0 引言水基合成切削液具有优良的冷却、清洗功能,使用寿命长,透明度好,便于操作者观察。因此,它已被广泛应用于生产中。但由于其润滑性能较差,难以满足现代切削加工的要求。因而我们有必要对切削液的润滑性能进行更深入的研究。水基合成切削液通常由润滑添加剂、防锈添加剂。表面活性剂及水等组成。其中关键成份是润滑添加剂,而润滑添加剂一般分为油性剂和极压剂两类。本文利用四球试验机对油性剂及极压剂进行了磨损试验,考察了它们各自的抗磨性能及复配后的协同效应,并且探讨了它们的作用机理。
1 试验部分
1.1 高水基润滑剂的合成以油酸三乙醇胺(自制)作为油性剂,以磷酸三丁酯、硫脲和硼砂作为极压剂,配制成高水基润滑剂,几种试验水溶液的配比见表1。
1.2 磨损试验四球机型号为MS-800(厦门产);转速为1450r/min;钢球直径Φ12.7,材质为GCr15轴承钢;温度为室温,试验时间为10s,分别对配制的几种水溶液进行磨损试验,用读数显微镜测定三个底球的磨痕直径。最大无卡咬负荷PB值按GB3142—82标准测定。几种水溶液的最大无卡咬负荷PB值见表1。
2 试验结果与讨论
2.1 油性剂或极压剂单独使用时的抗磨性能油酸三乙醇胺是一种典型的水溶性油性剂,磷酸三丁酯、硫脲、硼砂是含磷、硫、硼的水溶性极压剂,表1列出了它们单独使用时的油膜强度,即最大无卡咬负荷数值。单独使用油性剂油酸三乙醇胺(见试验1)的PB值647N。这是因为油性剂分子具有强极性基团,吸附能力强,能够吸附在金属摩擦表面并发生化学反应,形成较牢固的物理吸附膜和化学反应膜。具有一定承载能力,能够达到减摩抗磨作用。但是当载荷增大时,温度升高,油膜破裂而失效。因此,油性剂通常只能用在载荷不大,即摩擦部位温度不高的情况下[1,2]。
单独使用极压剂作用时(见试验2、4、6),由于极压剂分子是活性分子,无油性基团,它们的吸附能力很差,几乎不能吸附在摩擦表面,因而参与摩擦化学反应的量少,不能形成润滑油膜,所以它们的最大无卡咬负荷均小于98N。
2.2 油性剂与极压剂复配时的抗磨性能从表1所列试验结果可以看出,由油酸三乙醇胺分别与磷酸三丁酯、硫脲和硼砂这三种极压剂复配使用的润滑剂的抗磨性能均高于单独使用油性剂或极压剂配制的润滑剂的抗磨性能。这是因为,在摩擦过程中起减摩抗靡作用的主要是摩擦化学反应润滑膜。而摩擦化学反应膜的形成过程分为三个阶段,即(1)分子吸附阶段,(2)聚合物生成并粘附阶段,(3)和摩擦表面反应生成极压润滑膜阶段[3]。我们知道,磷酸三丁酯属于含磷极压添加剂,它在摩擦过程中与金属接触并发生化学反应,生成磷酸铁润滑膜;硫脲是含硫的添加剂,在摩擦条件下,硫与金属起化学反应,生成熔点高达1193℃的FeS润滑膜[4];硼砂具有优良的的抗极压性能、高的承载能力,它作为极压剂正在得到广泛的应用。硼砂在摩擦表面通过沉积膜(B2O3、FeO)而起减摩抗磨作用。而所有上述极压添加剂与金属发生化学反应生成极压润滑膜的条件是在金属摩擦表面必须要有足够的参与摩擦化学反应的组分即物理吸附物。油性剂与极压剂复配后,在极压状态下,以油性剂油酸三乙醇胺为载体,使极压剂磷、硫、硼化合物一起被吸附在金属摩擦表面,进行化学反应,生成磷酸铁润滑膜、硫化铁润滑膜和硼质润滑膜,从而起到减摩抗磨作用。理论分析和试验结果证明,油性剂与极压剂复配有明显的协同抗磨效应,由它们复配的高水基润滑剂具有良好的减摩抗磨作用。
2.3 油性剂与极压剂的最佳配比
我们使用0.618法对油性剂与极压剂复配的比例进行了试验优化,试验结果见图1。从图中可以看出,油性剂与极压剂复配,在一定配比下,能使最大无卡咬负荷PB值达到最大值,即抗磨性能最好。所以油性剂与极压剂的复配存在一个最佳配比。对于以硼砂作为极压剂的高水基润滑添加剂的最佳配比为,硼砂1.9%、油酸三乙醇胺3.1%,其最大无卡咬负荷PB=784N;以硫脲作为极压剂的高水基润滑添加剂的最佳配比为,硫脲1.0%,油酸三乙醇胺4.0%,其最大无卡咬负荷PB=826N。
3 结论通过理论分析和试验结果讨论,可以得出如下结论:
3.1 单独油性剂作用时,只在低压下起作用。
3.2 单独极压剂作用时,最大无卡咬负荷很小。
3.3 油性剂与极压剂复配后的抗磨性能比油性剂或极压剂单独作用时要高,说明具有优良的协同抗磨效应。
3.4 以硼砂作为极压剂的高水基润滑添加剂的最佳配比为含硼砂1.9%、油酸三乙醇胺3.1%,其最大无卡咬负荷PB=784N。
3.5 以硫脲作为极压剂的高水基润滑添加剂的最佳配比为含硫脲1.0%、油酸三乙醇胺4.0%,其最大无卡咬负荷PB=862N。
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