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摩擦學(xué)應(yīng)用研究和金屬加工用油的開發(fā)

更新時間：2011-11-10 點擊次數(shù)：4313

摩擦學(xué)應(yīng)用研究和金屬加工用油的開發(fā)

1.前言

金屬加工用油泛指經(jīng)過機械切割或電火花切割除去金屬或經(jīng)過沖壓、擠壓等成型金屬所用的潤滑油、水基潤滑液和油膏（包括潤滑脂）。與三大油（發(fā)動機油、液壓油和齒輪油）不同，金屬加工用油僅占潤滑油消耗量的1～2%，卻因摩擦工況而千差萬別，所需的金工油品種繁多。三大油用量很大，發(fā)動機油用量占潤滑油總量的一半，預(yù)計到2005年我國車輛總數(shù)達三千萬輛，發(fā)動機油年消耗量達170萬噸。但開發(fā)發(fā)動機油成本很高，國外開發(fā)一個配方所需的臺架試驗等費用高達幾百萬美元?？鐕緫{借其強大的經(jīng)濟實力和技術(shù)搶占領(lǐng)我國發(fā)動機油市場。雖然我國自己研制的發(fā)動機油的水平與國外相比并不低，但由于銷售渠道不通等原因，中石化與中石油的產(chǎn)品只占3%的*。金屬加工用油除少數(shù)幾種外，一般是數(shù)量少，品種多，跨國公司難以全面壟斷中國市場。另一個特點是附加值高，特別是稀缺的品種，利潤率可達100%或以上。還有一個特點是金工油一般沒有像三大油那樣很嚴格的、標(biāo)準(zhǔn)化的臺架試驗程序，更缺乏有效的統(tǒng)一的模擬試驗方法，主要靠現(xiàn)場試驗評價其質(zhì)量的優(yōu)劣。在這種情況下，開展摩擦學(xué)的應(yīng)用研究，對于提高金工油的質(zhì)量，解決面臨的形形色色的潤滑問題，以及發(fā)展行之有效的模擬試驗方法，都有積極意義。本文討論了幾大類金工油的摩擦學(xué)問題，并對今后研究方向提出自己的看法。

2.金屬切削潤滑劑

2.1概況

切削潤滑劑約占金工用油消耗量的一半，其中的切削油主要用于難加工的低速、小進給的加工條件，而大量使用的是有利于環(huán)保、不冒煙和著火的水基切削液，80年代發(fā)達國家的水基切削液約占切削潤滑劑總量的90%以上。水基切削液又分為乳化液、合成液和微乳液三類。雖然這些水基切削液均具有冷卻作用、清洗作用、防銹作用和潤滑作用，但是微乳液的綜合性能更*，而且不易發(fā)霉，廢液處理容易，而*，成為今后的發(fā)展方向。

2.2切削中的摩擦磨損

除了電火花加工是采用脈沖放電，使金屬局部熔化而達到切割金屬的目的，其它切削均采用刀具（包括硬質(zhì)合金刀和陶瓷刀具）和磨料進行金屬加工。

2.2.1切削中的摩擦機理

切削過程中的切削力來源于前刀面和后刀面。一是被切削金屬、切屑和工件表面金屬的彈、塑性變形抗力，另一是刀－屑和刀－工件間的摩擦阻力，而切削力來源的比例，隨著切削體系的變化而變化。切削熱由切削產(chǎn)生，并經(jīng)由刀具、工件、切屑和切削液而傳出。由于切削力和切削溫度較易實現(xiàn)在線檢測，常作為刀具摩擦和破損的間接物理量。

2.2.2切削中的磨損機理

切削是一種劇烈的摩擦磨損過程，刀具的磨損不但縮短刀具壽命而且直接影響被加工零件的精度和表面粗糙度。刀具的磨損機理包括熱磨損和機械磨損，前者是發(fā)動機齒輪和液壓系統(tǒng)中未遇到的特殊的磨損機理，后者則與之有共同特點。

2.2.2.1熱磨損

包括擴散磨損、熱電磨損和氧化磨損。

擴散磨損

切削過程中，刀具承受的切削壓力達到2～3GPa，切削溫度高達900～1100℃。在切削高溫和高速的條件下，刀具的擴散磨損要比一般機械零件大的多。它不只是使刀具擴散而損失材料，還增大刀具與切屑間的粘著，增大刀具的粘著磨損。刀具粘結(jié)劑以及硬質(zhì)相（WC及TiC）的向外擴散和工件成分向工具擴散還引起刀具的脆化和軟化，降低表面強度，增大刀具的粘著磨損和磨粒磨損，使前刀面呈月牙形。
熱電磨損

