CN109321349A - 用于有色金属机械加工的水性溶液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于有色金属机械加工的水性溶液及其制备方法，包括下列物质：氧化铁纳米颗粒、分散剂、消泡剂和助剂，其余为去离子水，其中氧化铁纳米颗粒的浓度在2~10g/L的范围内，分散剂的浓度在10~25g/L的范围内，消泡剂的浓度在2~10g/L的范围内。从上述组分可知，本发明的一种用于有色金属机械加工的水性溶液及其制备方法，原料取材方便、制备工艺及方法简单，易于实验室及工业化生产；用于有色金属机械加工的水性溶液以水为主体，因而冷却效果好、容易清洗、对环境无污染、对人体健康无害，属于环境友好型的润滑剂。

Description

用于有色金属机械加工的水性溶液及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于有色金属机械加工的润滑剂的技术领域，具体涉及一种用于有色金属机械加工的水性溶液及其制备方法。
背景技术
金属零部件在机械加工过程中，不可避免地发生接触摩擦。摩擦往往造成了不同程度地磨损。有色金属合金，尤其是铝、镁、钛等轻金属合金，由于其优异的比强度、优良的耐蚀性而广泛应用于汽车、航空航天、海洋、生物医药等领域。然而较低的硬度，使得有色金属合金在机械加工过程中，极易产生严重的粘着现象，这大大降低了零件的精度，严重影响了产品的质量。
润滑剂是一种机械加工行业普遍使用的物品。润滑剂的使用可显著改善金属零件的严重摩擦磨损状态，提高零件精度、改善产品质量。传统的润滑剂一般是以矿物油、合成烃、动植物油或其混合物为基础，加入各种添加剂制备而成的。由于这类润滑剂含大量的油类物质，因而极不易清洗，且生物降解性较差，对环境污染较为严重。
水基润滑剂通常是以水为主体，通过加入一些添加剂而形成的润滑剂，这类润滑剂成本低廉、环境污染少、冷却效果好、易清洗、不易燃、对人体健康无害。因而，水基润滑剂是一种环境友好型并可实现“以水代油”而用于有色金属零部件表面机械加工的润滑剂。本发明针对有色金属零部件机械加工表面严重粘着现象以及传统油基润滑剂不易清洗、严重环境污染等问题，提出一种环境友好型的含氧化铁纳米颗粒水基润滑剂。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种用于有色金属机械加工的水性溶液及其制备方法，原料取材方便、制备工艺及方法简单，易于实验室及工业化生产；用于有色金属机械加工的水性溶液以水为主体，因而冷却效果好、容易清洗、对环境无污染、对人体健康无害，属于环境友好型的润滑剂；在润滑剂中配备纳米氧化物颗粒，以使其在摩擦过程中形成转移膜，隔离金属表面，从而达成降低摩擦、改善磨损的作用；超声空化过程促进了分散剂对氧化铁纳米粒子的有效包裹，从而防止颗粒团聚剂沉降，因而制备的水基润滑剂中的氧化铁纳米颗粒的分散性很好。
本发明所采取的技术方案是：
用于有色金属机械加工的水性溶液，包括下列物质：氧化铁纳米颗粒、分散剂、消泡剂和助剂，其余为去离子水，其中氧化铁纳米颗粒的浓度在2~10g/L的范围内，分散剂的浓度在10~25g/L的范围内，消泡剂的浓度在2~10g/L的范围内。
本发明进一步改进方案是，所述氧化铁纳米颗粒的形状为球状或近球状。
本发明更进一步改进方案是，所述氧化铁纳米颗粒的粒径在20~500 nm的范围内。
本发明更进一步改进方案是，所述分散剂由十二烷基磺酸钠、聚乙烯亚胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠或月桂基硫酸钠中的一种或多种组成。
本发明更进一步改进方案是，所述消泡剂由乳化硅油、聚二甲基硅氧烷、氟硅氧烷或乙二醇硅氧烷中的一种或多种组成。
本发明更进一步改进方案是，所述助剂由乙二醇、丙三醇或聚乙二醇中的一种或多种组成。
本发明更进一步改进方案是，所述聚乙二醇的分子量在400~3000的范围内。
制备如上所述的用于有色金属机械加工的水性溶液的方法，包括以下步骤：
1）将去离子水、氧化铁纳米颗粒按比例充分机械混合后静置；
2）将上述溶液进行低速离心处理，过滤掉大颗粒沉淀后，收集上层溶液；
3）随后投入分散剂、消泡剂、助剂等物质，并在水浴状态下进行超声空化；
4）静置后即可制得润滑剂。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）中，通过搅拌的方式进行机械混合，搅拌时间在1~5h的范围内。
本发明更进一步改进方案是，所属步骤2）中，低速离心处理过程中，离心机转速在300~2000 rpm的范围内。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，水浴的温度在20~75℃的范围内，超声空化的时间在1~5h的范围内。
本发明的有益效果在于：
第一、本发明的用于有色金属机械加工的水性溶液，原料取材方便、制备工艺及方法简单，易于实验室及工业化生产。
第二、本发明的用于有色金属机械加工的水性溶液，用于有色金属机械加工的水性溶液以水为主体，因而冷却效果好、容易清洗、对环境无污染、对人体健康无害，属于环境友好型的润滑剂。
第三、本发明的用于有色金属机械加工的水性溶液，在润滑剂中配备纳米氧化物颗粒，以使其在摩擦过程中形成转移膜，隔离金属表面，从而达成降低摩擦、改善磨损的作用。
第四、本发明的用于有色金属机械加工的水性溶液的制备方法，超声空化过程促进了分散剂对氧化铁纳米粒子的有效包裹，从而防止颗粒团聚剂沉降，因而制备的水基润滑剂中的氧化铁纳米颗粒的分散性很好。
附图说明：
图1为载荷20N时，干滑动、含氧化铁纳米颗粒水基润滑剂状态下的GCr15钢球/TC4合金的平均摩擦系数。
图2为干滑动（a）和含氧化铁纳米颗粒水基润滑剂（b）状态下的TC4合金的磨痕。
具体实施方式：
实施例1
称取氧化铁纳米颗粒5g、十二烷基磺酸钠12g、聚二甲基硅氧烷2g、丙三醇10mL、去离子水1L。将去离子水、氧化铁纳米颗粒混合后，机械搅拌2h，静置1h后，取上层溶液进行离心处理，转速为500rpm，过滤掉大颗粒后，收集上层溶液；将十二烷基硫酸钠、聚二甲基硅氧烷、丙三醇等投入到上述溶液，并充分搅拌后，水浴加热至50℃并超声空化5h，随后即可获得所需润滑剂。
实施例2
称取氧化铁纳米颗粒10g、十二烷基磺酸钠8g、月桂基硫酸钠4g、乳化硅油2g、聚乙二醇15mL、去离子水1L。将去离子水、氧化铁纳米颗粒混合后，机械搅拌2h，静置1h后，取上层溶液进行离心处理，转速为500rpm，过滤掉大颗粒后，收集上层溶液；将十二烷基磺酸钠、月桂基硫酸钠、乳化硅、聚乙二醇等投入到上述溶液，并充分搅拌后，水浴加热至50℃并超声空化5h，随后即可获得所需润滑剂。
实施例3
称取氧化铁纳米颗粒5g、聚乙烯亚胺2g、十二烷基苯磺酸钠8g、聚二甲基硅氧烷2g、丙三醇10mL、去离子水1L。将去离子水、氧化铁纳米颗粒混合后，机械搅拌2h，静置1h后，取上层溶液进行离心处理，转速为500rpm，过滤掉大颗粒后，收集上层溶液；将聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、聚二甲基硅氧烷、丙三醇等投入到上述溶液，并充分搅拌后，水浴加热至50℃并超声空化5h，随后即可获得所需润滑剂。
将上述三个实施例制备所得的润滑剂分别采用UMT-2摩擦试验机在TC4钛合金表面的减摩抗磨作用进行了评价，并对比了干滑动条件下的摩擦磨损行为。对磨副选用GCr15钢球，硬度50HRC，滑动形式为往复式，振幅为4Hz，载荷为20N，滑动距离为28m。滑动开始前，在单位试样表面添加1mL/mm2的水基润滑剂，在随后的滑动过程中无任何添加。
发现实施例1制备的润滑剂的数据为三个实施例中最差的，因此对实施例1所制备的润滑剂进行分析。
实施例1制备的润滑剂的钛合金的摩擦系数和磨损体积结果如附图1和2所示。
图1中，载荷20N时，添加水基润滑剂的摩擦系数明显低于干滑动状态下的摩擦系数，添加水基润滑剂的摩擦系数小于干滑动状态下的摩擦系数的一半。
图2中，载荷20N时，在添加水基润滑剂的磨痕深度区域分布与于干滑动状态下的磨痕深度区域分布相当的前提条件下，添加水基润滑剂的磨痕直径明显小于干滑动状态下的磨痕直径，因此添加水机润滑剂的磨损明显小于干滑动状态下的磨损。
显然，含氧化铁纳米颗粒的水基润滑剂具有优良的摩擦磨损性能。

