CN102010780B - 一种粘度可控型水基润滑液及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种粘度可控型水基润滑液及应用。润滑液由三乙醇胺硼酸酯、油酸三乙醇胺、癸二酸三乙醇胺、醇类增粘剂、有机硅消泡剂和水组成。粘度范围为0.9mPa·s-8mPa·s。由于水基润滑液主要成分为水，因此保留了水的优良特质——阻燃性与较高的比热；水基润滑液各组分价格低廉，且均呈无毒且可降解性强，符合绿色环境友好型润滑剂的要求；通过试验，验证该润滑液具有较好的防锈性能；润滑液的防锈剂组分中含有具有吸附力大的极性基团，因此对摩擦副形成减摩、抗磨作用，延长了设备使用寿命；可根据具体工程要求，通过改变增粘剂含量的方法调节润滑液粘度，从而保证加工设备主轴、静压导轨系统较高刚度、承载能力与热稳定性。

Description

一种粘度可控型水基润滑液及应用

技术领域

本发明涉及了一种应用于机械设备主轴、静压导轨系统的润滑液，主要用于支承主轴的滑动轴承、支承运动部件的静压导轨的润滑，提供了一种粘度可控型水基润滑液及应用。

背景技术

轴承是旋转加工设备的重要部件，主轴系统的回转精度、轴系刚度、转速、承载能力、轴承寿命直接决定了加工设备的加工精度、工作效率、维修周期与最终产品的性能；静压导轨是在两个相对运动的导轨面间通入压力油或压缩空气，使运动件浮起，以保证两导轨面间处于液体或气体摩擦状态下工作。流体滑动轴承或静压导轨具有运动精度高、承载能力强及刚度高的优点，但是传统的油基滑动轴承的主轴以及油基静压导轨在运动时由于发热大，导致热稳定性变差，从而影响精度的提高；同时还由于矿物油还存在着严重的污染问题，不适应现代工业可持续性发展的要求。

目前的润滑油多为矿物润滑油，矿物基润滑油在自然环境中可生物降解能力很差，将会由于长期积聚而对生态环境造成较为严重的污染问题。为适应现代工业对于环境保护以及可持续性发展的需要，本发明的新型润滑液所有组分都应为绿色介质或添加剂。参照德国“BlueAngel”组织对绿色润滑剂添加剂的规定，新的润滑剂应不含致癌物、致基因诱变、畸变物；不含氯和亚硝酸盐；不含金属(除钙外)；最大允许使用7％的具有潜在可生物降解性的添加剂；还可添加2％不可生物降解的添加剂，但必须是低毒的。

现有滑动轴承或静压导轨形式根据其结构或工作要求，需要选用特定型号的润滑油，其组分与粘度固定。对于固定结构形式的主轴滑动轴承或机床平台静压导轨，滑动摩擦副如果采用低粘度的润滑介质，摩擦功率、发热量就小，利于提升主轴或静压导轨的热稳定性，同时低粘度流体对应的润滑膜厚度小，主轴理论回转精度就高(上述低粘度润滑介质带来的优点对于机床主轴与导轨的性能提高具有重要意义)，但是此时承载能力与刚度较低；当采用高粘度润滑油时，则会产生较高的发热量，导致主轴或导轨热变形量较大，加工精度无法保证。因此，如果上述机械设备采用可调节粘度的润滑剂，就可以在不更换设备与润滑介质的情况下，完成低速重载、高速轻载以及高速高精密加工等多种加工要求。

机械设备多为金属材料制造，因此用于机械加工设备的润滑液必须具有较好的防锈性能。防锈剂大多数都是极性很强的化合物，其作用是能够吸附在金属表面上而形成致密的保护膜或与金属表面化合形成一层钝化膜，进而防止金属与腐蚀介质接触，即可起到防锈作用。水溶性防锈剂可分为无机防锈剂和有机防锈剂两类。无机防锈剂的作用一般是使金属表面生成不溶性钝化膜或反应膜层而起到防锈作用。常用的水溶性无机防锈剂包括亚硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钼酸盐等，但由于亚硝酸盐、磷酸盐具有毒性，硅酸盐与硼酸盐不易溶解，钼酸盐成本昂贵，因此在不适用于作为新型水基润滑液的防锈添加剂。在本发明中，采用了多种绿色有机防锈剂复配的方法保证润滑液的防锈性能。

