合成型铝合金切削液的研制和应用

（中国石化油公司上海研发中心，上海 200080）

摘要：介绍了目前汽车行业零部件加工用合成型铝合金切削液的使用情况，重点阐述了研制水溶性合成型铝合金切削液的过程，包括采用自有技术复配复合添加剂过程及多种其他功能添加剂的筛选平衡，在试验方法上新采用了钢-铝摩擦副评价试验及铝合金材料腐蚀挂片试验等，并将检测结果和常规试验进行了分析对比。最后介绍了研制产品在铝合金零部件加工工艺中的应用试验结果，应用显示，研制产品的性、防腐性均符合汽车行业铝合金零部件加工过程中对合成型切削液的要求。

关键词：切削液；水溶性；铝合金

中图分类号：TE626.39 文献标识码：A

0 前言

汽车轻量化有利于节能和环境保护，是世界汽车工业不断追求的目标，同时铝合金材料由于回收率高，可明显降低汽车综合制造成本，已成为部分替代钢的最主要原料。日本的单车平均用铝量2004年已达到270 kg，我国2005年的单车平均用铝量目标是125 kg。铝合金材料应用已从原先的发动机活塞、缸盖等，逐步扩展到铝合金变速箱壳体、轮毂等大型零件。

目前，国内汽车行业大型零部件制造厂所用的铝合金切削液，基本为洋品牌所垄断。在产品组成类型方面，乳化型、微乳型和合成型并存，虽以微乳型居多，但由于合成型切削液具有使用寿命长、冷却性及清洗性更佳的优势，国外大公司也都开发了专用于铝合金的合成型切削液；同时，用户对合成型铝合金切削液的认识和需求也在逐步增大，如某摩托车有限公司在其车用零件加工用切削液（主要为铝件）招标书中，已明确指定加工液类型为合成型。

国内现有的合成型铝合金切削液与国外同类产品相比存在较大差距，主要问题是用户反映其性能不足，此外还存在对铝件防腐性及消泡性欠佳、有刺激性气味及对皮肤有刺激等问题，难以在市场上得到全面应用与推广；而国外大石油公司专用于铝合金加工的合成型切削液，价格昂贵。结合市场需求，有必要及时开发国产合成型铝合金专用切削液，克服传统合成型产品性不足、对铝件防腐性欠佳等弱势，提高国产品的优势。

1 试验方法

1.1 合成切削液常规试验

按照国家标准GB/T 6144《合成切削液》进行。防腐试验还兼顾了现场用户最多采用的浸泡/挂片法。

1.2 性评价

切削液的最大无卡咬负荷（PB）和磨斑直径（WSD）2项指标均按照GB/T 3142，用四球试验机进行。研制过程中还自建了钢－铝摩擦副试验。试验前先将厚度为0.3 mm的大张纯铝片剪裁为直径约3 cm的圆形铝垫片，在垫片中央开凿出3条呈120度角的槽。试验时将经清洗的铝垫片垫在四球机的下三球上，规定好试验负荷和试验时间，按四球机步骤操作试验，操作完成后，观察并记录垫片上的磨斑直径。

2 结果与讨论

2.1 添加剂的筛选和制备

用作汽车构件的铝合金材料，属于硬铝合金，对产品的性有较高的要求。切削液产品的性主要由添加剂提供，所以选用合适的剂至关重要。

2.1.1 常用水溶性添加剂

油液中的添加剂主要有油性剂和极压剂，含有极性基团或非极性长碳链脂肪烃基的油性剂，如ROOH，在低负荷下能在摩擦表面形成物理吸附膜，保护新生金属面；在高温高负荷下，油性剂的吸附膜脱附或破裂，须藉含有S、P、Cl、N、B等反应

（注：作者简介：李谨（1969-），女，高级工程师，1991年毕业于华东理工大学石油加工专业，长期从事金属加工油液的产品研制和技术服务，公开数篇。）

性基团的极压剂，在摩擦面上生成耐磨损的金属化合物，保护刀具，提高加工面质量。

目前，国产的性能优良的水溶性添加剂不多。产品研究过程中，先后选用和试验了多种进口水溶性添加剂，如含硫磷的剂385、粉末状含硫极压剂390、英国1095、日本含硫剂550、美国的水溶性磷酸酯830等。

