行酯化，酯化石蜡保持了相变材料的特性在常温下能够保持固体形态，又提高了其乳化性能，在吸收同等热量时相比传统基础油温升显著降低，可以在超硬切削中提高了切削液的冷却能力。

技术效果

本申请中通过对固体石蜡进行改性，既保留了固体石蜡的润滑效果，又通过改性固体石蜡的高热容实现切削液对金属加工中的冷却效果改善，能及时带走加工产生的大量热量，并且在进行超硬切削时局部高温也不分解，不挥发，延长切削液使用寿命，降低成本；改性石蜡与基础有良好的相容性，可以保证切削液良好的润滑效果，石蜡可以在刀具表面形成一层流体润滑膜，可以降低摩擦系数，进而形成了较好的抗摩性能；加入的碳酸盐/碳酸氢盐起到调节pH的作用，将改性过程中使用的对甲苯磺酸转换为对甲苯磺酸盐，不仅提高了切削液的清洗性能，其中对甲苯磺酸钙还作为防锈剂提高清洗剂的防锈性能，还有利于保持固态易于保存运输，在使用时只需要加水乳化便可使用，有优异的防锈性能和润滑性能以及冷却性能。

说明书附图

图1为实施例1、4和5得到的切削液乳化效果对比图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

改性固体石蜡的具体制备方法为：步骤一，加入50g的48固体石蜡、12.5g丙烯酸，在80℃温度下加热熔化搅拌，然后加入1.25g引发剂异丙苯过氧化氢，反应4h，反应完成后将反应产物用丙酮分离、干燥，得到丙烯酸改性石蜡；步骤二，将40g丙烯酸改性石蜡加入到20g丁二醇中，加入2g对甲苯磺酸，在催化作用下反应2-5h，反应温度为120℃，反应完成后，自然冷却至室温，挥发溶剂得到改性固体石蜡。

实施例所涉及的原料中，其中所涉及的原料均来自市售。乳化剂为Safol EN 50，沙索(中国)化学有限公司；SP-80，广州同扬化工有限公司；缓蚀剂：CU250，广州米奇化工有限公司；T706，宁夏瑞泰科技有限公司；杀菌剂：MBM/BK，上海日乾化工科技有限公司；BIT20/BIT85，大丰跃龙化学有限公司；MDIT/IPBC-30，科莱恩化工(上海)有限公司；消泡剂：575，盟庆信添加剂(上海)贸易有限公司；110D，美国空气化工有限公司。实施例所使用的缓蚀剂为CU250,杀菌剂为MDIT/IPBC-30，消泡剂为110D，乳化剂为Safol EN-50。

实施例1

包括石蜡基基础油25g、改性固体石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠25g。固-液双形态金属切削液的制备方法为：在75℃下将基础油、缓蚀剂、改性固体石蜡、消泡剂、杀菌剂、稳定剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到固-液双形态金属切削液。

实施例2

包括石蜡基基础油25g、改性固体石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸氢钙25g。固-液双形态金属切削液的制备方法为：在75℃下将基础油、缓蚀剂、改性固体石蜡、消泡剂、稳定剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸氢钙，混合均匀后冷却至室温得到金属切削液。

实施例3

包括石蜡基基础油25g、改性固体石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸氢钙12.5g、碳酸钠12.5g。固-液双形态金属切削液的制备方法为：在75℃下将基础油、缓蚀剂、改性固体石蜡、消泡剂、稳定剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸氢钙和碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到金属切削液。

实施例4

包括石蜡基基础油25g、丙烯酸改性石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠25g。

在75℃下将基础油、缓蚀剂、丙烯酸改性石蜡、消泡剂、稳定剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到金属切削液。

实施例5

包括石蜡基基础油25g、固体石蜡粉末32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠25g。

在75℃下将基础油、缓蚀剂、固体石蜡粉末、消泡剂、稳定剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到金属切削液。

实施例6

包括变压器油25g、改性固体石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠15g、碳酸氢钙10g。固-液双形态金属切削液的制备方法为：在70℃下将基础油、缓蚀剂、改性固体石蜡、消泡剂、杀菌剂、稳定剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到固-液双形态金属切削液。

实施例7

包括环烷基基础油25g、改性固体石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠20g、碳酸氢钙5g。固-液双形态金属切削液的制备方法为：在85℃下将基础油、缓蚀剂、改性固体石蜡、消泡剂、杀菌剂、稳定剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到固-液双形态金属切削液。

对比例1

固-液双形态金属切削液，包括石蜡基基础油25g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠25g，在75℃下将基础油、缓蚀剂、消泡剂、稳定剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到金属切削液。

对比例2

固-液双形态金属切削液，包括石蜡基基础油25g、氯化石蜡32g、乳化剂12g、缓蚀剂2g、杀菌剂2g、消泡剂0.5g、稳定剂1.5g、碳酸钠25g，在75℃下将基础油、缓蚀剂、氯化石蜡、消泡剂、稳定剂、杀菌剂、乳化剂搅拌混合均匀，然后再加入pH调节剂碳酸钠，混合均匀后冷却至室温得到金属切削液。

为了对比各个实施例的切削液性能，对上述实施例制备的切削液按照5％的稀释液加水进行稀释，进行了防锈性能测试、攻丝扭矩试验进行润滑性能对比试验，攻丝扭矩试验进行润滑性能对比试验以对比例1为参比对照，防锈实验和腐蚀试验按照GB/T6144进行，摩擦系数按照GB/T3142进行，结果如下表所示。

表1性能测试

由上述结果可以看出，各个对比例或实施例的腐蚀性能和防锈性能都能达到A级，说明上述实施例的防腐性能良好。图1为对实施例1、实施例4、实施例5不同类型石蜡制备的切削液对比，可知实施例4和实施例5制备的金属切削液不均匀，而实施例1的切削液均匀性良好，切削液分布不均会严重影响切削液的性能，这从扭矩效率和摩擦系数可以看出，二者的润滑性能参数要远低于实施例1。其原因在于，改性固体石蜡通过丙烯酸改性石蜡和小分子醇改性，一方面可以利用石蜡本身的润滑效果，可以增加切削液的润滑性；另一方面，改性固体石蜡具有相变性，在相变后除了可以利用相变热提高切削液的冷却性能外，还可以形成一层流体润滑膜，极大提高了切削液的润滑效果和抗磨效果。以对比例1为参照，实施例1的摩擦系数大大降低，降幅要原高于其他对比例或实施例，其扭矩相对效率为127％，摩擦系数为0.072，磨斑直径最小，为0.3mm。从实施例1-5可以看出，仅仅是丙烯酸改性石蜡、或者固体石蜡，其受限于材料性质，虽然可以提供一部分的润滑性能，但其不能像改性石蜡具有较好的相变性能，能够大幅带走加工产生的热量，其也难以具备相变后的润滑效果。同时，改性固体石蜡与丙烯酸改性石蜡二者虽然都是改性石蜡，但改性固体石蜡具有更多丰富羟基、酯基基团，在具有良好乳化性能的同时，具有比丙烯酸改性石蜡更优的润滑性能。对应地，氯化石蜡也是常用的极压剂，其虽然也能获得相对较好的润滑性能，有较低的摩擦系数，但其性能仍然弱于改性固体石蜡。由此可见，本申请的切削液润滑性能和抗磨性能显著，可以满足难加工材料的加工需求。