CN104185675A - 金属加工流体组合物及其用于加工致密石墨铸铁的方法 - Google Patents

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Abstract

用于减少在铁加工期间工具磨损的组合物和方法，所述方法包括施用一种包含水、润滑剂酯和含硫润滑剂添加剂的组合物。

Description

金属加工流体组合物及其用于加工致密石墨铸铁的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月9日提交的美国临时专利申请号61/568,979的优先权权益，其通过引用以全文并入。
背景
铸铁可用于生产很多工业部件。某些类型的铸铁如致密石墨铸铁可能难以加工；在工业部件制造中通常必需的金属切削和研磨可能存在挑战和困难，导致例如工具磨损的快速和加速速率，以及产生的零件的降低的品质。
随着工业中当前正进行的用致密石墨铸铁代替标准灰铸铁以产生更轻和更高强度零件的许多成果，描述结构和组成两者的差异导致这两种金属在材料性质和可加工性方面的差异是有用的。灰铸铁传统用于生产发动机组、气缸盖以及各种其它汽车部件。灰铸铁中的石墨具有薄片状结构。以互连石墨薄片为主，产生基质内高的不连续性水平和应力集中效应，随后产生灰铸铁的性质特征，例如良好的导热性、阻尼容量和良好的可加工性质。因此灰铸铁容易以低生产成本加工，（较高金属切削率及长的工具寿命）。不同于灰铸铁，致密石墨铸铁具有与珊瑚很像的石墨结构。这样的石墨结构产生金属内较低的不连续性水平和应力集中效应，产生较高强度和韧度性质，以及较低可加工性。
除石墨结构差异之外，灰铸铁和致密石墨铸铁之间有显著的组成差异，这也很大程度上造成这两种金属的可加工性差异。在灰铸铁中存在硫被认为是与该金属的高可加工性有关的关键因素。
由于这两个因素（石墨形态和硫浓度），致密石墨铸铁的可加工性显著较低，且工具磨损比起经历灰铸铁加工的工具磨损显著较高。先前报导的研究表明，对于致密石墨铸铁的铣削和钻孔操作，工具寿命可能为在用灰铸铁的类似加工操作中获得的工具寿命的一半，而在致密石墨铸铁镗削操作中的工具寿命观察到仅为其十分之一。因此显然，需要能实现改进的和更经济的致密石墨铸铁加工的技术进步。在工具工程领域的研究和开发、加工条件优化、致密石墨铸铁组成以及金属加工流体组合物。本发明描述新的流体组合物及使用方法，可在普通等级致密石墨铸铁的加工中提供提高的工具寿命和零件品质。
发明概述
根据本发明的一些实施方案，铁加工组合物包括水、润滑剂酯和含硫润滑剂添加剂。在一些实施方案中，润滑剂酯或润滑剂酯的组合存在的量为约1重量%-约50重量%，并且可包括多元醇酯、基于甘油的酯和/或选自以下的酯：2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷、2-羟基-1,3-丙二醇、2,2-双(羟甲基)-1,3-丙二醇和1,2,3-丙三醇的C12-C18脂肪酸酯。合适的酯还可包括如下产生的那些：多元醇与氧化乙烯和/或氧化丙烯初始反应，然后是后续酯化，以产生聚氧烷基化的多元醇酯。合适的酯还包括通过羟基-官能化脂肪酸（例如蓖麻油酸）的缩合以得到低聚和聚合酯而产生的那些酯。
在一些实施方案中，含硫润滑剂添加剂存在的量为约0.1重量%-约20重量%，并可包括硫化α-烯烃、二分支烷基三硫化物和多硫化物、含硫羧酸、复合硫化酯和/或二烷基多硫化物，所述二烷基多硫化物选自具有下式的那些：CH3-C(R1)(R2)-(CH2)n-)x-Sm，其中R1 = H或CH3，R2 = H或CH3，n = 8-20，x = 1-2，且m = 2-7。
在一些实施方案中，铁加工组合物包括脂肪酸，例如含有12-22个碳的饱和及不饱和链的那些脂肪酸，其量为约0重量%-约12重量%。
在一些实施方案中，铁加工组合物包括约0重量%-约10重量%的下式胺化合物的混合物：R1(R2)-N-R3，其中R1 = H、CH3或-CH2CH2OH，R2 = H、CH3-(CH2)n（其中n = 0-22）、-CH2CH2OH或环状C6H11，且R3 = -(CH2CH2O)m-H（其中m = 1-12）、CH3-(CH2)xO-（其中x= 0-8）或环状C6H11。
在一些实施方案中，铁加工组合物包括约0重量%-约30重量%的硼酸-胺加合物，其中所述硼酸胺加合物可由包括以下的一种或多种结构的混合物组成：硼酸的胺盐、硼酸-烷醇胺(alkonaolamine)酯（包括环状硼氧烷酯）和多聚硼酸胺盐。
在一些实施方案中，铁加工组合物包括约0重量%-约50重量%的矿物油。合适的矿物油可以是纯的或矿物油例如环烷烃油和链烷烃油的混合物，在40摄氏度下为约15cSt-约30cSt。
在一些实施方案中，铁加工组合物包括约4重量%-约10重量%的非离子乳化剂和阴离子乳化剂的混合物。
