金属加工液及切削液知识整合.docx
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金属加工液及切削液知识整合
一．金属加工液的性能及其应用的添加剂
1.金属加工液简介
金属加工液（Metalworkingfluids）主要是金属加工用的液体，根据加工工艺类型的不同，可分为金属成型、金属切削、金属防护和金属处理四大类。
按形态分为：
油型、可溶性油、半合成液、合成液。
主要起润滑和冷却作用，兼有防锈清洗等作用。
一般的金属加工液包括切削液、切削油、乳化液、冲压油、淬火剂、高温油、极压切削液、磨削液、防锈油、清洗剂、发黑剂、拉深油等。
2.金属加工液的常见问题与解决方案（水溶性切削液）
金属加工液的常见问题与解决方案（水溶性切削液）
◆工件表面光洁度◆
●可能原因
１、稀释液浓度太低
２、切削液定向喷射不好或流量过低
３、金属加工屑污染
４、水质影响，溶液不稳定
５、使用刀具与材料或加工工艺错配
●解决办法
１、调整稀释液浓度
２、检查金属加工液供应系统有否堵塞并加以清洁，直接喷在刀刃上
３、过滤稀释液
４、硬水会道致某些切削液不稳定影响到表面切削液金属加工液.
５、与刀具供应商协商，选择正确型号金属加工液论坛,切削液,乳化液,半合成,全合成,
◆工件腐蚀◆
●可能原因
１、浓度太低度
２、水质硬度太高
３、溶液被污染
４、防腐剂已降解或消耗
５、溶液酸性值过低度
６、高温以及潮湿环境
７、工件处理和储存
●解决办法
１、增加并校正使用浓度
２、检测水硬度，使用150ppm硬度的水
３、确定及除去污染物，或更换新的溶液
４、添加新溶液
５、适当添加PH调整剂
６、降低温度和湿度，在成品上施涂防锈剂
７、工件存放干燥通风的环境中，长时间存放时需要施涂防锈剂
◆刀具/砂轮寿命下降◆
●可能原因
１、大量金属屑
２、溶液污染
３、浓度太低切削液金属加工液
４、水质影响
５、使用刀具/砂轮与材料工艺错配
６、切削液润滑性能不好
●解决办法
１、净化切削液（更换/过滤）
２、确定及去除污染物
３、调整浓度
４、正确地调配切削液
５、与刀具供应商协商，选配正确型号金属加工液论坛
６、换用润滑性能好的产品
◆发热量大，刀具使用寿命短◆
●可能原因
１、冷却性能差最专业的金属加工液论坛|切削液|切削油|冲压油|防锈油|清洗剂|添加剂|防锈剂|乳化液|半合成|全合成|润滑油|润滑脂
２、切削液定向喷射不好或流量过低
●解决办法
１、选择冷却性能好的产品金属加工液论坛,切削液,乳化液,半合成,全合成,切削油,防锈油,防锈剂,润滑油,水溶性,配方
２、增加流量或直接喷在刀刃上
◆稀释液上面有浮油◆
●可能原因
１、设备润滑油污染
２、混合条件差
３、经纯油加工的零件
●解决办法
１、用撇油器撇除漏油
２、重新配制稀释液，确保边搅拌边将油加入水中
３、用撇油器除去，加工前将零件清洗干净屑污染
◆气味难闻和颜色变化◆
●可能原因
１、水质太差
２、外来油品的严重污染
３、产品更新率低
４、设备（油箱、管道、喷射系统）上污秽
●解决办法切削液
１、确保水质好，无微污染
２、除去稀释液上层浮油
３、添加新产品
４、如果微生物＞10６/ml加入适量的杀菌剂，并清洗干净设备
◆泡沫多◆
●可能原因
１、浓度太高
２、水太软
３、稀释液污染
４、油箱液量过少
５、机械故障
６、切削液消泡性能差
●解决方案
１、用折光浓度针核正浓度
２、检查水质（总硬度），加入消泡剂或醋酸钙
３、除去污染物
４、维持油箱溶液量充足
５、检查过滤系统，输油管和回流系统是否泄漏和堵塞；防止回流溶液进入油泵进油口
６、选择另一种切削液
◆细菌和发臭◆
★细菌：
生存於水相中，以几乎所有存在於其中的物质为食。
冷却剂是细菌的大餐，温床。
