CN106675750A - 一种环保型切削液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属加工技术领域，特别涉及一种环保型切削液及其制备方法。所述切削液中添加有石墨烯分散液以及纳米钻石烯分散液。本发明环保型切削液配方中不含有污染环境的物质，对环境污染小，绿色环保；其中加入的纳米钻石烯硬度高、耐磨性强；加入的石墨烯减摩性强；刀具使用寿命长，工件表面加工质量高。

Description

一种环保型切削液及其制备方法
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，特别涉及一种环保型切削液及其制备方法。
背景技术
切削液是一种用在金属切削、磨加工过程中，用来冷却、润滑工具和加工件的工业用液，需要具有良好的冷却性能、润滑性能、防锈、除油清洗功能，同时还要无毒、对设备不腐蚀、对环境不污染。随着我国机械加工业的迅速发展以及各种新型金属材料的开发和应用，金属加工工艺技术不断提高，新的切削液不断地被推出。目前常见的切削液主要有乳化型切削液和合成型切削液，乳化型的切削液存在着冷却性差、易腐蚀等弱点，合成型切削液存在着润滑性不够、防锈性差的弱点。随着人们环保意识和环保立法的不断增强，一些矿物油基润滑剂造成的环境污染也越来越严重，同时这些切削液中都添加有重金属、芳烃、亚硝酸盐、酚类等添加剂，这些添加剂在使用过程中对人的皮肤有严重的刺激以及致癌作用，对人的身体可能造成严重的伤害。与此同时，酚类添加剂对水生动植物有着非常严重的破坏作用。因此开发一种新型的环保型切削液显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种环保型切削液及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种环保型切削液，其由A组分中添加消泡剂、纳米钻石烯分散液以及石墨烯分散液组成，其中A组分的质量百分如下：
硼酸酯 8%～10%，癸二酸三乙醇胺1%～3%，油酸三乙醇胺8%～12%，十二烯基丁二酸3%～7%，硫脲1～3%，硼砂0.5～2%，吐温-80 2～4%，苯甲酸钠0.5～2%，BTA 0.1～1%，碳酸钠1～4%，余量为水；
每升A组分中添加消泡剂50X10-6～100X10-6mol，添加纳米钻石烯分散液100～600mL，添加石墨烯分散液10～80mL。
其中，纳米钻石烯分散液优选添加量为100～400ml；石墨烯分散液的优选添加量为20～60ml。
本发明还提供了一种所述环保型切削液的制备方法，分别制备钻石烯分散液和石墨烯分散液，然后与其他成分按比例混合均匀即可。
其中，所述钻石烯分散液是将纳米钻石烯分别进行碱洗、清洗后进行活化，之后进行再次清洗，烘干后配制为浓度为0.1～1mg/ml的聚乙二醇悬浮液；其中，纳米钻石烯选用四种不同粒度：50nm、100nm、200nm、250nm，质量比控制为(1～2)：(2～3)：(3～4)：(4～5)；将不同粒度的纳米钻石烯进行充分混合。
所述的碱洗、清洗以及再次清洗都在超声条件下进行：
碱洗的操作如下：超声波频率为30～40KHz，碱洗液为质量浓度为10%～15%的NaOH溶液，碱洗液温度控制在45～55℃，并旋转搅拌，旋转转速控制在25～35rpm，清洗时间控制在25～35min。
清洗的条件如下：超声波频率为30～35KHz，清洗液为去离子水，原料放入清洗液中并旋转搅拌，旋转转速控制在15～25rpm，搅拌时间控制在20～25min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；
再次清洗的条件如下：常温清洗，超声波频率为30～35KHz，清洗液为去离子水；将原料放入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速控制在15～25rpm，搅拌时间在10～15min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7。