根据一些实施方案，加工铁的方法包括在用于加工前，将本发明的流体组合物(称为流体浓缩物)作为水稀释物施用，本发明的组合物首先用水稀释，以产生1%-100%浓度的流体浓缩物。在一些实施方案中，与常规润滑剂流体相比，这样的施用可将铁加工期间的工具磨损降低例如约5%-约90%。在一些实施方案中，加工的铁为致密石墨铸铁。
附图描述
图1显示在钻孔期间测量的轴向力。
图2显示在钻孔期间测量的扭矩；
图3图示钻孔后的工具磨损；
图4显示用各种加工流体的工具磨损；
图5显示用各种加工流体的切削力；
图6显示钻孔时得到的工具磨损；和
图7显示经过130个铰大的孔后测量的表面光洁度。
发明详述
本发明的一些实施方案的组合物和方法涉及金属加工流体组合物及其用于加工金属（例如铁）的方法。在一些实施方案中，本发明的组合物和方法涉及加工致密石墨铸铁（也称为“CGI”或“蠕虫状铸铁”）。在一些实施方案中，本发明的流体组合物及施用方法，在用于对铁例如致密石墨铸铁进行的金属切削和研磨过程时，可通过有效减少磨损而显著延长所用工具的寿命，而且可提高产生的零件的品质。在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括至少酯润滑剂与含硫润滑剂添加剂组合。
酯润滑剂
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括一种或多种酯润滑剂。合适的酯润滑剂可包括多元醇和天然羧酸酯，例如支链或环状的一元醇、二元醇和多元醇的长链（C12-C22）羧酸酯。合适的酯润滑剂也可包括烷氧基化多元醇酯，例如支链或环状的一元醇、二元醇和多元醇的长链(C12-C22)羧酸酯，其中多元醇在形成羧酸酯前经烷氧基化。合适的酯还可包括通过羟基-官能化脂肪酸（例如蓖麻油酸）缩合以得到低聚和聚合的酯所产生的那些酯。在一些实施方案中，合适的酯润滑剂包括含有羧酸部分的酯，所述羧酸部分选自具有长度为12-22个碳的饱和及不饱和烷基链的羧酸，其中脂肪酸与单官能或多官能醇反应以形成可用于本发明的酯，所述单官能或多官能醇选自但不限于2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷、2-羟基-1,3-丙二醇、2,2-双(羟甲基)-1,3-丙二醇和1,2,3-丙三醇。
在一些实施方案中，流体组合物含有以下量的酯润滑剂：流体组合物的约1重量%-约50重量%；流体组合物的约2重量%-约40重量%；流体组合物的约3重量%-约35重量%；流体组合物的约4重量%-约30重量%；流体组合物的约5重量%-约25重量%；流体组合物的约6重量%-约20重量%；流体组合物的约6重量%-约15重量%；流体组合物的约7重量%-约10重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约16重量%；流体组合物的约18重量%；流体组合物的约20重量%；流体组合物的约22重量%；流体组合物的约24重量%；流体组合物的约26重量%；流体组合物的约28重量%；流体组合物的约30重量%；流体组合物的约32重量%；流体组合物的约34重量%；流体组合物的约36重量%；流体组合物的约38重量%；流体组合物的约40重量%；流体组合物的约42重量%；流体组合物的约44重量%；流体组合物的约46重量%；流体组合物的约48重量%；和流体组合物的约50重量%。
含硫润滑剂添加剂
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括一种或多种含硫润滑剂添加剂。合适的含硫添加剂可包括硫化α-烯烃、二分支烷基三硫化物和多硫化物、含硫羧酸、复合硫化酯和/或二烷基多硫化物。
在一些实施方案中，合适的含硫化合物包括如式1所示的结构：
式1：CH3-C(R1)(R2)-(CH2)n-)x-Sm
其中R1 = H或CH3，R2 = H或CH3，n = 8-20，x = 1-2，且m = 2-7。
在一些实施方案中，流体组合物包括以下量的含硫润滑剂添加剂：流体组合物的约0.1重量%-约20重量%；流体组合物的约0.2重量%-约18重量%；流体组合物的约0.3重量%-约16重量%；流体组合物的约0.4重量%-约14重量%；流体组合物的约0.5重量%-约12重量%；流体组合物的约0.6重量%-约10重量%；流体组合物的约0.7重量%-约10重量%；流体组合物的约0.8重量%-约9重量%；流体组合物的约0.9重量%-约8重量%；流体组合物的约1重量%-约7重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.2重量%；流体组合物的约0.4重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约0.6重量%；流体组合物的约0.8重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约3重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约9重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约16重量%；流体组合物的约18重量%；或流体组合物的约20重量%。