★细菌的种类：
☆好氧菌（需要氧气）
☆厌氧菌（需要硫）
☆酵母菌和霉菌
★细菌的危害：
☆破坏乳化液
☆引起腐蚀
☆增加机器中的沉积
☆引起恶臭味
☆使操作者烦躁不安
☆阻塞过滤器切削液
☆可能引起呼吸问题
☆浪费金钱
★细菌产生的原因：
☆污染物
◎操作者操作时带入
◎烟头
◎咖啡/茶渣
◎食物（三明治）
二．金属切削液
1.金属切削液的作用
金属切削是机械工程加工零部件的主要手段，特别是高精度金属零件，在金属加工过程中，如果在机床精度、工件材质、刀具材质、加工条件、工人技术水平等条件相同的条件下合理选择金属切削液，对减少摩擦、改善散热条件、降低加工区域温度、延长刀具、砂轮的使用寿命、提高工件精度、降低工件表面粗糙度从而降低切削液使用成本和提高企业经济效益具有十分重要的作用。
切削液具有冷却、润滑、清洗、防锈四大功能。
油基切削液靠油的优良润滑作用降低摩擦生热，达到冷却的目的，水基切削液靠水的热导率、比热容、汽化热比油大，粘度比油小的特点达到冷却的目的。
2.切削液的分类
按类型大体上分为非水溶性（油基）切削液和水溶性（水基）切削液。
一般以水稀释而使用的称为水基切削液；不以水稀释而使用的称为油基切削液。
油基切削液分为：
非活性型（矿物油、动物油、植物油+活性极压剂+油性剂）
活性型（矿物油+活性极压剂+油性剂）
水基切削液分为：
乳化油型（矿物油+表面活性剂+乳化剂+极压剂或油性剂+防锈剂）
合成液型（不含矿物油和动植物油，只含大量表面活性剂+极压剂添加剂+油性剂+防锈剂等）
半合成液型（含少量矿物油+表面活性剂+极压剂+油性剂+防锈剂）
化学溶液型（无机盐类、有机胺+表面活性剂等）
乳化油通常称为“可溶行油”，其中含油量一般在70%以上。
半合成切削液又称“微乳液”，含油量约为5～30%，兼有乳化液和合成液的优点，冷却、润滑、清洗、防锈性能均较好，与乳化液相比，能阻止细菌的分解繁殖，因而使用寿命长。
合成切削液是一种完全不含油的，由水溶行EP剂防锈剂表面活性剂等组成的切削液浓缩物。
此类切削液最突出的优点是：
工件可见度好使用寿命长节约油料资源具有独特的冷却清洗性，润滑性和清洗性各有不同，但用于有切削液流过活动导轨的切削机床，应避免合成液将导轨上的润滑油膜冲洗掉，而造成阻塞和卡咬。
3.原液和使用液
油基切削液的原液就是其本身，水基切削液的原液系指稀释前的母液。
“使用液”是“现场使用着的切削液”的简称。
又城为“稀释液”。
4.油基切削液和水基切削液各自的特性
油基金属切削液的优点：
1）在机械加工中质量稳定，使用寿命长，并能再生利用。
2）具有良好的润滑性。
在用高速钢刀具切削而且切削速度较慢时可延长刀具寿命，降低工件表面粗糙度。
3）除偶尔需要过滤外，不需要多花费混合及维护费用。
4）不受细菌侵蚀影响，几乎不会引起皮肤病，使用中混入其他润滑油除了会降低添加剂浓度外，无其他不良影响。
其缺点是：
冷却性差，而且高温下易挥发，产生油雾，污染环境，必须安装排油污设备，甚至有引起火灾的危险。
水基金属切削液的优点：
冷却效果好，克服了使用切削油冒烟、易燃以及加工后黏附于金属表面上的油脂难以清洗的弊病，综合使用成本低。
良好的产品均具有冷却、润滑、清洗、防锈四大功能。
其缺点是：
因为是用水作稀释剂，故使机床和被切削金属材料容易生锈；若与机床上的其他润滑油混合，就会使润滑油的润滑能力变坏，从而降低机床寿命和破坏自身的使用性能。
此外，水基切削液容易受细菌和霉菌的影响而腐败变质，降低有效使用期限。
在水基切削液中含油的乳化液由于稳定性较全化学合成切削液差，使用寿命一般较短。
5.切削液的推荐和选用
市面上切削液的品种很多，其组成和性质也很复杂。