所述的活化为酸洗活化：酸洗液为体积比为1:8～12的浓盐酸和浓硫酸混合溶液，温度为常温，将原料放入酸洗溶液中并搅拌，旋转转速控制在10～15rpm，搅拌时间控制在10～15min。
所述的烘干采用阶梯式烘烤，升温速率为2℃/min，常温升温至70℃，恒温保温20～30min，升温至90℃，恒温保温20～30min，升温至120℃，恒温保温2～3h，自然冷却到常温。
配制纳米钻石烯的悬浮液时，将烘干的纳米钻石烯加入聚乙二醇中，保持搅拌频率为10～30rpm搅拌1～30min。
将悬浮液进行超声处理：水温控制在40～50℃，超声频率为50～60Hz，超声时间为10～20min，超声结束后静置5min，然后再次超声：水温控制在25～30℃，超声频率为30～40Hz，超声时间为5～10min，制得纳米钻石烯分散液。
具体的，所述纳米钻石烯的制备步骤如下：
1）搅拌混料
纳米钻石烯选用四种不同粒度：50nm、100nm、200nm、250nm，质量比控制为(1～2)：(2～3)：(3～4)：(4～5)；将不同粒度的纳米钻石烯倒入三维混料机中进行混料，混料时间控制在5min～30min；
2）超声波碱洗
将纳米钻石烯原料放入碱洗槽中，碱洗槽底部安装有超声波发生器，超声波频率为30～40KHz，碱洗池中为浓度为10%～15%的NaOH溶液，碱洗液温度控制在45～55°C之间，并旋转搅拌，旋转转速控制在25～35rpm，清洗时间控制在25～35min，将纳米钻石烯表面附着的油污去除；
3）超声波清洗：超声波频率均为30～35KHz，清洗液为去离子水，原料放入清洗液中并旋转搅拌，旋转转速控制在15～25rpm，搅拌时间控制在20～25min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；
4）酸洗活化：酸洗液为体积比为1:10的浓盐酸和浓硫酸混合溶液，温度为常温，将原料放入酸洗溶液中并搅拌，旋转转速控制在10～15rpm，搅拌时间控制在10～15min，达到将原料表面活化的目的；
5）超声波水洗：超声波水洗为常温清洗，超声波频率均为30～35KHz，水洗液为去离子水；将原料放入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速控制在15～25rpm，搅拌时间在10～15min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；
6）烘干：采用阶梯式烘烤工艺进行，升温速率为2℃/min，常温升温至70℃，恒温保温30min，升温至90℃，恒温保温30min，升温至120℃，恒温保温3h，自然冷却到常温待用；
7）配制钻石烯分散液：称取烘干的钻石烯250mg，在搅拌条件下加入到500ml聚乙二醇溶液中制得纳米钻石烯悬浮液，搅拌频率为10～30rpm，搅拌时间控制在1～30min，然后将此悬浮液进行超声处理：水温度控制在45℃，超声频率为60Hz，超声时间为20min，超声结束后静置5min，然后再次超声，水温度控制在30℃，超声频率为40Hz，超声时间为10min，制得纳米钻石烯分散液。
其中，石墨烯分散液的配制方法如下：配制聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.1mg/mL的乙醇溶液100mL，将0.5g微晶石墨加入到100mL上述溶液中(石墨初始浓度为5mg/mL)，然后在常温下超声10h，自然沉淀10天，取上层液体得到石墨烯分散液。
