CN104946346B - 一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂及其制备方法与应用，在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按重量比加入了0.6％‑1.5％的纳米石墨，以及3％‑9％的化学分散剂，即得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。与现有技术相比，本发明中由于纳米石墨颗粒的加入，该润滑剂的润滑性能较传统的冷挤压润滑剂有进一步的提升，不仅耐高温，化学性质稳定，不易分解，无毒无臭，而且由于纳米石墨粒子的特殊性质，使得挤压成形过程中的摩擦系数进一步降低，且成形零件的表面质量进一步提高，可以满足对尺寸精度和表面质量有更高要求的零件的生产。

Description

一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及冷挤压技术领域，尤其是涉及一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂及其制备方法与应用。

背景技术

在挤压加工过程中，由于零件的单次变形量很大，金属与模具接触面上的单位正压力极高，相当于金属变形抗力的3～10倍，甚至更高。在此条件下，变形金属的表面发生剧烈的更新，会有大量的新生表面出现，从而使金属黏结工模具的现象严重。因摩擦而损失的能源占世界一次性能源的50％-70％，而磨损则是材料报废的主要形式之一。为了减少或消除这种现象的出现，在挤压时一般要采用润滑剂。挤压时润滑剂的作用是降低磨擦系数和挤压力，改善挤压过程中金属的流动性质和均匀性，防止金属与工模具粘着，减小制品中挤压应力，消除制品的扭曲和表面裂纹等缺陷。同时，它还应起到保温或绝热的作用，以使工模具的使用条件改善，挤压速度提高，工模具的磨损减少，其使用寿命延长，力能消耗降低，挤压的成品率大大提高。

冷挤压成形过程中由于坯料会发生较大的变形，从而导致坯料的温度进一步上升，一般矿物油型的润滑剂会因高温而失效达不到润滑的目的，还会因为油脂的燃烧造成环境污染。纳米石墨既能自润滑，又能耐高温高压，而且不会造成环境的污染，纳米润滑剂是未来冷挤压润滑剂的发展方向。传统的石墨润滑剂虽然能够满足一般的冷挤压生产要求，但是随着工业生产的不断发展，越来越多的零件对尺寸精度和表面质量有更高的要求，此时传统的润滑剂已不能满足生产要求。

90年代以来，随着纳米科学与技术的发展，纳米润滑成为润滑领域最为活跃的内容。纳米材料的特殊性能使其在润滑领域具有巨大的潜力，适当的使用会使润滑效果得到非常大的提升。目前对于纳米材料的润滑机理研究主要包括四个方面：“滚珠轴承”效应，沉积润滑膜，摩擦化学反应膜，填补和修复。纳米级别的润滑颗粒，其形状多近似成球形，当两个接触面相对运动时，纳米粒子处于中间发生滚动，这样在微观上就将接触面之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，从而降低了接触面之间的摩擦系数，减小了磨损，起到了“滚珠轴承”作用；纳米粒子的比表面积很大，极易吸附在金属接触面之间的凹坑处，在重载或高温条件下，两摩擦表面间的球形颗粒被压扁形成金属—金属滑动系，从而具有优异的极压和抗磨性能，即起到薄膜润滑作用；较大的纳米粒子活性，在载荷和摩擦场作用下，使纳米颗粒渗入到材料晶格内部，其中活性元素同金属摩擦发生摩擦化学反应，生成一层高硬度、低摩擦系数的反应膜，起到减摩抗磨的作用；纳米微粒可以填充摩擦表面的微坑和损伤部位，起到自修复作用，而且根据渗透机制，纳米颗粒吸附在摩擦表面形成物理吸附膜，在摩擦过程中通过扩散、渗透作用在金属表面形成具有良好摩擦学性能的渗透层和扩散层，纳米微粒中元素渗透到金属表面或亚表面与基体组分形成固溶体，起到减磨和抗磨的作用。

石墨是一种具有优异润滑性能的常用润滑物质，石墨润滑剂又具有较大的应用前景，因此将纳米石墨颗粒运用于石墨润滑剂具有较大的优势，不仅具有传统的石墨润滑剂的优良性能，又可以发挥纳米材料在润滑领域的优越性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂，在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按重量比加入了0.6％-1.5％的纳米石墨，以及3％-9％的化学分散剂。

所述纳米石墨颗粒粒径为40～100nm，纯度为98％以上。

所述化学分散剂为二辛基磺基琥珀酸钠和亚甲基双荼磺酸钠组成的复合分散剂，其中二辛基磺基琥珀酸钠和亚甲基双荼磺酸钠的重量比为1:2～2:1。

所述普通冷挤压用石墨润滑剂按重量百分比包括以下成分：

所述增粘剂为羟己基纤维素钠盐。

一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的0.6％-1.5％加入纳米石墨；

(2)按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的3％-9％加入化学分散剂；

(3)对步骤(2)所得混合物进行电磁搅拌20～30min，再进行超声分散15～30min，并连续超声2～3次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