当我们向用户推荐一种切削液时之前，首先应熟悉用户现正在使用的切削液属于那一类，加工的工件材质（碳钢、铸铁、铜、铝合金、镁铝合金、耐热合金、不锈钢、镍合金、钛合金等）、刀具材料（高速钢刀具、硬质合金钢刀具）、切削条件（切削速度、进给量、切削深度）、加工方式（车削、铣削、刨削、铰削、镗削、钻削、磨削、攻螺纹、拉削、滚齿、剃齿等）、和机床种类（国产一般机床、数控机床、加工中心等），根据具体应用条件的不同，对切削液的冷却、润滑、清洗、防锈四个功能的要求应有所侧重，只有具有很强的针对性才能达到最佳的使用效果，性价比方可达到极致。
一般情况下，有（无）铅黄铜、铝及低铝合金、镁、锌合金容易加工,但切削液对其腐蚀问题较难解决，用户一般选用煤油或其与矿物油的混合油来保证工件的表面亮度，也有用中性或弱酸性的水基切削液（其中以乳化液用的较多）。
高强度青铜、铸铁、低碳钢、中碳钢等比较容易加工，通常选用水基切削液，耐热合金、不锈钢、镍合金、钛合金等属于难加工材料，主要选用油基切削液和极压性很好的、高浓度的水基切削液。
拉削、滚齿、剃齿等操作由于切削速度低、切削量大、属于重负荷切削，几乎都选用油基切削液。
粗加工时，加工余量和切削用量较大，切削速度较高，对表面质量的要求不太高，一般用以冷却为主的乳化液、合成液和微乳液。
车、铣、刨、铰、镗、钻、磨、通常可用水基金属切削液，攻丝和打深孔要用极压、润滑性好的切削液。
6.切削液现状
国外产品的主要品牌：
德国的亚纳、福斯；瑞士的巴索，美国的美孚、奎克、马斯达、好富顿、米朗可龙；英国的嘉实多（BP）等。
国内的上海海营化工、天津泰伦特化学、苏州的特种油品等属于规模较大的生产商。
国外产品总体性能上有较大的优势，但很多产品不适应我国的水质要求，普遍售价较高，产品的实际性价比并无国内的优势品牌高，从而给我们留下了太多的发展空间。
上海洁司化工有限公司与太原卓能精细化工有限公司联合研发的KCUT系列全化学合成水基金属切削液，综合性能比优势完全可以替代进口同类产品，与国内市场上的同类产品相比：
在防锈性和工作液使用寿命方面有绝对优势。
7.实际使用注意的问题
1.水基产品用于数控机床时，由于数控机床的刀具通常是处于横向进给状态，切削液在切削区的浇注只能接触到活动主轴的一部分，背向的部分实际上无法接触到；用于加工中心时，刀具通常是垂直的，切削液也无法接触到刀套附近的部分，这样就带来了锈蚀的问题，因为这部分死角长期暴露在的水气中而无法受到防锈剂的保护。
建议操作人员在每天下班时用机床上携带的水枪冲洗死角部分，或用干净的棉纱蘸取工作液涂敷死角，确保无锈，也可在刀套中或其附近涂上黄油或防锈油。
机床的部件出现轻锈时可用干净的棉纱蘸取工作液擦拭掉。
2.水基产品在使用过程中保持浓度的稳定特别重要，首先要坚持勤补水和少补水的原则，同时要用手持式折光仪定期测定工作液的浓度在厂家规定的范围内。
长期维持过高的浓度容易对机床油漆和操作者的皮肤造成腐蚀和刺激，使用成本相应增加；浓度过低容易对机床台面和工件造成锈蚀，还会引起工作液过早产生异味而腐败变质。
8.极压性能的概念
为了减少摩擦和磨损而使用的添加剂，叫油性剂，有时叫减摩剂，为了防止烧结而使用的添加剂叫极压剂。
油性剂在金属表面上所形成的吸附膜承受温度不高。
其解吸温度如脂肪酸是在熔点或熔点附近，一般油性剂在200℃以前就会解吸而失去作用。
极压剂的作用机理一般可以认为是由于摩擦热或摩擦面上的摩擦化学反应，在金属表面上生成一种低剪切强度和低于被切金属熔点的固体润滑膜，而起到有效的润滑作用。
9.切削液的配方
9.1、透明水溶性切削液
配方1（%）透明水溶性切削液
乙二醇65.8;四硼酸钠3.0;偏硅酸钠1.0;磷酸钠0.2;水余量。
本液用于结构钢的车削、研磨和钻孔，使用时用水稀释3倍。
共三种配方。
9.2、乳化切削油