本发明环保型水基切削液中，硼酸酯、癸二酸三乙醇胺、油酸三乙醇胺、十二烯基丁二酸为有机防锈剂，硼砂、苯甲酸钠、碳酸钠为无机防锈剂，这些有机防锈剂具有较好的防锈性能和水溶性能，同时还是优良的润滑剂、油性剂、表面活性剂，并且环境友好，与无机防锈剂复配，可以提高防锈能力和减少试剂用量。吐温-80为非离子表面活性剂，具有较好的清洗和渗透能力，可以做为清洗剂来使用。在切割过程中有一些机油或金属屑会混入切削液中，BTA可以防止硅酸盐的絮凝现象发生。苯甲酸钠不仅可以作为防锈剂，而且可以作为防腐杀菌剂，不仅能抑制微生物的增殖对切削液稳定性造成的破坏，同时它还可以与癸二酸三乙醇胺、油酸三乙醇胺复配，显著提高切削液对铝、铸铁等的防锈性。金属加工过程中产生的泡沫有很大的破坏性，不仅妨碍液面观察，使切削液流动复杂化，还降低润滑冷却效果，因此配方中必须有抑制泡沫的组分，例如聚醚、OMA、水溶性有机硅化合物等。
纳米钻石烯是一种层状结构的金刚石相的纳米材料，而石墨烯是一种薄片状的石墨相的产物，这种薄片呈卷曲状，纳米钻石烯可以进入这种卷曲状结构中，而不同粒度的纳米钻石烯可以布满整个卷曲结构中，同时纳米钻石烯也可分布在石墨烯的外围结构中，纳米钻石烯在摩擦表面形成了一种滑动摩擦，而由于纳米钻石烯的层状结构以及高耐磨性使得石墨烯提高了使用寿命，而石墨烯与摩擦面形成了滚动摩擦，与纳米钻石烯形成了滑动与滚动的混合摩擦，起到了减摩与抗磨作用。在切削中，摩擦主要产生于刀具与切削、刀具与工作表面之间，加入纳米钻石烯和石墨烯的切削液就可以减轻这种摩擦，从而提高工件表面质量。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明环保型切削液配方中不含有污染环境的物质，对环境污染小，绿色环保；其中加入的纳米钻石烯硬度高、耐磨性强；加入的石墨烯减摩性强；刀具使用寿命长，工件表面加工质量高。
附图说明
图1为切削液浓度与死亡率之间的关系图；
图2为在切削液A中加入不同量钻石烯分散液后进行铣削实验的结果图；
图3为在切削液A中加入不同量石墨烯分散液后进行铣削实验的结果图；
图4为在切削液A中加入不同量钻石烯分散液、石墨烯分散液的复合切削液进行铣削实验的结果图。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
一种环保型切削液，其体积组成如下：
每1000mlA组分中消泡剂（具体为市售的切削液用消泡剂）浓度为75(10-6mol/L)，额外添加纳米钻石烯分散液300ml，石墨烯分散液40ml。
A组分的质量百分组成如下：硼酸酯9%，癸二酸三乙醇胺2%，油酸三乙醇胺10%，十二烯基丁二酸5%，硫脲2%，硼砂1%，吐温-80 3%，苯甲酸钠1%，BTA 0.5%，碳酸钠2%，余量为水。
所述环保型切削液的制备方法为：分别制备钻石烯分散液和石墨烯分散液，然后与其他成分按比例混合均匀即可。
其中，所述钻石烯分散液的制备方法如下：
1）搅拌混料
纳米钻石烯选用四种不同粒度：50nm、100nm、200nm、250nm，质量比控制为1：2：3：4；将不同粒度的纳米钻石烯倒入三维混料机中进行混料，混料时间控制在10min；
2）超声波碱洗
将纳米钻石烯原料放入碱洗槽中，碱洗槽底部安装有超声波发生器，超声波频率为30KHz，碱洗池中为浓度为10%的NaOH溶液，碱洗液温度控制在50℃，并旋转搅拌，旋转转速控制在30rpm，清洗时间控制在30min，将纳米钻石烯表面附着的油污去除；
3）超声波清洗：超声波频率均为30～35KHz，清洗液为去离子水，原料放入清洗液中并旋转搅拌，旋转转速控制在20rpm，搅拌时间控制在20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；
4）酸洗活化：酸洗液为体积比为1:10的浓盐酸和浓硫酸混合溶液，温度为常温，将原料放入酸洗溶液中并搅拌，旋转转速控制在15rpm，搅拌时间控制在10min，达到将原料表面活化的目的；