Claims (10)

1.用于有色金属机械加工的水性溶液，其特征在于：包括下列物质：氧化铁纳米颗粒、分散剂、消泡剂和助剂，其余为去离子水，其中氧化铁纳米颗粒的浓度在2~10g/L的范围内，分散剂的浓度在10~25g/L的范围内，消泡剂的浓度在2~10g/L的范围内。
2. 如权利要求1所述的用于有色金属机械加工的水性溶液，其特征在于：所述氧化铁纳米颗粒的形状为球状或近球状；所述氧化铁纳米颗粒的粒径在20~500 nm的范围内。
3.如权利要求1所述的用于有色金属机械加工的水性溶液，其特征在于：所述分散剂由十二烷基磺酸钠、聚乙烯亚胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠或月桂基硫酸钠中的一种或多种组成。
4.如权利要求1所述的用于有色金属机械加工的水性溶液，其特征在于：所述消泡剂由乳化硅油、聚二甲基硅氧烷、氟硅氧烷或乙二醇硅氧烷中的一种或多种组成。
5.如权利要求1所述的用于有色金属机械加工的水性溶液，其特征在于：所述助剂由乙二醇、丙三醇或聚乙二醇中的一种或多种组成。
6.如权利要求5所述的用于有色金属机械加工的水性溶液，其特征在于：所述聚乙二醇的分子量在400~3000的范围内。
7.制备如权利要求1~6其中任意一条所述的用于有色金属机械加工的水性溶液的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将去离子水、氧化铁纳米颗粒按比例充分机械混合后静置；
2）将上述溶液进行低速离心处理，过滤掉大颗粒沉淀后，收集上层溶液；
3）随后投入分散剂、消泡剂、助剂等物质，并在水浴状态下进行超声空化；
4）静置后即可制得润滑剂。
8.如权利要求7所述的用于有色金属机械加工的水性溶液的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，通过搅拌的方式进行机械混合，搅拌时间在1~5h的范围内。
9. 如权利要求7所述的用于有色金属机械加工的水性溶液的制备方法，其特征在于：所属步骤2）中，低速离心处理过程中，离心机转速在300~2000 rpm的范围内。
10.如权利要求7所述的用于有色金属机械加工的水性溶液的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，水浴的温度在20~75℃的范围内，超声空化的时间在1~5h的范围内。
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