水溶性金属加工液的研制及应用
廖光鸿 黄振源
（东莞市弘升润滑油科技有限公司 523300）
摘要：在传统水溶性金属加工液的润滑、防锈性能差的背景下，研制以松香、顺酐和多元胺等原料合成水基防锈剂FY，以某醇类为介质，蓖麻油酸与三乙醇胺以一定的比例合成蓖麻油酸三乙醇胺酯OE为润滑、防锈添加剂的基础上添加其它组分配置而成的水溶性金属加工液，具有优良的润滑、防锈、冷却、清洗、xx等性能，可满足钢管制造工业及企业的各种进口、国产机床、磨床、车床、铣床等设备与各加工工艺（车、镗、钻、矿、孔等）的技术要求，而且清洁环保及使用寿命长。是水溶性金属加工液的重大突破。
关键词：水溶性金属加工液 研制 应用
近年来，金属加工技术发展迅速，这就要求与之配套的金属加工液不断更新换代［1］。水溶性金属加工液无疑是金属加工液发展的主要方向，按ISO6743/7-1986中，金属加工用油（液）组分为油基水基两类。在国内市场上，水基产品的耗用量明显大于油基产品［2］。传统的水溶性金属加工液除了具有优越的冷却、清洗性能外其润滑、防锈性能差，难以满足水溶性金属加工液对综合性能的要求，在水溶性金属加工液中添加油性添加剂和防锈添加剂是改善水溶性金属加工液润滑和防锈性能的有效途径，所以研制性能优越的添加剂是提高水溶性金属加工液质量的关键。以松香、顺酐和多元胺等原料合成的水基防锈剂FY具有优异的防锈和润滑性能，蓖麻油酸三乙醇胺酯是优良的油性添加剂，以水基防锈剂FY和蓖麻油酸三乙醇胺酯等复和配制而成的水溶性金属加工液，具有优良的润滑性、防锈性、冷却性和清洗性。是水溶性金属加工液的重大突破。
1 水基防锈剂FY的合成
（1）马来松香的合成 将松香投入四口烧瓶中在氮气的保护下油浴加热溶解松香然后一定量的顺酐投入烧瓶中与其反应，开启冷凝回流当反应温度上升至190～200℃，在此温度下反应2小时。在这步反应中，松香的各种异构体全部转化为左旋松香酸并与顺酐发生Diels Alder反应，生成高酸值的三元酸。（2）马来松香与二乙醇胺的反应，升高温度到200～205℃，关闭冷凝回流，使未反应的顺酐蒸出并回收，然后在不断搅拌下缓缓加入二乙醇胺，并在150～170℃反应2小时。反应结束后得到黄色黏稠状产物，该产物即为合成的水基防锈剂FY，它具有良好的水溶性。
2 蓖麻油酸三乙醇胺酯OE的合成
油酸三乙醇胺酯是一个较好的润滑剂，但水溶性不好，蓖麻油酸比油酸油酸多一个－OH，水溶性较好，而且润滑性能更好，因此选用蓖麻油酸，三乙醇胺有三个－OH，可与发生酯化反应。
以某醇类为介质，蓖麻油酸与三乙醇胺以一定的比例同时投入反应烧瓶中，在120～160℃条件下，不断搅拌反应1h。蓖麻油酸的-COOH集团与三乙醇胺的-OH集团发生酯化反应，生成了蓖麻油酸三乙醇胺酯OE，剩余的蓖麻油酸也能与介质反应生成酯类产物。蓖麻油酸三乙醇胺酯OE、及蓖麻油酸与介质反应生成的酯化物都是优良的水溶性油性剂，具有很好的润滑、防锈性能。
3 水溶性金属加工液的合成配方及工艺流程
（1）配方设计
水溶性金属加工液的主要成分有：水基防锈剂FY、蓖麻油酸三乙醇胺酯OE、防腐剂、xx剂、极压抗磨剂、消泡剂，渗透剂。水基防锈剂FY、蓖麻油酸三乙醇胺由实验合成，其它均为市售，各组分配比如表1所示。
表1 水溶性合成加工液的配方
（2）工艺流程
水基防锈剂FY的合成→蓖麻油酸三乙醇胺酯OE的合成→各组分混合→搅拌→加入消泡剂→成品→装桶。
4 水溶性金属加工液的质量指标
按照国标（GB6144 – 85）进行检测，对水溶性金属加工液的理化性能进行检测，结果如表2所示
表2 水溶性金属加工液的质量指标（5%工作液）
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项目 质量指标 |
