CN110218606A - 金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法 - Google Patents

金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法。本发明采用研磨活化、剪切强化、表面修饰、超声分散等步骤即可获得均匀分散的高浓度纳米二氧化钛水润滑液。本发明的水润滑液中纳米二氧化钛浓度高，可达1％以上，分散工艺简便，制备条件温和，所制得水润滑液中纳米二氧化钛分布均匀、稳定时间长，可作为金属切削用润滑剂，可大幅度减小摩擦系数，提高加工效率。

Description

金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法
技术领域
本发明涉及一种水基润滑剂领域，具体的说是一种用于金属切削加工的高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法。
背景技术
金属切削加工过程中会存在大量的能量损耗，并且由于摩擦产生大量的切削热会对工件造成损伤，因此，降低金属切削过程中的摩擦具有非常重要的意义。传统金属加工过程中以油基切削液降低切削过程的摩擦磨损为主，但油基切削液的使用带来了环保问题，此外冷却性也不足。于是人们开始考虑用自然界中广泛存在的、冷却性能好的水基切削液来替代油基切削液，但由于水的粘度较低，润滑性不足，限制了其优势的发挥。为了解决此类问题，研究发现通过在水溶液中加入诸如二氧化钛纳米颗粒可以增强水的润滑性。然而，由于纳米二氧化钛尺寸小，比表面积大，本身具有强极性，粒子之间的范德华和库仑力的吸引等原因，在较高浓度条件下，难以形成稳定均匀分散的纳米二氧化钛水润滑液。
中国发明专利申请(CN101367547)公开了一种制备纳米二氧化钛水分散液的方法，该方法经过混合液的配置、水热晶化处理、固-液分离等步骤获得纳米二氧化钛水分散液，但其中涉及到pH调节，高温处理等苛刻条件。Gao等(Gao Y,Chen G,Oli Y,et al.Studyon tribological properties of oleic acid-modified TiO2nanoparticle in water[J].Wear,2002,252(5-6):454-458.)利用油酸对纳米二氧化钛表面进行修饰，然而从其电镜图可以发现分散效果并不理想，团聚依然严重。总体而言，现有纳米二氧化钛水润滑液的制备中存在二氧化钛含量低、需要调节pH或高温等苛刻条件、分散效果不佳、减摩润滑效果不足等问题。随着金属切削加工效率要求的提升，现有的二氧化钛水润滑液难以满足对润滑液减摩性能的需求，因此有必要发展新的金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，为了解决纳米二氧化钛水润滑液中二氧化钛含量低、需要调节pH或高温等苛刻条件、分散效果不佳、减摩润滑效果不足的问题，提出一种金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法。本发明的具体实施方案包括以下步骤：
(1)研磨活化：将粒径20～30nm的纳米二氧化钛加入玛瑙研钵，在接触压力25～35N,往复速度0.01～0.03m/s下研磨20min活化；
(2)剪切强化：将研磨活化好的纳米二氧化钛以质量比为1:90～1:98.9加入去离子水中，然后以2000～2200r/min速度剪切强化15～25min，得到纳米二氧化钛悬浮液；
(3)表面修饰：在纳米二氧化钛悬浮液中加入表面修饰剂，以500～650r/min磁力搅拌15～20min，其中，表面修饰剂含量为纳米二氧化钛质量的8％～10％；
(4)超声分散：将上述混合液在25～45℃超声15～20min，即得到金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液。
其中，所述的表面修饰剂为：十二烷基磺酸钠，或六偏磷酸钠和十二烷基磺酸钠质量比为1:4～1:7的混合物。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
1.本发明制备的金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的减摩润滑性能好，可以大幅度降低金属切削加工时的摩擦系数，相对于纯水润滑下的摩擦系数降低幅度可达55％以上。
2.本发明制备的金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的二氧化钛浓度高，可达到1％以上，润滑时效长，切削加工过程无需频繁更换润滑液，换液周期长。
3.本发明制备的金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的工艺步骤安排合理，操作简单快捷，分散效果好，分散后的纳米颗粒尺寸分布区间窄，分散液稳定时间长，易于存储运输。
4.本发明制备的金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液不需要调节溶液的pH值，也不需要高温等苛刻条件，制备方法环保可控，在中性以及较温和的条件下即可进行。
附图说明
图1(a)是经过常规超声处理的1wt％纳米二氧化钛的粒度分布图；
图1(b)是具体实施例分散后的1wt％纳米二氧化钛的粒度分布图。
具体实施例
以下通过具体实施例来说明本发明的制备方法，其中所使用的二氧化钛晶型为锐钛型，粒径为25纳米。
取1.5g纳米二氧化钛加入到玛瑙研钵中，在接触压力30N，往复速度0.02m/s研磨20min活化；将1g研磨活化好的二氧化钛加入98.9g去离子水中，然后以2000r/min速度持续剪切强化20min，得到二氧化钛悬浮液；再在悬浮液中加入0.1g十二烷基磺酸钠，以600r/min磁力搅拌20min，得到混合液；最后将上述混合液在45℃超声15min，即得金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液。
从图1(a)和图1(b)的对比，可以看出，采用本发明方法比常规方法分散后粒度分布更加均匀，分散效果更好。
将上述实施例中得到的1wt％纳米二氧化钛水润滑液与纯水润滑液润滑性能进行对比，数据见表1。需要指出的是，由于不同摩擦条件下的摩擦系数绝对值难以直接比较，因此，纳米二氧化钛水润滑液相对于纯水在相同条件下的摩擦系数降低幅度更能真实反映润滑液的实际润滑效果。从表中可以看出，采用本发明得到的纳米二氧化钛水润滑液相对于纯水润滑时摩擦系数降低55.6％，远超过现有技术30％以内的降低幅度，具有显著的减摩润滑效果。
其中，模拟金属切削加工时的摩擦实验条件为：采用球盘往复摩擦试验，上试件为Φ6mm的316L不锈钢球，下试件为316L不锈钢盘，平均滑动速度为50mm/s，载荷为10N。
表1润滑性能的比较

Claims (2)

1.一种金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)研磨活化：将粒径20～30nm的纳米二氧化钛加入玛瑙研钵，在接触压力25～35N,往复速度0.01～0.03m/s下研磨20min活化；
(2)剪切强化：将研磨活化好的纳米二氧化钛以质量比为1:90～1:98.9加入去离子水中，然后以2000r/min速度剪切强化20min，得到纳米二氧化钛悬浮液；
(3)表面修饰：在纳米二氧化钛悬浮液中加入表面修饰剂，以500～650r/min磁力搅拌15～20min，其中，表面修饰剂含量为纳米二氧化钛质量的8％～10％；
(4)超声分散：将上述混合液在25～45℃超声15～20min，即得到金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液。
2.根据权利要求1所述的一种金属切削加工用高浓度纳米二氧化钛水润滑液的制备方法，其特征在于：所述的表面修饰剂为十二烷基磺酸钠，或六偏磷酸钠与十二烷基磺酸钠质量比为1:4～1:7的混合物。
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