所述冷挤压用纳米石墨复合润滑剂用于钢质零件冷挤压成形的润滑。

所述冷挤压用纳米石墨复合润滑剂使用时，涂覆形成厚度为1mm的润滑层。

纳米材料在润滑领域的优异性能是因为其尺寸进入了纳米量级，将会具有一些与常态下不同的物理效应而导致的。但是正因为其尺寸进入了纳米量级，导致纳米粒子的表面活性极高，容易发生团聚现象，原本细小的微粒团聚后变成了较大的粒子。在金属材料塑性成形加工过程中，在坯料和模具的接触表面上出现较大的颗粒，不仅不能起到润滑作用，反而会影响到成形零件的表面质量。

本发明提供的制备方法结合了物理分散方法和化学分散方法，其中二辛基磺基琥珀酸钠具有优异的润湿能力，可以将石墨颗粒较好的润湿并溶入水中，亚甲基双荼磺酸钠具有非常优异的扩散和保护胶体的能力，耐酸、耐碱、耐热、耐硬水、耐无机盐，可以使石墨颗粒稳定地分散在水中，二者配合之后再加上电磁搅拌和超生分散的物理分散方法可以在一定的时间内避免纳米石墨颗粒的在石墨润滑剂中的团聚，起到较好的分散效果。

与现有技术相比，本发明中由于纳米石墨颗粒的加入，该润滑剂的润滑性能较传统的冷挤压润滑剂有进一步的提升，不仅耐高温，化学性质稳定，不易分解，无毒无臭，而且由于纳米石墨粒子的特殊性质，使得挤压成形过程中的摩擦系数进一步降低，且成形零件的表面质量进一步提高，可以满足对尺寸精度和表面质量有更高要求的零件的生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

在普通冷挤压用石墨润滑剂中加入了0.6％％(按重比)的纳米石墨，其中纳米石墨颗粒的纯度为99％以上，粒径为40nm，并采用如下的制备方案：

(1)取纳米石墨颗粒加入到普通石墨润滑剂中。

(2)向润滑剂中加入化学分散剂，其成分为2.6％(按重量比)二辛基磺基琥珀酸钠和1.5％(按重量比)亚甲基双荼磺酸钠。

(3)对润滑剂进行电磁搅拌25min，再进行超声分散20min，并连续超声3次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

这种制造技术和工艺对于本行业的人员来说是容易实施的，本领域的技术人员能按照以上所述来实施本发明即可。

将上述比例配制的润滑剂涂覆在20号钢薄片中，利用HT-500高温摩擦磨损仪测试摩擦系数，采用的对磨副为GCr15的滚珠，摩擦时间为1h，将载荷设定为690g，得到的平均摩擦系数为0.121(用传统润滑剂磷皂化在同等条件下得到的平均摩擦系数为0.140)。

实施例2

采用以下配方的纳米石墨复合润滑剂

纳米石墨：0.6％，石墨粉：20％，二硫化钼：26％，增粘剂：0.4％，分散剂：3％，氧化镁：10％，水：余量。

然后采用以下方法制备：

(1)取纳米石墨颗粒加入到普通石墨润滑剂中。

(2)向润滑剂中加入化学分散剂，其成分为1.6％(按重量比)二辛基磺基琥珀酸钠和1.4％(按重量比)亚甲基双荼磺酸钠。

(3)对润滑剂进行电磁搅拌25min，再进行超声分散20min，并连续超声3次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

将上述比例配制的润滑剂涂覆在5个凸缘外套实际挤压件上进行测试，冷挤压成形过程中得到的平均成形载荷值为145.0T(用传统润滑剂磷皂化在同等条件下测试得到的平均载荷值为150.4T)。

实施例3

采用以下配方的纳米石墨复合润滑剂

纳米石墨：1％，普通石墨：25％，二硫化钼：35％，增粘剂：0.5％，分散剂：4.5％，氧化镁：10％，水：余量。

然后采用以下方法制备：

(1)取纳米石墨颗粒加入到普通石墨润滑剂中。

(2)向润滑剂中加入化学分散剂，其成分为2.6％(按重量比)二辛基磺基琥珀酸钠和1.7％(按重量比)亚甲基双荼磺酸钠。

(3)对润滑剂进行电磁搅拌25min，再进行超声分散20min，并连续超声3次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

将上述比例配制的润滑剂涂覆在材料为20钢，外径、内径、高度的尺寸比为4:2:1的圆环上，利用630T液压机将圆环试样镦粗三次，得到的三次高度变化量△h(％)分别为19.120，35.977，48.583；三次内径变化量△d(％)分别为-3.857，-10.308，-20.071。把所得数据放入圆环镦粗试验摩擦系数的校核曲线中可知，该比例润滑剂在此次圆环镦粗试验中得到的摩擦系数在0.096左右(用传统润滑剂磷皂化在同等条件下镦粗所得的摩擦系数为0.096左右)。