除金属加工流体的以上两种组分之外，本发明的组合物还可含有普遍用于很多金属切削润滑剂流体的其它化合物。这些化合物和这些化合物的浓度在以下描述。
脂肪酸
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括脂肪酸。合适的脂肪酸可包括但不限于链长为12-22个碳、作为单一脂肪酸类型或作为两种或更多种脂肪酸的组合加入到配方的那些脂肪酸。
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括以下量的脂肪酸：流体组合物的约0重量%-约30重量%；流体组合物的约0.1重量%-约30重量%；流体组合物的约0.5重量%-约25重量%；流体组合物的约1重量%-约20重量%；流体组合物的约2重量%-约17重量%；流体组合物的约3重量%-约15重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约3重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约9重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约11重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约13重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约15重量%；流体组合物的约17重量%；流体组合物的约20重量%；流体组合物的约22重量%；流体组合物的约25重量%；流体组合物的约27重量%；或流体组合物的约30重量%。
胺
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括胺或胺化合物的混合物。合适的胺可包括但不限于下式的那些：R1(R2)-N-R3，其中R1 = H、CH3或-CH2CH2OH，R2 = H、CH3-(CH2)n（其中n = 0-22）、-CH2CH2OH或环状C6H11，且R3 = -(CH2CH2O)m-H（其中m = 1-12）、CH3-(CH2)xO-（其中x= 0-8）或环状C6H11。这些胺包括乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇、二环己基胺和二甘醇胺。
在某些实施方案中，本发明的流体组合物包括以下量的胺或胺的混合物：流体组合物的约0重量%-约30重量%；流体组合物的约0.1重量%-约30重量%；流体组合物的约0.5重量%-约25重量%；流体组合物的约1重量%-约20重量%；流体组合物的约2重量%-约17重量%；流体组合物的约3重量%-约15重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约3重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约9重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约11重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约13重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约15重量%；流体组合物的约17重量%；流体组合物的约20重量%；流体组合物的约22重量%；流体组合物的约25重量%；流体组合物的约27重量%；或流体组合物的约30重量%。
胺-硼酸加合物
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括硼酸-胺加合物，其中所述硼酸胺加合物可由包括硼酸的胺盐、硼酸-烷醇胺酯(包括环状硼氧烷酯)以及多聚硼酸胺盐的一种或多种结构的混合物组成。合适的加合物可通过硼酸与单一胺或胺混合物反应而制备，以化学计量量的胺组分或用轻微过量的胺组分反应，所述胺选自但不限于单乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇、二环己基胺和二甘醇胺。