试验时将剂按一定比例分别加入常规切削液中，首先考察加入后样品在室温下的储存稳定性（包括浓缩液和稀释液），对储存后不分层、无沉淀的合格样品，再用四球机分别测试样品的最大无卡咬负荷PB和磨斑直径WSD。见表1。

表1 部分进口剂的性能测试

由表1反映，个别进口剂在产品中的稳定性不佳；同时在本身没有性的常规切削液中添加4%剂后，性能并无非常明显改善。考虑到研制产品的经济性，决定自已复合水溶性剂。

2.1.2 复合添加剂的制备

传统的油性剂和极压剂虽然能力强，但大多是不溶于水的。目前国内正在开发的水溶性添加剂，主要采用2种方法制备，一种是用加表面活性剂等方法，将油溶性的添加剂分散到水中；另一种比较多用的方法是改性。在常用的油溶性剂分子中引入一定数目的水溶性基团，实现对油溶性添加剂分子的水溶性改性。此外，将长碳链烃基和具有亲水性、吸附性或反应性等的多种官能团集合，使之同时兼具油性剂和极压剂的功能，且溶于水，成为性能优良的水溶性添加剂，即分子设计方法。

研究工作采用比较适合工业化的加表面活性剂的方式，以复配的形式，用国产油溶性磷酸酯、改性剂和表面活性剂等复合，将油溶性含磷添加剂进行水溶性分散；同时，为有效提高剂的减摩性能，复合时还加入了一定的油性剂，制备了MF复合剂。

2.1.3 钢－铝摩擦副对水溶性剂评价

为有效模拟铝质零部件加工状况，针对现有常用剂评定设备为钢－钢摩擦副的状况，研究工作在四球试验机测定磨斑直径的方法基础上，增加了铝质垫片，对部分实验步骤进行了调整，建立了以钢－铝为摩擦副的实验室评定设施。图1显示了分别用两种摩擦副所做的对水溶性剂的评定结果，试验时添加剂浓度均为1%，铝质垫片厚度为0.3 mm。

图1 剂在不同材质摩擦副上的评价

图1中自行复合的MF水溶性复合剂性好，而且由于性价比优良，为研制合成型铝合金切削液的主选剂。

2.2 产品综合性配伍

铝是化学性质非常活泼的金属，对加工中配套使用的切削液很敏感。用于汽车结构件的硬铝合金，强度较防锈铝合金高，其防蚀性较纯铝和防锈铝合金均有下降，对铝合金切削液的研制提出了较高的防腐要求。

切削液中不少常用添加剂对铝都有一定程度的腐蚀性。如图2、图3所示，常用的硼酸、醇胺，都对铝有一定程度的腐蚀。

图2 1%三乙醇胺55℃，全浸2h

由于磷酸酯本身也是一种优良的用于水溶性切削液的铝防腐剂，所以MF剂的使用为产品提供了、防腐等多项功能。

图3 5%硼酸溶液55℃，全浸2h

综合配伍方面，金属加工液作为一种加工用介质，其配制是一个复杂的过程，除要求提供良好的性、冷却性、防锈防腐性以保护工件和机床外，还对水基切削液提出了pH值、消泡性、储存稳定性等多项要求，多方面存在着平衡关系。如防锈剂与表面活性剂：MF复合剂在复合过程中，考虑其水溶性和样品的储存稳定性，引入了表面活性剂来调节和改善。由于表面活性剂会对防锈剂的防锈性能有一定影响，需要选择抗表面活性剂干扰能力较强的防锈剂。鉴于长碳链有机酸型防锈剂在这方面相对能力较强，配方研制时对缓蚀体系中的有机防锈剂部分特别选用了长碳链型。

研究工作在制备了水溶性复合剂后，结合对不同结构水溶性缓蚀剂抗表面活性剂干扰能力的研究，筛选消泡剂、杀菌剂后，基本确定了产品组成。

3 产品性能评价及标准

3.1 产品性能评价和比较

产品性能综合评价中，除了确保产品pH值、防锈性等常规试验符合要求外，重点对研制的铝合金切削液的性及其对铝合金材料的防腐性进行全面评价，以考察研制产品在这两方面的优异性能。