另一種熱磨損是熱電磨損，在切削區(qū)高溫作用下，刀具與工件兩種不同材質(zhì)的接觸會產(chǎn)生熱電勢和熱電流，使刀具磨損加劇。
氧化磨損

切削溫度高時，刀具材料劇烈氧化形成一系列松軟的氧化物，并被切削帶走，造成“氧化磨損”，造成刀具“燒傷”，使刀具出現(xiàn)溝槽。

2.2.2.2機械磨損

包括磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損，與機械中常見的磨損機理有共同之處。

2.2.2.3各種磨損機理的相對重要性

圖1
①磨粒磨損②疲勞磨損③粘著磨損
④氧化磨損⑤熱電磨損⑥擴散磨損

圖2
（a）高速鋼（b）硬質(zhì)合金（c）陶瓷

在低溫下，刀具的磨損以機械磨損為主，在高溫下，因熱磨損量隨切削溫度的升高比機械磨損快的多，因此占主導(dǎo)地位，在各種不同溫度下各種磨損對刀具的磨損強度（單位切削過程的磨損量）的貢獻不同（圖1），不同材質(zhì)的刀具的磨損特性也不同（圖2）。

2.3切削潤滑劑減磨抗磨機理

2.3.1滲入機理

由于切削過程中摩擦副的幾何結(jié)構(gòu)以及高溫、高壓和高速的特點，切削液本來是很難進入刀－屑和刀－工摩擦接觸區(qū)，有人推測由于切削在摩擦界面上強大的擠壓和剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生微裂紋，起著毛細管的作用，把切削液帶入摩擦表面，起潤滑摩擦面的作用。

2.3.2冷卻作用

冷卻作用取決于導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、汽化熱和對金屬表面的潤滑性。因此，冷卻能力按下列次序遞減：合成液>微乳液>乳化液>切削油，冷卻對于降低切削摩擦工況的苛刻程度起著關(guān)鍵的作用。

2.3.3 潤滑機理

在切削區(qū)的*溫度和壓力下，是難以形成一種機械零件那種流體潤滑和彈流潤滑狀態(tài)的，通常工作在邊界潤滑狀態(tài)下。因此，切削液通常加極壓抗磨劑，在摩擦面形成低剪切強度的邊界潤滑膜來防止刀－屑和刀－工粘結(jié)，并降低切削力和切削強度。對精加工輕載荷的切削，一般添加脂肪酸，在摩擦面形成脂肪酸皂半固體膜，在90～150℃下具有一定的承載能力，而在高速重載切削時則要加S、P、Cl極壓劑，形成高熔點固體潤滑膜（FeS熔點高達980℃以上）在嚴酷條件下起潤滑作用。

對于一個好的切削潤滑劑，不但要求散熱性好，還要求有好的切削性能，希望被切削的工件磨損大而用于切削的刀具和砂輪磨損小，切削省力，刀具和砂輪的壽命長。這與通常的機械零件的一味要求減摩和抗磨有很大的不同，也給切削性能優(yōu)異的切削油液配方研究留下來很大的空間。據(jù)報道，采用新技術(shù)開發(fā)的切削液可使磨削性能提高130倍之多。過去幾十年來，研究論文大量集中在鋼－鋼摩擦副的摩擦磨損和潤滑行為的研究，但是深入探討添加劑對鋼－砂輪潤滑機理的論文。Yamanaka等人詳細研究了用于CBN砂輪的研磨液中各種添加劑的作用，說明極壓劑效果*，特別是含硫極壓劑和酸性磷酸酯，其次是油性劑，而磨擦改進劑zui差，油性劑中C14以上的飽和脂肪酸切削效率zui高。

2.3.4潤滑機理的材料依賴性

切削加工的刀具和磨料采用兩大類不同的材料。，兩者的潤滑機理有很大的不同。由于陶瓷材料的硬脆性，在摩擦磨損過程中不如金屬材料那樣容易產(chǎn)生塑性變形，意味著不容易產(chǎn)生粘著磨損，陶瓷耐高溫，耐腐蝕，耐磨損，同時也降低了極壓抗磨劑的化學(xué)活性，無法象金屬材料那樣容易生成含S、 P、Cl的極壓固體膜，造成潤滑的困難。

2.3.5用于評價切削潤滑劑的有效性的模擬試驗

圖3

除了上車床直接試驗外，還常采用以下試驗機：

四球機

國內(nèi)評價切削潤滑劑的潤滑性zui常用的是四球機，切削油測定P_B和P_D，而水基切削液按GB/T 6144規(guī)定測P_B值。但是四球試驗中并不存在金屬的塑性流動，工廠的經(jīng)驗表明，P_B值的高低與乳化液的切削性能并沒有一定的關(guān)系，有些P_B值高的乳化液中皂含量往往比較高，粘度大，容易堵塞砂輪。楊文慶等人提出用P_D/P_B比值作為評價潤滑性的指標(biāo)，指出采用較高的P_D值和適當(dāng)偏低的P_B值得切削液可以顯著減少砂輪磨損和提高磨削效率。