在某些实施方案中，本发明的流体组合物包括以下量的胺硼酸加合物：流体组合物的约0.1重量%-约30重量%；流体组合物的约1重量%-约25重量%；流体组合物的约2重量%-约20重量%；流体组合物的约3重量%-约17重量%；流体组合物的约5重量%-约15重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约3重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约9重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约11重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约13重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约15重量%；流体组合物的约17重量%；流体组合物的约20重量%；流体组合物的约22重量%；流体组合物的约25重量%；流体组合物的约27重量%；或流体组合物的约30重量%。
二羧酸的胺盐
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括短链二羧酸的胺盐。合适的短链二羧酸的胺盐包括但不限于其中胺二酸酸式盐由单一胺或胺混合物与短链二羧酸反应组成的那些胺盐，所述胺选自单乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇、二环己基胺和二甘醇胺，所述短链二羧酸选自含有4-12个碳原子的那些二羧酸。
在本发明的某些实施方案中，流体组合物包括一种或多种短链二羧酸胺盐，其量为：流体组合物的约0.1重量%-约20重量%；流体组合物的约0.5重量%-约15重量%；流体组合物的约1重量%-约10重量%；流体组合物的约1.5重量%-约9重量%；流体组合物的约2重量%-约8重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约1.5重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约3重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约9重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约16重量%；流体组合物的约18重量%；或流体组合物的约20重量%。
矿物油
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括矿物油。合适的矿物油可以是纯的或矿物油(例如环烷烃油和链烷烃油)的混合物。在一些实施方案中，合适的矿物油或矿物油共混物可具有以下最终粘度：40摄氏度下约5cSt-约35cSt；40摄氏度下约10cSt-约30cSt；40摄氏度下约15cSt-约25cSt；40摄氏度下约5cSt；40摄氏度下约10cSt；40摄氏度下约15cSt；40摄氏度下约20cSt；40摄氏度下约25cSt；40摄氏度下约30cSt；或40摄氏度下约35cSt；
在某些实施方案中，本发明的流体组合物包括以下量的矿物油或矿物油共混物：流体组合物的约0重量%-约75重量%；流体组合物的约0.1重量%-约75重量%；流体组合物的约0.1重量%-约70重量%；流体组合物的约0.1重量%-约65重量%；流体组合物的约0.1重量%-约60重量%；流体组合物的约0.1重量%-约55重量%；流体组合物的约1重量%-约50重量%；流体组合物的约2重量%-约45重量%；流体组合物的约5重量%-约40重量%；流体组合物的约10重量%-约35重量%；流体组合物的约15重量%-约30重量%；流体组合物的约20重量%-约25重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约15重量%；流体组合物的约20重量%；流体组合物的约25重量%；或流体组合物的约30重量%；流体组合物的约35重量%；流体组合物的约40重量%；流体组合物的约45重量%；流体组合物的约50重量%；流体组合物的约55重量%；流体组合物的约60重量%；流体组合物的约65重量%；流体组合物的约70重量%；或流体组合物的约75重量%。
乳化剂
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括一种或多种乳化剂。合适的乳化剂可包括但不限于非离子和阴离子乳化剂的混合物，其选自本领域公知且通常用于水基金属加工流体的那些乳化剂。在一些实施方案中，合适的乳化剂包括烷基芳基、烷基和芳基磺酸的碱金属盐；长度为C12-C22的烷氧基化长链醇；聚氧乙烯/聚氧丙烯共聚物；和乙氧基化烷基苯酚。