5）超声波水洗：超声波水洗为常温清洗，超声波频率为30～35KHz，水洗液为去离子水；将原料放入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速控制在25rpm，搅拌时间为10min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；
6）烘干：采用阶梯式烘烤工艺进行，升温速率为2℃/min，常温升温至70℃，恒温保温30min，升温至90℃，恒温保温30min，升温至120℃，恒温保温3h，自然冷却到常温待用；
7）配制钻石烯分散液：称取烘干的钻石烯250mg，在搅拌条件下加入到500ml聚乙二醇溶液中制得纳米钻石烯悬浮液，搅拌频率为20rpm，搅拌时间控制在20min，然后将此悬浮液进行超声处理：水温控制在45℃，超声频率为60Hz，超声时间为20min，超声结束后静置5min，然后再次超声，水温控制在30℃，超声频率为40Hz，超声时间为10min，制得纳米钻石烯分散液。
石墨烯分散液的配制方法如下：配制聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.1mg/mL的乙醇溶液100mL，将0.5g微晶石墨加入到100mL上述溶液中(石墨初始浓度为5mg/mL)，然后在常温下超声10h，自然沉淀10天，取上层液体得到石墨烯分散液。
性能测试：
1、基本性能
实施例1水基环保型切削液的基本性能如下表1所示：
所述对比进口样为市售的壳牌切削液。
从表1可以看出，研制的合成液的各项理化性能达到了切削液的国家标准GB/T6144-85所规定的质量指标，且与国外著名品牌壳牌切削液质量相当。
2、生物毒性测试
用鱼类急性毒性测定法对切削液进行毒性试验，所选试验鱼为体色鲜艳、体质健康、规格基本一致的小金鱼，平均体长为4～6 cm，平均体重2～6 g，实验前将试验鱼在与试验相同的环境条件下，在连续曝气的水中驯养三天，试验前24 h停止喂养。试验条件：水温变化为28～31℃，试验用水为经连续曝气24 h的自来水，pH值为6.5～7.2，溶氧量为6.2～7.6mg/L。
试验分两步进行，预备试验和正式试验。
预备试验：分别向5个容量为20L的聚乙烯方形容器中加入水10L，并向其中四个容器中分别加入0.01、0.1、1、10g切削液，即使得切削液浓度分别为1、10、100、1000 mg/L，向每个容器分别放五尾鱼，每天记录每个容器中死鱼数目和溶氧浓度，并及时将死鱼取出，试验48 h后发现五尾鱼全部存活的最高浓度为100 mg/L，五尾鱼全部死亡的最低浓度为1000mg/L。
正式试验：在鱼全部存活容器中的最高浓度为100 mg/L和鱼全部死亡的最低浓度为1000 mg/L之间选择5个间距浓度：120、240、480、960 mg/L。五个容器均加入水，其中一个为空白实验即对照实验，其余四个容器分别加入1.2、2.4、4.8、9.6g切削液，并向每个容器中放入十尾金鱼鱼苗，随时观察并注意记录金鱼的平衡、游动、呼吸、体色变化，并详细记录金鱼在24 h、48 h、72 h、96 h的死亡数目，实验结果如下表2所示：
图1为切削液浓度与死亡时间之间的关系图；根据直线内插法得出半致死浓度为720mg/L，根据鱼类急性毒性极限标准（表3），本发明的切削液是无毒性的。
3、铣削实验
实验用机床：A-850型立式数控加工中心(三菱系统，PD40轴)，工件材料为淬火45#钢，42～45HRC，刀具为Φ10硬质合金涂层铣刀。
切削参数：切削深度ap为0.5 mm，进给量为42 mm/min，切削速度为585 rpm。
粗糙度测量仪：北京时代AR100粗糙度仪。
所测的表面粗糙度由每个铣削面取10个位置测量，每个位置测量3次取平均值所得。
在切削液A中加入不同量钻石烯分散液后进行铣削实验，结果如图2所示；
其中A：不添加纳米钻石烯；B：600 ml；C：200 ml；D： 400 ml。（切削液A除了不加石墨烯与钻石烯之外，其他都同实施例1）