另外，润滑油由于具有可燃性，存在着安全隐患；本发明提出采用的水基润滑液以水为主要成分，因此具有阻燃性的安全特点。

发明内容

本发明的目的是针对滑动轴承、静压导轨润滑用矿物润滑油的缺陷，配制出一种在一定低粘度范围内粘度可控的润滑液，同时具备绿色环保性、防锈性的优良特性，适用于机械加工设备的主轴滑动轴承、机床静压导轨。

如前所述，如果润滑液粘度可调，不仅提高了滑动轴承主轴、静压导轨的使用便宜性，而且有效扩宽了这些机械设备的适用性。因此，本发明提出采用水基润滑液作为滑动轴承或静压导轨的润滑介质，针对具体的设备形式，根据实际工作条件，在设计人员根据生产经验或通过计算确定润滑液的所需粘度后，通过在基础液(纯水)中定量加入添加剂的方法(添加剂用量与润滑液温度-粘度的对应关系通过试验确定，见下文介绍)，实现润滑液在较低的粘度范围内粘度可控，即能够保证主轴或静压导轨较高刚度与承载能力的同时，使得系统发热量少，热稳定性好，精度高，弥补了采用润滑油润滑轴承、静压导轨的缺点，特别适用于高速高精密加工情况。

本发明的一种粘度可控型水基润滑液，其组分及重量百分比如下：

三乙醇胺硼酸酯      8-15％；

油酸三乙醇胺        9-12％；

癸二酸三乙醇胺      0.1-1％；

醇类增粘剂          0-32％；

有机硅消泡剂        3‰-5‰；

其余成分为水。

所述的醇类包括乙二醇，丙二醇、丙三醇或其他无毒的醇类。

粘度可控型水基润滑液，其特征是粘度范围为0.9mPa·s-8mPa·s。

所述的油酸三乙醇胺作为防锈剂，包括采用植物油与动物油制备而成的油酸三乙醇胺。为消除有机化合物与水混合后所产生的气泡，润滑液中还加入了3‰-5‰有机硅消泡剂。润滑液的基础液为水，包括高纯净水、蒸馏水、自来水以及矿泉水。水基润滑液应用，其特征是适用于机床加工设备的滑动轴承主轴或静压导轨的润滑。

除了增粘剂外的润滑液其他添加剂剂量(指在发明所要求的用量范围内)对于润滑液的整体粘度变化极小，在润滑液中将不起到调节粘度的作用。三乙醇胺硼酸酯、油酸三乙醇胺与癸二酸三乙醇胺将协同起到防锈的作用；有机硅消泡剂将起到消除润滑液中泡沫的作用。

增粘剂组分选择乙二醇、丙二醇或其他无毒害的醇类，由于本润滑液特点为粘度可控，需要在实际使用中，根据设计人员对润滑液的具体粘度要求，而改变增粘剂的含量从而实现润滑液粘度值可调。采用上海地学仪器研究所生产的SBN-2数字旋转粘度计，对加入不同剂量增粘剂后的水基润滑液的温度-粘度特性进行了测定。改变增粘剂(醇类物质，试验中采用乙二醇)与水含量从而调节水基润滑液粘度，得到此时含不同浓度增粘剂的润滑液的温度-粘度特性(如表1、图1所示)。在实际使用中，可根据预先实验测得的粘度值，根据所需要的粘度，调配出合适的水基润滑液。当增粘剂含量为0％时，表示润滑液只由水、防锈剂与消泡剂构成；此时的润滑液虽然与普通水溶液粘度值相差不大(比水溶液略高)，但是与其他各组润滑液相同，其对于金属材料的防锈性要远优于水溶液(防锈性能试验参见实施例3)，因此仍可以根据工程应用中对粘度的实际要求，适用于机械加工设备的主轴滑动轴承、机床静压导轨的润滑系统中。