在一些实施方案中，本发明的流体组合物包括一种或多种乳化剂，其量为：流体组合物的约0.1重量%-约20重量%；流体组合物的约0.5重量%-约18重量%；流体组合物的约1重量%-约16重量%；流体组合物的约2重量%-约14重量%；流体组合物的约2重量%-约12重量%；流体组合物的约3重量%-约11重量%；流体组合物的约4重量%-约10重量%；流体组合物的约0.1重量%；流体组合物的约0.5重量%；流体组合物的约1重量%；流体组合物的约2重量%；流体组合物的约3重量%；流体组合物的约4重量%；流体组合物的约5重量%；流体组合物的约6重量%；流体组合物的约7重量%；流体组合物的约8重量%；流体组合物的约9重量%；流体组合物的约10重量%；流体组合物的约11重量%；流体组合物的约12重量%；流体组合物的约13重量%；流体组合物的约14重量%；流体组合物的约15重量%；流体组合物的约16重量%；流体组合物的约17重量%；流体组合物的约18重量%；流体组合物的约19重量%；或流体组合物的约20重量%。
组合物
根据本发明描述而且适用于铁(致密石墨铸铁)加工的金属加工流体组合物由以下组成：
a)约5重量%-约40重量%的润滑剂酯或润滑剂酯组合，其选自合成多元醇脂肪酸酯，例如三羟甲基丙烷三油酸酯、季戊四醇四(十二碳酸酯)、新戊二醇二油酸酯和油酸异丙酯，以及通过以下产生的那些：多元醇与氧化乙烯和/或氧化丙烯初始反应，随后是后续酯化，以得到聚氧烷基化的多元醇酯。还有通过羟基-官能化脂肪酸(例如蓖麻油酸)的缩合以得到低聚和聚合的酯而产生的那些酯。
b)约1重量%-约10重量%的含硫化合物，其选自二分支烷基多硫化物、硫化α-烯烃和复合硫化脂肪酸及脂肪酸酯；
c)约0重量%-约12重量%的脂肪酸，其选自链长为12-22个碳的那些脂肪酸，可作为单一脂肪酸或作为两种或更多种脂肪酸的组合加入到流体。
d)约3重量%-约15重量%的胺或胺化合物的混合物，其选自但不限于下式的那些：R1(R2)-N-R3，其中R1 = H、CH3或CH2CH2OH，R2 = H、CH3-(CH2)n（其中n = 0-22）、-CH2CH2OH或环状C6H11，且R3 = -(CH2CH2O)m-H（其中m = 1-12）、CH3-(CH2)xO-（其中x= 0-8）或环状C6H11。这些胺包括乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇、二环己基胺和二甘醇胺。
e)约0重量%-约15重量%的硼酸-胺加合物，其中硼酸胺加合物可由包括硼酸的胺盐、硼酸-烷醇胺酯(包括环状硼氧烷酯)以及多聚硼酸胺盐的一种或多种结构的混合物组成。
e)约0重量%-约40重量%的基于链烷烃或环烷烃的矿物油，具有约4cSt-约28cSt的环境温度粘度。
这些流体组合物当以约2重量%-约15重量%的量于水中共混并用于铁(例如致密石墨铸铁)加工时，产生工具磨损速率的显著降低，这与加工零件品质的显著提高同时发生。
在本发明的另一个实施方案中，可用于改进的铁(例如致密石墨铸铁)加工的流体包括：
a)约5重量%-约15重量%的润滑剂酯或润滑剂酯组合，其选自2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷、2-羟基-1,3-丙二醇、2,2-双(羟甲基)-1,3-丙二醇和1,2,3-丙三醇的C18脂肪酸酯；
b)约2重量%-约5重量%的选自根据式1那些的二烷基多硫化物，其中R1 = CH3，R2 = CH3，n = 8-10且m = 3-5；
c)约6重量%-约12重量%脂肪酸，其选自含有16-22个碳的饱和及不饱和链的那些脂肪酸。
d)约3重量%-约10重量%的胺化合物混合物，例如式2描述的那些：
式2: R1(R2)-N-R
其中R1 = H或-CH2CH2OH，R2 = H或-CH2CH2OH或环状C6H11，且R3 = 或-CH2CH2OH或环状C6H11；
e)约10重量%-约14重量%的根据式3所示结构的胺-硼酸加合物：
式3: B(O-HN+(CH2CH2OH)n)m
其中n = m = 3；
f)约30重量%-约40重量%的基于环烷烃的矿物油，在40摄氏度下具有约15cSt-约30cSt的环境压力粘度；和
g)约4重量%-约10重量%的非离子和阴离子乳化剂的混合物，其选自本领域公知且通常用于水基金属加工流体的那些乳化剂。
这些流体组合物当以约3重量%-约15重量%的量于水中共混并用于铁(例如致密石墨铸铁)的加工时，产生工具磨损速率的显著降低，这与加工零件品质的显著提高同时发生。如下所述的加工试验的结果显示用这些组合物在铁(例如致密石墨铸铁)的加工中实现的效用和进步。