目前零件冷挤压生产中，传统的磷化皂化润滑方式来进行润滑进而降低摩擦系数的效果是最好的，其他润滑剂的润滑效果低于磷化皂化方式所达到的效果，而本实施例的纳米石墨润滑剂能够取得与磷化皂化相近的摩擦系数，但是而本实施例的纳米石墨润滑剂耐高温，化学性质稳定，不易分解，无毒无臭，具有优于传统的磷化皂化润滑方式的性能。

实施例4

一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂，在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按重量比加入了0.6％的纳米石墨，以及3％的化学分散剂(重量比为1:2的二辛基磺基琥珀酸钠和亚甲基双荼磺酸钠组成的复合分散剂)。

其中，纳米石墨颗粒粒径为40～100nm，纯度为98％以上。

其中，普通冷挤压用石墨润滑剂按重量百分比包括以下成分：普通石墨粉20、二硫化钼20、增粘剂(羟己基纤维素钠盐)0.1、氧化镁5、水余量。

制备方法包括以下步骤：

(1)在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的0.6％加入纳米石墨；

(2)按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的3％加入化学分散剂；

(3)对步骤(2)所得混合物进行电磁搅拌20min，再进行超声分散15min，并连续超声2次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

本实施例得到的冷挤压用纳米石墨复合润滑剂用于钢质零件冷挤压成形的润滑。冷挤压用纳米石墨复合润滑剂使用时，涂覆形成厚度为1mm的润滑层。

将上述比例配制的润滑剂涂覆在20号钢薄片中，利用HT-500高温摩擦磨损仪测试摩擦系数，采用的对磨副为GCr15的滚珠，摩擦时间为1h，将载荷设定为690g，得到的平均摩擦系数为0.118(用传统润滑剂磷皂化在同等条件下得到的平均摩擦系数为0.140)。

实施例5

一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂，在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按重量比加入了1.5％的纳米石墨，以及9％的化学分散剂(重量比为2:1的二辛基磺基琥珀酸钠和亚甲基双荼磺酸钠组成的复合分散剂)。

其中，纳米石墨颗粒粒径为40～100nm，纯度为98％以上。

其中，普通冷挤压用石墨润滑剂按重量百分比包括以下成分：普通石墨粉30、二硫化钼40、增粘剂(羟己基纤维素钠盐)1、氧化镁15、水余量。

制备方法包括以下步骤：

(1)在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的1.5％加入纳米石墨；

(2)按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的9％加入化学分散剂；

(3)对步骤(2)所得混合物进行电磁搅拌30min，再进行超声分散30min，并连续超声3次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

本实施例得到的冷挤压用纳米石墨复合润滑剂用于钢质零件冷挤压成形的润滑。冷挤压用纳米石墨复合润滑剂使用时，涂覆形成厚度为1mm的润滑层。

将上述比例配制的润滑剂涂覆在5个凸缘外套实际挤压件上进行测试，冷挤压成形过程中得到的平均成形载荷值为148.0T(用传统润滑剂磷皂化在同等条件下测试得到的平均载荷值为150.4T)。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂，其特征在于，在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按重量比加入了0.6％-1.5％的纳米石墨，以及3％-9％的化学分散剂；

所述化学分散剂为二辛基磺基琥珀酸钠和亚甲基双萘磺酸钠组成的复合分散剂，其中二辛基磺基琥珀酸钠和亚甲基双萘磺酸钠的重量比为1:2～2:1；

所述普通冷挤压用石墨润滑剂按重量百分比包括以下成分：

所述纳米石墨颗粒粒径为40～100nm，纯度为98％以上。

2.根据权利要求1所述的一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂，其特征在于，所述增粘剂为羟己基纤维素钠盐。

3.一种如权利要求1所述的冷挤压用纳米石墨复合润滑剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在普通冷挤压用石墨润滑剂中，按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的0.6％-1.5％加入纳米石墨；

(2)按普通冷挤压用石墨润滑剂重量的3％-9％加入化学分散剂；

(3)对步骤(2)所得混合物进行电磁搅拌20～30min，再进行超声分散15～30min，并连续超声2～3次，得到冷挤压用纳米石墨复合润滑剂。

4.一种如权利要求1所述的冷挤压用纳米石墨复合润滑剂的应用，其特征在于，所述冷挤压用纳米石墨复合润滑剂用于钢质零件冷挤压成形的润滑。

5.根据权利要求4所述的一种冷挤压用纳米石墨复合润滑剂的应用，其特征在于，所述冷挤压用纳米石墨复合润滑剂使用时，涂覆形成厚度为1mm的润滑层。