表1

本发明的有益效果：由于水基润滑液主要成分为水，因此保留了水的优良特质——阻燃性与较高的比热(采用电阻-液体热平衡法测得含20％增粘剂时的润滑液比热为3.47kJ/kg·K)；水基润滑液各组分价格低廉，且均呈无毒(极少成分为微毒)且可降解性强，符合绿色环境友好型润滑剂的要求；通过试验，验证该润滑液具有较好的防锈性能；润滑液的防锈剂组分中含有具有吸附力大的极性基团，因此对摩擦副形成减摩、抗磨作用，延长了设备使用寿命；可根据具体工程要求(对具体温度下润滑液粘度的需要)，通过改变增粘剂含量的方法调节润滑液粘度，从而保证加工设备主轴、静压导轨系统较高刚度、承载能力与热稳定性。

附图说明

图1是不同浓度增粘剂的润滑液的温度-粘度特性图。

具体实施方式

下面介绍该绿色水基润滑液的配制与使用方法。

实施例1：适用于滑动轴承润滑时使用方法：该润滑液适用于滑动轴承润滑时，其使用方法与普通润滑油类似。如果滑动轴承为动压滑动轴承，可采用将摩擦副浸于润滑液形式的方式，主轴旋转时由于动压效应润滑液可形成承载液膜保证主轴正常稳定的工作；如果滑动轴承为静压或动静压润滑的形式，参照具体滑动轴承与节流器结构，以一定压力打入滑动轴承系统，在轴承间隙中形成承载液膜，保证主轴正常稳定的工作。

在高纯水机中制备出高纯净水82.6kg，另准备8kg三乙醇胺硼酸酯、9kg油酸三乙醇胺、0.1kg癸二酸三乙醇胺以及0.3kg有机硅消泡剂，随后将上述各成分倒入小型搅拌釜(或其它容量适合的干净容器)中，充分搅拌10分钟，最后形成的溶液为淡黄色透明无刺鼻气味液体，从而制备完成水基润滑液(经计算，此时润滑液中各组分重量百分比为：水82.6％、三乙醇胺硼酸酯8％、油酸三乙醇胺9％、癸二酸三乙醇胺0.1％、有机硅消泡剂0.3％)，并将润滑液倒入循环润滑系统的液箱中备用。该实例中由于未加入可提升润滑液粘度的醇类物质，因此在润滑液粘度可调范围内其粘度值为最低，经测试在室温时该润滑液粘度值在1.6mPa·s左右。

将该润滑液用于采用滑动轴承支承的高速主轴(主轴直径80mm，转速为10000rpm，采用小孔节流形式，供液压力为2MPa，径向轴承间隙20μm)，经试验主轴运转平稳，经测试主轴径向刚度可达210N/μm，而摩擦功耗则在100W以下。此时润滑液膜温升较小，主轴具有较好的热稳定性，可用于精密加工领域。

为验证润滑液性能，设定该主轴应用于需要承受更高载荷或要求更高刚性的工作场合，要求此时润滑液粘度在室温时可达到2.7mPa·s左右。因此，根据表1中增粘剂添加剂量与润滑液粘度对应关系，在前述润滑液中继续添加8kg三乙醇胺硼酸酯、6kg油酸三乙醇胺、0.6kg癸二酸三乙醇胺、0.3kg有机硅消泡剂以及20.28kg增粘剂乙二醇，并搅拌均匀(经计算，此时润滑液中各组分重量百分比为：水61.2％、三乙醇胺硼酸酯11.8％、油酸三乙醇胺11.1％、癸二酸三乙醇胺0.5％、有机硅消泡剂0.4％以及增粘剂15％)。在前述主轴工况下，测试得到主轴径向刚度达到280N/μm，主轴刚性明显得到提升，虽然此时摩擦功耗升高(约为170W)，但仍在工作许可范围内。

实施例2：适用于静压导轨时的使用方法：如用于开式静压导轨，润滑液由液泵以一定压力经节流器进入导轨单面液腔，将运动部件浮起，使导轨面运动时处于纯液体摩擦状态，并形成承载液膜；如用于闭式静压导轨，润滑液由液泵以一定压力通过节流器，进入导轨各面的多个液腔形成承载液膜，并保证导轨承受双向外载荷仍能够正常工作。