在一些实施方案中，本发明的流体组合物可与水共混以制备稀释物。在一些实施方案中，本发明的流体组合物可在水中按以下量共混：稀释物的约1重量%-约50重量%；稀释物的约2重量%-约25重量%；稀释物的约3重量%-约20重量%；稀释物的约3重量%-约17重量%；稀释物的约4重量%-约15重量%；稀释物的约1重量%；稀释物的约2重量%；稀释物的约3重量%；稀释物的约4重量%；稀释物的约5重量%；稀释物的约6重量%；稀释物的约7重量%；稀释物的约8重量%；稀释物的约9重量%；稀释物的约10重量%；稀释物的约11重量%；稀释物的约12重量%；稀释物的约13重量%；稀释物的约14重量%；稀释物的约15重量%；稀释物的约17重量%；稀释物的约20重量%；稀释物的约25重量%；或稀释物的约30重量%。
在一些实施方案中，与常规流体相比，根据本发明的实施方案在加工铁例如致密石墨铸铁期间使用流体组合物导致工具磨损降低约5%-约95%；约10%-约90%；约15%-约85%；约20%-约80%；约25%-约75%；约30%-约70%；约35%-约65%；约40%-约60%；约5%；约10%；约15%；约20%；约25%；约30%；约35%；约40%；约45%；约50%；约55%；约60%；约65%；约70%；约75%；约80%；约85%；约90%；或约95%。
实施例
为评定根据本发明描述的优选组合物的性能，进行450级致密石墨铸铁的钻孔。钻孔为在工件金属中产生孔的过程，且在其中，去除较大量的金属，这通常需要较大的切削力并在过程中产生更严苛的机械和热条件。流体性能评定通过测量在钻孔操作期间发生的切削力和工具磨损来进行。
实施例1
本实施例中，相对于根据本发明实施方案描述的流体，评定标准的常规铁加工流体。
根据本发明的实施方案制备可用于改进的致密石墨铸铁加工的流体A，其具有：
a)约5重量%-约10重量%的酯润滑剂；
b)约3重量%-约7重量%的硫添加剂；
c)8重量%-约16重量%的矿物油；和
d)余量，具有胺、硼酸、脂肪酸和乳化剂。
流体A在8%的浓度下测试。加工条件如下：
在钻孔期间测量的轴向加工力和扭矩（切向力）提供对于切削区域中的摩擦和金属加工流体提供的润滑的有用指示。当钻孔持续时测得的力的变化可提供工具状况的变化或劣化的有用间接度量，所述变化或劣化通常由切削刃上的工具磨损和/或金属粘附产生。如图1和2中得到和描绘的结果所见，相对于在使用常规铁加工流体（流体B）时所发生的，使用流体A（本发明实施方案）允许以显著更低的切削力以及力的变化来加工致密石墨铸铁。
在评定对发生的工具磨损的影响中，能够看出，与使用本发明中描述的流体组合物（流体A）时所得到的相比，用常规铁加工流体（流体B），在加工期间使用的钻头上形成的侧面磨损导致工具切削刃的侧面上约69.2%的更大磨损。因此，出于测量的切削力和测量的工具磨损两者，本发明描述的组合物提供的益处和效用在进行的钻孔操作中明显可见。
实施例2
根据本发明的实施方案制备可用于改进的致密石墨铸铁加工的流体D，其具有：
a)约22重量%-约28重量%的润滑剂酯，其选自2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷或1,2,3-丙三醇的C18脂肪酸酯的任一种；
b)约2重量%-约5重量%的选自根据式1那些的二烷基多硫化物，其中R1 = CH3，R2 = CH3，n = 8-10且m = 3-5；
c)约3重量%-约6重量%的脂肪酸，其由包括10-16个碳的饱和烷基链以及较长链长羧酸(由长度为18-22个碳原子的饱和及不饱和烷基链组成)的那些组成。
d)约3重量%-约8重量%的胺化合物混合物，其由式2描述的那些组成，其中R1 = H或-CH3，R2 = -CH2CH2OH或环状C6H11，且R3 = -CH2CH2OH或环状C6H11；
e)约35重量%-约45重量%的基于环烷烃的矿物油，在40摄氏度下具有约15cSt-约30cSt环境压力粘度；和 
f)约4重量%-约10重量%的非离子和阴离子乳化剂的混合物，其选自本领域公知且通常用于水基金属加工流体的那些乳化剂。
这些流体组合物当在水中的量为约4重量%-15重量%且用于加工铁例如致密石墨铸铁时，产生工具磨损速率的显著降低，这与加工零件品质的显著提高一起发生。流体D在钻孔测试中连同两种当前使用的基于常规铁加工流体组合物的致密石墨铸铁加工流体一起测试。这两种流体指示为流体C和流体E，两者都代表本领域当前水平的技术，其可在本发明描述的本发明流体组合物加工前用于致密石墨铸铁加工。该测试和对比还包括流体A。
在使用四种流体的致密石墨铸铁钻孔期间测量的工具磨损的结果以下显示于图3和4。结果表明流体A和流体D明显产生工具磨损的显著降低，因此延长工具加工的可用持续时间。结果显示，流体A和流体D导致约22%-约46%范围的工具磨损降低，表示与加工操作和过程相关成本有关的显著益处。
实施例3
根据本发明的实施方案制备可用于改进的致密石墨铸铁加工的流体F，其具有：