从图2可以看出，与不添加纳米钻石烯切削液相比，添加200 ml纳米钻石烯分散液后能够降低工件表面粗糙度值约30%，添加400 ml纳米钻石烯分散液后能够降低工件表面粗糙度值约50%，而添加600 ml的纳米钻石烯分散液不仅不能降低工件表面的粗糙度，反而比没有添加纳米钻石烯分散液还要高，提高了约11%，由此可见纳米钻石烯分散液添加量不宜超过400 ml。
在切削液A中加入不同量石墨烯分散液后进行铣削实验，结果如图3所示，其中A：20 ml；B：40 ml；C：60 ml。
从图3中可以看出，添加20 ml石墨烯分散液后基本不能降低工件表面的粗糙度值，添加40 ml石墨烯分散液后只能降低工件表面粗糙度值约5%，而添加60 ml石墨烯分散液后能降低工件表面粗糙度值约25%。
在切削液A中加入不同量钻石烯分散液、石墨烯分散液的复合切削液进行铣削实验，实验结果如图4所示：
其中A：200 ml钻石烯分散液，40 ml石墨烯分散液；
B：200 ml钻石烯分散液，60 ml石墨烯分散液；
C：400 ml钻石烯分散液，40 ml石墨烯分散液；
D：400 ml钻石烯分散液，60 ml石墨烯分散液。
从图4可以看出，纳米钻石烯和石墨烯分散液复合后的切削液比单一复合的切削液能够降低工件表面的粗糙度值，且纳米钻石烯分散液与石墨烯分散液添加比例不同工件表面的粗糙度值也不同，随着钻石烯分散液和石墨烯分散液添加量的增大，工件表面的粗糙度值逐渐降低。
4、刀具磨损检测
刀具磨损值由对刀仪进行测试，设备型号为ZOLLER venturion 600。
在测试过程中，使用各种不同钻石烯分散液、石墨烯分散液复合配方切削液时均采用每铣一个面换一把新铣刀的方式，提高检测精确度。
测量方法：将刀具夹持在对刀仪锥孔中，测量出距刀具端面0.6 mm处的直径值，然后调整对刀仪轴向坐标，测量切削刀刃的直径数值，两者测量数值之差为刀具磨损量，实验结果如下表所示：
从上表中可以明显地看出，1号铣刀使用的不添加纳米钻石烯和石墨烯分散液的切削液，它的磨损量最大，2～4号铣刀使用的是添加了纳米钻石烯分散液的切削液（2～4号添加纳米钻石烯分散液的体积分别为200ml、400ml以及600 ml），降低了刀具的磨损，但是随着加入量的增大，刀具磨损量又有了一定量的增大，5-7号铣刀使用的是添加了石墨烯分散液的切削液（5～7号添加石墨烯分散液的体积分别为20ml、40ml、60ml），能够较大幅度地降低刀具磨损，8～10号铣刀使用的是纳米钻石烯和石墨烯分散液复合的切削液（8号：200 ml钻石烯分散液，40 ml石墨烯分散液；9号：200 ml钻石烯分散液，60 ml石墨烯分散液；10号：400 ml钻石烯分散液，60 ml石墨烯分散液），能够大幅度地降低刀具磨损，甚至于没有磨损量，添加了400 ml纳米钻石烯分散液，60 ml石墨烯分散液的切削液刀具磨损量最小。
5、刀具寿命检测
实验机床型号为VBT-20，工件为淬火45#钢，42～45HRC，刀具为Φ10硬质合金涂层铣刀。
切削参数：切削深度ap为0.5 mm，进给量为42 mm/min，切削速度为1200 rpm。
切削液配方：添加有400 ml纳米钻石烯分散液，60 ml石墨烯分散液的复合切削液以及未添加纳米钻石烯和石墨烯分散液的切削液。
实验结果：采用添加有纳米钻石烯分散液和石墨烯分散液的切削液连续切削，测得刀具的使用寿命约为15 h，而使用未添加纳米钻石烯和石墨烯分散液的切削液，在其余切削参数不变的情况下刀具的使用寿命约为8 h，由此可见添加有纳米钻石烯和石墨烯分散液的复合切削液可有效提高刀具的使用寿命，提高了约一倍。

Claims (10)

1.一种环保型切削液，其特征在于，其由A组分中添加消泡剂、纳米钻石烯分散液以及石墨烯分散液组成，其中A组分的质量百分如下：
硼酸酯 8%～10%，癸二酸三乙醇胺1%～3%，油酸三乙醇胺8%～12%，十二烯基丁二酸3%～7%，硫脲1～3%，硼砂0.5～2%，吐温-80 2～4%，苯甲酸钠0.5～2%，BTA 0.1～1%，碳酸钠1～4%，余量为水；