准备39.5kg高纯净水、15kg三乙醇胺硼酸酯、12kg油酸三乙醇胺、1kg癸二酸三乙醇胺、32kg乙二醇以及0.5kg有机硅消泡剂，随后将上述各成分倒入小型搅拌釜(或其它容量适合的干净容器)中，充分搅拌15分钟，最后形成的溶液为黄色透明无刺鼻气味液体，从而制备完成水基润滑液(经计算，此时润滑液中各组分重量百分比为：水39.5％、三乙醇胺硼酸酯15％、油酸三乙醇胺12％、癸二酸三乙醇胺1％、有机硅消泡剂5‰以及增粘剂32％)，并将润滑液倒入循环润滑系统的液箱中备用。该实例中水基润滑液由于加入了最高剂量的增粘剂，因此在润滑液粘度可调范围内其粘度值较高，经测试在室温时该润滑液粘度值在6.8mPa·s左右。

将该润滑液用于采用圆形滑块的闭式静压导轨(圆形导轨直径100mm，长度140mm，供液压力为2.5MPa，导轨平均半径间隙25μm)，以支承机床工作平台，经测试静压导轨系统运转平稳，整体承载能力可达到约为1400N，润滑液膜刚度达到360N/μm以上。此时润滑液膜温升较小，导轨-平台系统具有较好的热稳定性，可用于精密加工领域。

实施例3：在水基润滑液各组分已经确定的情况下，测试润滑液防锈性能，参照国家标准GB6144-85(切削液防锈性能测试的规定)作为试验标准，采用单片法和叠片法测试了润滑液(实验样品包括了多组含不同防锈剂配比的润滑液；为减少试验时间，采用5％稀释水溶液)的防锈性能。具体试验方案如下：

单片防锈试验：将标准试片用刚玉纱布磨光，用脱脂棉蘸无水酒精擦洗，电吹风吹干，用吸管吸取稀释液，按梅花格式滴五滴于光面上(每滴直径4-5mm)，试片放于干燥器隔板上(干燥器底部放入少量水)，加盖玻璃罩，合上干燥器盖，置于已恒温到35℃的恒温箱中，连续试验48h，取出观察，五滴无锈为A级，四滴无锈为B级，三滴无锈为C级，二滴无锈为D级。A级为合格。试验中润滑液滴点均无锈迹，证明此试验环境下防锈性能良好。

叠片防锈试验：将两片同样大小的标准试片磨光、擦洗，用电吹风吹干，其中一片平放在干燥器的隔板上，将待测润滑液用吸管均匀涂布于标准试片经处理干净的表面上，再将另一片处理干净的标准试片重叠其上，然后将该对叠片置于干燥器中，干燥器底部要放有蒸馏水，加盖后将干燥器放入恒温箱内，在40℃恒温箱中恒温至规定时间，取出打开两试片，立即观察表面锈蚀情况。试验准备了10对试片，每隔2小时打开一对，如果打开后发现未生锈，就每间隔2小时后再打开一对，直至发现试片发生锈蚀为止，最终的发生锈蚀时间即为该配方的防锈时间。在试验中，对不同防锈剂配比方案的溶液均做了试验，其中质量含量三乙醇胺硼酸酯为11％、油酸三乙醇胺为10％、癸二酸三乙醇胺为1％的润滑液体现了最佳的防锈性能，其叠片防锈时间为20个小时。

本发明水基润滑液及应用，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变工艺参数、结构设计等环节实现。本发明的系统已通过不同的实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的系统进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (4)

1.一种粘度可控型水基润滑液，其特征是组分及重量百分比如下：

三乙醇胺硼酸酯        8-15%；

油酸三乙醇胺          9-12%；

癸二酸三乙醇胺        0.1-1%；

醇类增粘剂            0-32%；

有机硅消泡剂          3‰-5‰；

其余成分为水。

2.如权利要求1所述的水基润滑液，其特征是所述的醇类包括乙二醇，丙二醇、丙三醇或其他无毒的醇类。

3.如权利要求1所述的粘度可控型水基润滑液，其特征是粘度范围为0.9mPa·s-8mPa·s。

4.如权利要求1所述的粘度可控型水基润滑液的应用，其特征是增粘剂乙二醇与粘度的对应关系如表所示：

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