配方1（%）石油磺酸钠13;聚氧乙烯烷基酚醚（OP-10）6.5;氯化石蜡10~30；环烷酸铅5;三乙醇胺油酸皂2.5;高速机械油（5号）余量。
本油用于金属加工的挤压、车、钻等到工序，使用浓度为本乳化油的5%~30%.。
配方2（%）妥尔油酸钠盐4.5~5.5;石油酸钠盐4.5~5.5;C1-4合成脂肪酸2.5~4;聚乙二醇1.5;工业机械油余量。
……
共五种配方。
9.3、防锈极压乳化油
配方1（%）氯化石蜡10;硫化油酸9;石油磺酸钡20;油酸2;三乙醇胺5;机械油（10号）余量。
本油主要用于重载切削加工，可代替植物油及硫化切削油。
以20%的浓度使用。
防锈性能良好。
……
共两种配方。
9.4、其他切削液
配方1（份）硫化切削油
硫化棉子油500;棉子油1350;硫磺70;机械油（10号）2200.。
配方2……
共有四种配方。
10.切削液的配方研究：
水基切削液具有优良的冷却和清洗性能，但润滑和防锈性能差，因而应用范围受到限制。
以松香、顺酐和多元胺等原料合成了非离子表面活性剂H，同是以油酸和三乙醇胺为原料合成油酸三乙醇胺酯，经实用证明：
以非离子表面活性剂H和油酸三乙醇胺酯等复合配制而成的水基切削液，具有优良的润滑性、防锈性、冷却性和清洗性。
是水基切削液的重大突破。
现代机械加工向高速、强力、精密方向发展，超硬、超强度等难加工材料的发展也使切削加工的难度日益增加。
这两方面的原因导致切削加工过程中的摩擦力、摩擦热大幅度提高，这就要求金属加工液具有更好的润滑、冷却、清洗、防锈性能，以便获得理想的加工表面。
矿物润滑油的润滑、防锈性能优越，但冷却、清洗性能差;乳化液和水基切削液的冷却、清洗性能优良，但润滑、防锈性能差。
水基切削液除具有乳化液的所有性能外，其润滑、冷却、防锈性能亦达到或超过乳化液的标准要求。
因而水基切削液已成为国内外机械加工中提高加工性能的发展方向[l]。
在水基切削液中添加油性添加剂和极压添加剂，是改善水基切削液润滑和防锈性能的有效途径。
以松香、顺酐和多元胺等原料合成的非离子表面活性剂H具有优异的润滑和防锈性能，油酸三已醇胺酯是优良的油性添加剂，以非离子表面活性剂H和油酸三乙醇胺酯等复合配制而成的水基切削液，具有优良的润滑性、防锈性、冷却性和清洗性。
是水基切削液的重大突破。
10.1非离子表面活性剂H的合成
在催化剂存在下，反应温度为160～200℃时，松香[3]与顺酐进行共聚反应，共聚物进一步与多元胺发生中和反应，生成了非离子表面活性剂H。
产物为红棕色粘稠液体。
实验测定了顺酐，松香及其聚合物的红外光谱[2]，证明了反应的发生。
10.2油酸三乙醇胺酯的合成
油酸是重要脂肪酸之一，其润滑性能很好，但它是非水溶性的。
要把它添加在水基切削液中，必须在其分子链中引入亲水基团。
三乙醇胺分子中含有三个一OH基团，它可与酸发生酯化反应[4]。
在130～160。
C条件下，油酸与三已醇胺的初始反应摩尔比不超过1：
3时，油酸的COOH基团与三乙醇胺的一0H基团发生酯化反应，生成了油酸三乙醇胺酯，油酸三乙醇胺酯是一种优良的水溶性油性剂。
经四球机检测：
5%的油酸三乙醇胺水溶液的最大无卡咬负荷PB值可达700N，用MPV一200摩擦磨损试验机测定其摩系数为0.070。
10.3新型水基切削液的配方及工艺流程
（1）新型水基切削液的配方
作者研制的新型水基合成切削液，主要成份有：
非离子表面活性剂H、油酸三乙醇胺、极压抗磨剂、防腐剂及消泡剂等。
其中非离子表面活性剂H、油酸三乙醇胺由自己合成，其他组分均为市售。
各组分配比通过实验选定如表1所示。
（2）工艺流程
新型水基合成切削液的工艺流程如下：
非离子表面活性剂H的制备一油酸三乙醇胺的合成一各组分混合一搅拌一一+加入消泡剂一装桶。
4新型水基切削液的质量指标
按照国标（GB6144—85）进行检测，新型水基切削液的质量指标如表2所示。