每升A组分中添加消泡剂50×10-6～100×10-6mol，添加纳米钻石烯分散液100～600mL，添加石墨烯分散液10～80mL。
2.权利要求1所述环保型切削液的制备方法，其特征在于，分别制备纳米钻石烯分散液和石墨烯分散液，然后与其他成分按比例混合均匀即可。
3.如权利要求2所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，所述钻石烯分散液是将纳米钻石烯分别进行碱洗、清洗后进行活化，之后进行再次清洗，烘干后配制为浓度为0.1～1mg/ml的聚乙二醇悬浮液；其中，纳米钻石烯选用四种不同粒度：50nm、100nm、200nm、250nm，质量比控制为(1～2)：(2～3)：(3～4)：(4～5)；将不同粒度的纳米钻石烯进行充分混合。
4.如权利要求3所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，所述的碱洗、清洗以及再次清洗都在超声条件下进行：
清洗的条件如下：超声波频率为30～35KHz，清洗液为去离子水，原料放入清洗液中并旋转搅拌，旋转转速控制在15～25rpm，搅拌时间控制在20～25min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；
再次清洗的条件如下：常温清洗，超声波频率为30～35KHz，清洗液为去离子水；将原料放入去离子水中并旋转搅拌，旋转转速控制在15～25rpm，搅拌时间在10～15min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7。
5.如权利要求4所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，碱洗的操作如下：超声波频率为30～40KHz，碱洗液为质量浓度为10%～15%的NaOH溶液，碱洗液温度控制在45～55℃，并旋转搅拌，旋转转速控制在25～35rpm，清洗时间控制在25～35min。
6.如权利要求3所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，所述的活化为酸洗活化：酸洗液为体积比为1:8～12的浓盐酸和浓硫酸混合溶液，温度为常温，将原料放入酸洗溶液中并搅拌，旋转转速控制在10～15rpm，搅拌时间控制在10～15min。
7.如权利要求3所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，所述的烘干采用阶梯式烘烤，升温速率为2℃/min，常温升温至70℃，恒温保温20～30min，升温至90℃，恒温保温20～30min，升温至120℃，恒温保温2～3h，自然冷却到常温。
8.如权利要求3所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，配制纳米钻石烯的悬浮液时，将烘干的纳米钻石烯加入聚乙二醇中，保持搅拌频率为10～30rpm搅拌1～30min。
9.如权利要求8所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，将悬浮液进行超声处理：水温控制在40～50℃，超声频率为50～60Hz，超声时间为10～20min，超声结束后静置5min，然后再次超声：水温控制在25～30℃，超声频率为30～40Hz，超声时间为5～10min，制得纳米钻石烯分散液。
10.如权利要求2所述的环保型切削液的制备方法，其特征在于，石墨烯分散液的配制方法如下：配制聚乙烯吡咯烷酮浓度为0.05～0.2mg/mL的乙醇溶液100mL，将0.5g微晶石墨加入到100mL上述溶液中，然后在常温下超声4～10h，自然沉淀后取上层液体得到石墨烯分散液。
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