值得注意的是，用加表面活性劑提高水基切削液的油膜強度P_B值很有效，但是常規(guī)的含S、P、Cl極壓劑加入水基潤滑液中，提高燒結(jié)負荷的效果都很差，可能是水的存在降低了這些傳統(tǒng)極壓劑的效果。例如Imperial-1070母液的P_B值為85Kg，P_D值高達620Kg，稀釋為5%乳化液時，P_B值只下降了5Kg，為80Kg，而P_D值僅為160Kg，與水的燒結(jié)負荷（100－126Kg）相差不大，要有效地提高切削液的P_D值還得靠納米技術(shù)。納米粘土就可以使水的P_D值提高2級。加入1%40～60nm油酸修飾的TiO2微粒，再用茶皂素為表面活性劑將其均勻分散到水中，P_D值高達4400N。
攻絲扭矩試驗機

除了四球機外，評價切削液潤滑性用的zui多的是攻絲扭矩試驗機，可直接測出攻絲扭矩，算出攻絲效率，它還能做擠壓試驗，用于模擬拉拔和軋制。
改型Timken試驗機和Falex試驗機

采用電鍍等方法改變Timken環(huán)塊試驗機的環(huán)或Falex銷塊試驗機的銷的摩擦面的材質(zhì)，用來評價潤滑劑和添加劑的研磨材料。其中一種形式如圖3所示。

3.金屬塑性成型加工潤滑劑

3.1沖壓拉深工藝用潤滑劑

沖壓拉深是機械制造中的一類塑性變形加工工藝。由于晶格的滑移以及劇烈的摩擦產(chǎn)生大量的熱量，難以通過模具在短時間內(nèi)擴散出去。如果沒有很好解決沖壓和拉深過程中的潤滑問題，當(dāng)摩擦力達到一定程度，工件將被拉破而報廢，不但直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且影響模具的壽命。許多大型精密的模具靠進口，價值可達幾百萬美元，會造成很大的損失。

沖壓加工中所需潤滑的部位是模具和被加工板材實際相互摩擦的界面。在沖壓加工中，整個摩擦面很難形成連續(xù)的流體潤滑膜，存在著邊界潤滑和干摩擦。目前，我國沖壓油質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致沖壓零件起皺和大量報廢，廢品率達到7～10%。此外，很多精密的模具都靠進口，每臺高達幾百萬美元，考慮模具的修理和報廢方面的損失比用油成本要大的多，許多廠家寧可采用進口沖壓油。

3.2冷擠壓工藝潤滑劑

冷擠壓是在不引起坯料再結(jié)晶軟化的溫度下，靠擠壓力進行塑性變形的一種加工工藝，其特點是變形抗力大，模具溫度高（300℃），以前多采用磷化工藝，在鋼材表面生成固體磷酸鹽薄膜，但成膜慢，不適合快速加工，采用固體潤滑劑加高分子聚合物的單體的潤滑劑效果較好。

3.3壓鑄工藝潤滑劑

要求模具潤滑劑有好的高溫潤滑性和黏附性，優(yōu)異的潤滑性，和散熱性，趨勢是發(fā)展非石墨型的聚合物型的水基潤滑劑。

3.4 拉拔工藝潤滑劑

大量的棒材，絲材和管材是采用拉拔工藝生產(chǎn)的，而摩擦是在拉拔工藝中起著關(guān)鍵性的作用。拉拔與軋制不同，并不需要摩擦力，希望潤滑劑能使拉拔的摩擦磨損減到zui小。可以采用油基和水基潤滑劑，選擇的依據(jù)是摩擦學(xué)特性和冷卻能力。在拉拔中常遇到的是混合潤滑狀態(tài)，但是高速拉拔加上拉拔過程的接觸幾何條件合適，也有可能形成塑性流體潤滑（plastic hydrodynamic lubrication）。流體潤滑是拉拔中zui為理想的潤滑狀態(tài)，能大大降低摩擦系數(shù)，摩擦表面溫度，不發(fā)生磨損和粘結(jié)損傷，大大提高模具壽命和制品的表面質(zhì)量。拉拔要求潤滑劑有好的黏附性，耐溫，耐壓性，能形成穩(wěn)定的潤滑膜，對線材、絲材和模具起冷卻和潤滑作用，拉拔后潤滑膜易于清除。