性方面，除采用上述的钢－铝摩擦副补充试验外，还用Falex-8型模拟评定设备进行了攻丝扭矩试验，测定产品的切削性能。攻丝扭矩试验机是专用于评定金属加工液切削性能的模拟试验机。试验机通过测量攻丝时丝锥与工件表面摩擦产生的扭矩值来评价金属加工切削液的切削性能。攻丝扭矩值越小，性越优良。钢－铝摩擦副结果一并列入表2。

表2的试验结果表明，研制的铝合金切削液性优良，试验室多方面评价结果达到市场上在用进口合成铝合金切削液的数值。

防腐性方面，实验室对研制的铝合金切削液除了常规腐蚀试验外，也用现场零件进行挂片试验，以尽量接近实际工况条件。如对变速箱外壳工件，采用常规全浸试验时，两种被测液都显示A级合格，但用现场常用的挂片试验（先在切削液中浸泡15 min，取出后在室温下挂片，每隔10天观察试片外观，以基本不变色、表面不产生斑点为√），显示了研制产品在多种条件下优异的铝合金防腐性。

表2 用多种评价手段的评价结果

表3 铝片挂片腐蚀试验

3.2 铝合金切削液产品标准

该产品不仅符合GB/T 6144合成切削液标准，而且由于具有优良的铝合金防腐性等，目前已制定了企业标准，主要技术要求和试验方法列于表4。

表4 M3026铝合金切削液技术要求和试验方法

4 应用试验

4.1 应用试验一：某交通器材有限公司

该公司专业加工铝合金汽车变速箱外壳，有各类组合钻床近30台，加工方式主要为镗、铰和挤压攻丝等。原使用进口切削液，防腐性能不是很好，切削后需用清洗液漂一下，才能满足现场的防腐周期要求。

2005年10月开始试验M3026铝合金切削液，机床单机液槽体积约200 L，用户在加工后不仅观察工件的光洁度，并将加工后工件另外放置进行挂片试验，以观察切削液防腐蚀能力。半年多的连续多台试验显示，产品防腐性理想，工件加工后在1个月内不变色、表面不起斑，可以省略原来用清洗液漂洗工序，完全满足现场的防腐周期要求。

4.2 应用试验二：某汽车电器系统有限公司

该公司加工铝合金汽车电器壳体（发电机端盖等），加工方式以铣平面、镗削为主。原使用进口合成型铝合金切削液，使用浓度7%~8%，价格7000～8000元/桶。2005年9月在该公司选用HK机床配槽试验，以5%的浓度配入了研发的铝合金切削液新液。

经4个多月试用考察认可后，试验机床不断增加，有德国NORTE公司和上海联合研制的立式加工中心VS800A等。每月进行现场考察跟踪，用户反映产品不仅性能良好，加工工件表面光洁度较高，而且使用浓度略有降低，性价比好。

5 结论

研制工作筛选、制备了合适的水溶性添加剂，并收集常用汽车零部件铝合金材料，进行防腐性考察。通过综合性能配伍，研制出性、防腐性优良、性价比高的合成型铝合金切削液。

开展应用工作，将研制产品在2家汽车零部件加工企业应用后，其多项加工性能均能满足用户要求，一定范围内替代了原进口切削液。

THE RESEARCH & APPLICATION OF SYNTHETIC CUTTING FLUID FOR ALUMINUM ALLOY

LI Jin, ZHOU Qin-zu

(Shanghai R&D Center of SINOPEC Lubricant Company, Shanghai 200080, China)

Abstract:The usage situation of cutting fluids for aluminum alloy in the current automotive industry spare parts processing was introduced. The R&D process of water based synthetic cutting fluids for aluminum and aluminum alloy was expatiated, including the complex formulation process of additives using own technology and the selection process of other functional additives. Some special experiments such as steel-aluminum friction pair evaluation experiment and the hung aluminum alloy sheet for corrosion experiment were carried out. And tests results were analyzed and contrasted to the conventional tests. The application results in aluminum alloy spare parts processing indicated that the developed cutting fluids can meet the requirements of lubricity and anticorrosion.

Key Words:cutting fluid; water based; aluminum alloy