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外观 淡黄色液体 PH值 8.0~9.0 安定性 - 10 ~ + 70℃，合格 腐蚀性 钢1A铜1A铝1A均合格 防锈性，一级铸铁 单片、叠片均合格 PB/PD值/N 800/1800 消泡性/（ml·min） <2 |
5 水溶性金属加工液应用结果及机理分析
（1）应用结果
水溶性金属加工液研制完成后在多个企业进行了试用，获得理想的效果。综合起来，产品有如下特点。
a 冷却性能突出。能有效带走在金属加工过程中产生的大量热量，保证了加工工具的硬度、强度等能力，从而有效提高工作效率。
b 润滑性能优越。在工作加工区能形成润滑油膜，金属加工液{zd0}无卡咬负荷PB值达800以上。因而能大大地保证了加工工具的使用寿命。表面加工精度也得到显著提高。
c 具有优良的防锈性。能很好地保证加工工件长时间不生锈。
d 具有很好的流动性和清洁性能。能明显提高加工产品的质量。
e 通用性广，可满足钢管制造工业及企业的各种进口、国产机床、磨床、车床、铣床等设备与各加工工艺（车、镗、钻、矿、孔等）的技术要求。
f 具有优良的的化学、热安定性。在高温、高压与空气接触不分解、不变质、不腐蚀金属表面。对操作工人无任何不良刺激，不会污染工作环境。
g 绿色环保。污染少，处理费用低，排放容易。
（2）理论分析
在金属加工过程中，油性剂的优良决定了金属加工液的润滑效果，而油性剂的优良也就在于它是否含有对金属有强烈吸附作用的原子团，并能在金属表面形成良好的物理吸附膜。
蓖麻油酸三乙醇胺中具有-COOH、-NH2等吸附力大的极性基团，对金属有较大的亲和能力，容易在金属表面上形成分子定向吸附润滑膜。该吸附膜能在高温高压和其它工作情况下，防止或减少加工工具与被加工金属表面间的直接接触，因此能起到优良的润滑作用。
从润滑性、防锈性的作用原理来看，其作用机理基本相同［3］。一般都能够牢固吸附在金属表面。如果该添加剂既具有润滑性又具有防锈性，则两者协同一致，并无矛盾。如果只有防锈性能而无润滑性能，则会影响产品的润滑性。因为防锈剂往往优先吸附在金属表面，而且形成致密膜，会影响后面润滑剂的吸附。而水基防锈剂FY在金属表面形成吸附保护膜，钝化膜层，有效拒绝介质中的水分子、氧及其它腐蚀性物质的侵入起到优良的防锈、防腐作用的同时，也能起到很好的润滑作用。因其疏水基团较大，并有芳香结构，具有油性剂的作用。水基防锈剂FY也含有N非活性极压元素起到极压润滑作用，它与蓖麻油酸三乙醇胺相互配合作用就能起到优良的润滑、防锈效果。
水基防锈剂FY与蓖麻油酸三乙醇胺酯OE相互作用下，极大地降低了金属加工液的表面张力，明显地增强了金属加工液的渗透性和流动性。因为加工液的清洗性能跟其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金属加工液，它的清洗性能就好。所以此水溶性金属加工具有优良的清洗性能。
在金属加工过程中起到金属加工液本身就是冷却液，而冷却效果的好坏则取决于此夜的导热系数、汽化热、及汽化速度等。水的导热系数是油的2~2.5倍，故以水为主的水溶性金属加工液具有优越的冷却性能。
在以FY、OE表面活性剂的基础上，添加防腐剂、xx剂、极压抗磨剂、消泡剂，渗透剂配合使用使此水溶性金属加工液的各方面性能大大提高，并能增加使用寿命。
6 结论
（1）以松香、顺酐和三乙醇胺合成的水基防锈剂，具有优良的润滑、防锈和清洗性能。
（2）蓖麻油酸三乙醇胺酯OE是一种优良的水溶性油性剂。
（3）在以水基防锈剂FY与蓖麻油酸三乙醇胺酯OE为润滑、防锈等基础上添加其它组分配置而成的水溶性金属加工液，具有优良的润滑、防锈、冷却、清洗、xx等性能，不但清洁环保且使用寿命长。