3.5軋制潤滑劑

軋制過程中，在旋轉(zhuǎn)的軋輥的壓力下軋體產(chǎn)生塑性變形，形狀改變，長度延伸，寬度增加，軋制可加工鋼、銅、鋁、鋅及其合金。生產(chǎn)棒材、管材、中厚板、薄板及箔材等。以前只有冷軋能生產(chǎn)小而薄的軋體，但冷軋能耗大，近年來隨著熱軋工藝潤滑的快速發(fā)展，熱軋生產(chǎn)合格的1－2mm薄鋼帶也成為可能，熱軋用油?。?.5%油 + 99.5%水混噴）幾乎無污染，可以降低電耗，代替冷軋是鋼廠節(jié)能和環(huán)保的新技術(shù)。上世紀末以來，寶鋼、鞍鋼已經(jīng)引進1780熱軋連軋機生產(chǎn)線，其它鋼廠也紛紛效仿，準(zhǔn)備引進熱軋生產(chǎn)線或者改冷軋為熱軋。熱軋油有廣闊的市場前景。目前國內(nèi)熱軋油市場基本上被國外公司占領(lǐng)，為參與市場競爭，我院與鞍山海華油脂公司合作研制鞍鋼熱軋帶鋼廠1780熱連軋機組熱軋油，目前正處于工業(yè)試驗階段。

3.5.1熱軋油的嚴酷工況：

高溫，接觸軋材的輥的瞬間溫度可達到500～600℃。
高壓，熱軋時金屬所受的單位壓力達到0.03－0.1Gpa（300～1000atm）
高剪切，油膜的剪切率與軋制速度有關(guān)，zui高軋制速度可達20m/s.
在高溫高壓下金屬產(chǎn)生塑性變形，不斷生成新的接觸面而改變接觸條件，給潤滑增加了困難。
熱軋油在極稀濃度下工作，0.5%熱軋油與99.5%水在靜態(tài)混合器混合后噴向工作輥，再經(jīng)冷卻水沖刷，熱軋油的實際工作濃度可能只有0.01%或者更低，因此對熱軋油本身的潤滑性能要求非常高，否則起不到減摩和抗磨作用。

3.5.2對熱軋油的要求

較高的高溫粘度，好的粘附性和離水展著性。
部分隔離或減少軋輥與水的直接接觸，減少黑皮的產(chǎn)生及由此引起的磨粒磨損。
有適中的摩擦系數(shù)，既要減少軋制力，又要防止打滑。
好的流動性和擴散性，防止軋輥局部磨損。
較好的熱分解穩(wěn)定性，進入變形區(qū)前不至于燃燒和變質(zhì)，燃燒后灰份可減少打滑機會。
無毒，氣味小，符合環(huán)保要求，不損害工人健康。日益嚴格的環(huán)保要求也是對金工油zui大的挑戰(zhàn)之一。
好的貯存安定性，不會產(chǎn)生沉淀而堵塞噴嘴和管線。

3.5.3熱軋中的磨損

粘著磨損、磨粒磨損、化學(xué)磨損和腐蝕磨損以及疲勞磨損四大磨損類型同時存在于熱軋中，情況十分復(fù)雜。

3.5.4軋輥材質(zhì)的影響

軋輥的材質(zhì)復(fù)雜，有半鋼輥，高鉻鋼輥，Ni－Cr鋼輥以及高速鋼輥四種，對用油也有不同的要求，開發(fā)適應(yīng)性廣，性能*，品種單一的熱軋油將給用戶帶來很大的方便。為減少高溫下形成的黑皮（Fe₃O₄＋Fe₂O₃混合物）對軋輥磨損的影響，目前有用高速鋼代替其它鋼種制備軋輥的趨勢。高速鋼軋輥對潤滑劑不敏感，今后應(yīng)加強高速鋼軋輥的潤滑問題的研究。

4.結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟的騰飛，金屬加工用油市場越來越廣泛。金屬加工用油具有數(shù)量少，品種多，附加值高的特點。國外公司難以全面占領(lǐng)我國市場，應(yīng)加緊金工用油的開發(fā)，參與競爭。
金屬加工用油的工況十分復(fù)雜，但解決摩擦磨損問題是研發(fā)中必須解決的關(guān)鍵問題。環(huán)保問題也是在配方研究中必須認真考慮的問題。
加深對切削、沖壓、拉拔、擠壓、壓鑄和軋制幾大類加工中的遇到的共同和不同的摩擦磨損問題的研究，是研發(fā)金工用油的必要的基礎(chǔ)工作。
重點開發(fā)金工用油中數(shù)量較大的品種，能取得較好的經(jīng)濟效益。
發(fā)展金工用油配套的添加劑系列，包括極壓抗磨劑，油性劑，抗氧劑，防銹劑，乳化劑，破乳劑，消泡劑，殺菌劑等。除了利用現(xiàn)有的商品化添加劑外，還需要根據(jù)特殊工況的需要，采用新技術(shù)，如納米技術(shù)，陶瓷合金表面修復(fù)技術(shù)等，研制新的添加劑品種。
鑒于金工用油市場很復(fù)雜，售后服務(wù)要求又很高，走學(xué)校、研究院、廠礦三結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將推動金工用油國產(chǎn)化，在競爭中處于有利地位。

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