10.4应用结果及理论分析
（1）应用结果
新型水基切削液研制完成之后，先后在渝州齿轮厂、大江车辆制造厂进行试用，都获得了比较理想的效果。
综合起来，产品有如下特点：
1）冷却性能突出。
能大大带走切削热和充分冷却刃具的切削刃，使其保持硬度、强度和锐利的切削能力，从而提高了工作效率。
2）润滑性能优越。
在切削区能形成润滑油膜，切削液最大无卡咬负荷PB值达到686N以上。
因而能大大降低切削力和降低刀具及砂轮的消耗。
同乳化油相比，表面加工精度显著提高。
3）该润滑切削液在使用中可以渗入工件切削表面的极细微裂缝中，使表面金属晶格脆化，使切削加工容易进行。
4）具有很好的流动性和良好的清洗性。
同乳化油相比，可提高工件光洁度l～2级。
5）具有优良的稳定性。
在存储和使用时，不分层及析出沉淀物，不易腐败，不产生防碍工人健康的气体。
同时该产品不含对人体有害的亚硝酸钠和矿物油，工作环境干净无味，加工时能清晰观察工件表面。
6）具有优良的化学、热安定性和防锈性。
在高温、高压与空气接触中不分解、不变质、不腐蚀金属表面。
加工件常温下两周内不生锈。
7）新型水基切削液的总体性能与矿物油相当，但成本不到矿物油的一半。
8）新型水基切削液的工作废液少，易于处理，大大地减少了环境污染。
（2）理论分析
1）润滑性能分析
在金属切削加工中，大多数摩擦属于边界润滑摩擦。
在边界润滑中，由于不存在完全的油膜，其承载能力已与油的粘度无关，而取决于润滑液的油性，即润滑成分是否包含着对金属存在强烈吸附的原子
团，能在切削界面形成物理吸附膜。
非离子表面活性剂H中的极性基团对金属有较大的亲合能力，很容易吸附在金属表面上，形成吸附润滑膜。
因其疏水基团较大，并有芳环结构，具有油性剂的作用。
同时非离子表面活性剂H含有N非活性极压元素，它兼有油性剂和极压剂的双重功效。
再与加入的极压抗磨剂协同作用，形成高强度物理和化学吸附膜，使之在高压、高温和激烈摩擦作用下不致于破坏。
能防止或减小工件、切屑、刀具三者之间的直接接触，达到减小摩擦及粘结的目的，起到极好的润滑作用。
油酸三乙醇胺是一种阳离子表面活性剂，作为油性剂添加在切削液中，易在刃具与切削工件之间形成物理吸附膜，从而起到润滑作用。
另外，油酸三乙醇胺与极压抗磨剂也有良好的协同抗磨作用，亦可使润滑性能显著提高。
2）清洗性能分析
切削液清洗性能的好坏，与切削液的渗透性和流动性紧密相关，表面张力低、渗透性和流动性好的切削液，清洗性能就好。
新型水基切削液中由于有含量不低的非离子表面活性剂H和阳离子表面活性剂油酸三乙醇胺的存在，二者协调作用，极大地降低了切削液的表面张力，明显地增强了切削液的渗透性和流动性。
因而具有很好的清洗性能。
3）冷却性能分析
切削液的冷却作用，取决于它的导热系数、比热、汽化热及汽化速度等。
水的导热系数为油的3～5倍，比热为油的2～2.5倍，故水的冷却性能比油优越很多。
新型水基切削液中含有90%以上的水分，所以冷却性能突出。
4）防锈性能分析
非离子表面活性剂H本身具有防锈和防腐作用，与加入的防腐剂产生复合增效作用，在金属表面形成吸附保护膜层，钝化膜层，从而阻滞了阴、阳极腐蚀过程，由于有致密的履盖膜，能有效地抗拒介质中的水分子、氧及其他腐蚀性物质的浸入，具有优良的防腐、防锈性能。
10.5结论
（1）以松香、顺酐和多元胺等原料合成的非离子表面活性剂H，具有优异的润滑、防锈和清洗性能。
（2）油酸三乙醇胺酯是一种优良的水溶性油性剂。
（3）以非离子表面活性剂H和油酸三乙醇胺酯等复合配制而成的水基切削液，具有优良的润滑性、防锈性、冷却性和清洗性。
是水基切削液的重大突破。
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