a) 约12重量%-约18重量%的润滑剂酯或润滑剂酯组合，其选自2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷、2-羟基-1,3-丙二醇、2,2-双(羟甲基)-1,3-丙二醇和1,2,3-丙三醇的C18脂肪酸酯。b)2-5%的选自根据式1那些的二烷基多硫化物，其中R1 = CH3，R2 = CH3，n = 8-10且m = 5-8；
c)约1重量%-约7重量%脂肪酸，其选自含有16-22个碳的饱和及不饱和链的那些脂肪酸；
d)约8重量%-约14重量%的胺化合物混合物，其由式2描述的那些构成，其中R1 = H或-CH2CH2OH，R2 = H或-CH2CH2OH，且R3 = -CH2CH2OH或-C3H6OH；
e)约5重量%-约9重量%的根据式3所示结构的硼酸胺盐：
式3: B(O-HN+(CH2CH2OH)n)m
其中n = m = 3；
f)约40重量%-约55重量%的基于环烷烃的矿物油，在40摄氏度下具有15-30cSt的环境压力粘度；和
g)约4重量%-约15重量%的非离子和阴离子乳化剂的混合物，其选自本领域公知且通常用于水基金属加工流体的那些乳化剂。
这些流体组合物当以约4重量%-约15重量%的量于水中共混并用于铁(例如致密石墨铸铁)的加工时，产生工具磨损速率的显著降低，这与加工零件品质的显著提高同时发生。
在450级CGI的钻孔和铰孔中，在8%的浓度下测试流体F。该流体组合物与铸铁加工（包括CGI）所用的常规加工流体(流体G)一起测试并与其性能作比较。流体G在组成上类似于流体F，但不含有基于硫的添加剂。
与CGI一起，还在常见的40级灰铸铁的钻孔和铰孔中测试这两种流体。进行该测试不仅为了表明本发明描述的流体组合物的效用，而且为了表明与灰铸铁相比，与CGI的加工有关的固有困难。
在钻孔期间测量的扭矩（切向力）提供对于切削区域中的摩擦和金属加工流体提供的润滑的有用指示。当钻孔持续时测得的扭矩变化反映在钻孔持续时工具切削刃上发生的变化（磨损）。检验图5中显示的结果，清楚地看到，相对于标准40级灰铸铁，在致密石墨铸铁加工中固有更低的可加工性和更大的困难。
结果还表明，使用根据本发明实施方案的流体（流体F）提供加工过程的显著提高，具有降低许多的切削力。优选组合物的这种有效性还见于钻孔后测量的工具磨损。图6显示所用钻头上得到的工具磨损。可见，与测量的切削力一致，虽然相对于灰铸铁加工，在致密石墨铸铁加工中发生显著更高的磨损，但使用流体F使得能够有效降低工具切削刃上的磨损。
虽然认为铰孔操作（其以较低切削速度进行，有较少金属切削）是比钻孔严苛程度较低的操作，但仍可存在通过使用根据本发明实施方案的流体组合物得到的显著性能改善。钻孔后，使用六槽固体碳化物铰孔器将孔铰大。经过130个铰大的孔后测量的表面光洁度显示于图7。可见，使用常规铁加工流体（流体G），很迅速地获得较粗的铰孔表面，使用流体F在得到的铰孔表面粗糙度方面产生显著改善。
实施例4
发动机气缸的镗孔是发动机生产中较高临界状态的操作之一，需要在相对高的切削速度下产生高品质表面。正是在这些升高的切削速度下(250-700m/min，与很多目前的高速输送线路所用的那些一致），可以在最大程度上展示致密石墨铸铁和常规灰铸铁之间的可加工性差异。先前的研究已经报导，相对于在等价条件下在灰铸铁加工中所得到的，在致密石墨铸铁的连续切削中插入物磨损速率更大，为20-30倍。
本实施例中，在车削操作中一起评定标准的常规铁加工流体（流体B）与根据本发明实施方案描述的流体，车削操作用于模拟发动机气缸镗孔期间发生的连续切削条件。根据本发明的实施方案制备可用于致密石墨铸铁的改进加工的流体A，其具有：
a)约5重量%-约10重量%的酯润滑剂；
b)约3重量%-约7重量%的硫添加剂；
c)8重量%-约16重量%的矿物油；和
d)余量，具有胺、硼酸、脂肪酸和乳化剂。
流体A在9%的浓度下测试。加工条件如下：
·碳化物KC-9120级切削插入物具有5°辐角(radial)和5°轴角
·速度= 250 m/min, f= 0.3 mm-rev, Ap = .2 mm
测量参数-插入物磨损
在评定对发生的工具磨损的影响中，使用常规铁加工流体（流体B），在工具严重磨损和损坏前，达到持续10.75Km切削距离的加工。使用本发明描述的流体组合物（流体A），使用相同的加工条件，在插入物损坏前，达到持续14Km切削距离的加工。因此在高速切削条件下，使用本发明描述的流体，得到插入物磨损的30%降低。

Claims (29)

1. 一种铁加工组合物，其包含
(a)水；
(b)含硫润滑剂添加剂；和
(c)任选含有润滑剂酯，其量为所述铁加工组合物的约0重量%-约50重量%。
2. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯占所述铁加工组合物的约0.05重量%-约50重量%。
3. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯包含选自以下的多元醇酯：2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷、2-羟基-1,3-丙二醇、2,2-双(羟甲基)-1,3-丙二醇和1,2,3-丙三醇的C12-C18脂肪酸酯。
4. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯包含基于甘油的酯。
5. 权利要求4的组合物，其中所述润滑剂酯包含C12-C18饱和及不饱和脂肪酸的甘油酯。
6. 权利要求5的组合物，其中所述酯衍生自植物油和动物脂肪。
7. 权利要求5的组合物，其中所述酯通过脂肪酸与甘油的反应合成产生。
8. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯包含如下产生的多元醇酯：多元醇与氧化乙烯和/或氧化丙烯初始反应，然后是后续酯化，以产生聚氧烷基化的多元醇酯。
9. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯包含由羟基-官能化脂肪酸如蓖麻油酸的缩合产生的低聚或聚合酯。
10. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯包含2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2-丙醇、1,1,1,三(羟甲基)丙烷、2-羟基-1,3-丙二醇、2,2-双(羟甲基)-1,3-丙二醇、1,2,3-丙三醇的C18脂肪酸酯，或它们的组合。
11. 权利要求1的组合物，其中所述润滑剂酯存在的量小于所述铁加工组合物的约50重量%。
12. 权利要求1的组合物，其中所述含硫润滑剂添加剂选自硫化α-烯烃、二分支烷基三硫化物和多硫化物、含硫羧酸、复合硫化酯和/或二烷基多硫化物。
13. 权利要求1的组合物，其中所述含硫润滑剂添加剂包含选自具有下式的二烷基多硫化物：
CH3-C(R1)(R2)-(CH2)n-)x-Sm
其中R1 = H或CH3，R2 = H或CH3，n = 8-20，x = 1-2，且m = 2-7。
14. 权利要求1的组合物，其中所述含硫润滑剂添加剂存在的量为约0.5重量%-约7重量%。
15. 权利要求1的组合物，该组合物还包含脂肪酸，所述脂肪酸选自含有12-22个碳的饱和及不饱和链的那些脂肪酸，其量为约0重量%-约12重量%。
16. 权利要求1的组合物，其还包含约3重量%-约15重量%的下式胺化合物的混合物：R1(R2)-N-R，其中R1 = H、CH3或-CH2CH2OH，R2 = H、CH3-(CH2)n（其中n = 0-22）、-CH2CH2OH或环状C6H11，且R3 = -(CH2CH2O)m-H（其中m = 1-12）、CH3-(CH2)xO-（其中x= 0-8）或环状C6H11。
17. 权利要求16的组合物，其中所述胺包含乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇、二环己基胺、二甘醇胺或它们的组合。
18. 权利要求1的组合物，其还包含约0重量%-约15重量%的胺-硼酸，所述胺-硼酸包含烷醇胺硼酸酯、胺多聚硼酸盐、硼酸的胺盐以及它们的组合。
19. 权利要求1的组合物，其还包含约0重量%-约40重量%的矿物油，所述矿物油包含链烷烃油、环烷烃油或它们的混合物，在40摄氏度下具有约15cSt-约30cSt的环境压力粘度。
20. 权利要求1的组合物，其还包含约4重量%-约10重量%的非离子乳化剂和阴离子乳化剂的混合物。
21. 一种加工铁的方法，其包含在加工期间将权利要求1的流体组合物施用至所述铁。
22. 一种加工铁的方法，其包含在加工期间将权利要求1的流体组合物以水稀释物的形式施用至所述铁。
23. 权利要求22的方法，其中，在用于铁加工前，将权利要求1的流体组合物稀释于水中，达到2重量%-50重量%的浓度。
24. 权利要求22的方法，其中，在用于铁加工前，将权利要求1的流体组合物稀释于水中，达到2重量%-15重量%的浓度。
25. 一种在铁加工期间减少工具磨损的方法，其包含在加工期间将权利要求1的流体组合物施用至所述铁。
26. 权利要求25的方法，其中在铁加工期间降低的工具磨损通过使用在水中稀释至2重量%-50重量%浓度的所述流体组合物来实现。
27. 权利要求25的方法，其中在铁加工期间降低的工具磨损通过使用在水中稀释至2重量%-15重量%浓度的所述流体组合物来实现。
28. 权利要求25的方法，其中与常规润滑剂流体相比，所述工具磨损减少约5%-约90%。
29. 权利要求21的方法，其中所述铁包含致密石墨铸铁。
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