CN110699157A - 一种用于钛合金加工的切削油及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钛合金加工的切削油及其制备方法。该方法包括以下步骤：按照质量百分比称取以下组分，纳米润滑剂10‑20％，油性添加剂10‑15％，极压抗磨剂1‑2％，耦合剂5‑10％，金属减活剂0.2‑0.3％，防锈剂5‑10％，抗氧剂1‑1.5％，抗雾剂：0.5‑2％，余量为基础油；将上述原料一次加入调和釜中，开启脉冲搅拌，同时升温至60‑80℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，出釜检测。本发明所提供的切削油由于添加了纳米无机颗粒，在边界润滑情况下，球状的纳米颗粒可以提供有效的滚动摩擦，在更高的切削温度区域内，极压抗磨剂可以与钛合金表面发生化学反应，起到良好的化学保护作用，两种摩擦方式在不同温度梯度下的有效结合，可以将刀具寿命提高34.6％‑46.2％左右。

Description

一种用于钛合金加工的切削油及其制备方法

技术领域

本发明金属加工工艺润滑油技术领域，具体地说是一种用于钛合金加工的切削油及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低(通常为4.5g/cm³，大约为钢的3/5)，强度高(大约为钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，镁合金的1.7倍)，耐蚀性好(主要取决于其表面氧化面膜的存在，能在海水、湿气、硝酸、硫酸中不被腐蚀)、耐热性高(在500℃仍然保持良好的力学)，低温性能好(温度为20k时仍然有一定的塑性)以及生物相容性等优点。钛合金因其优良的特性，被广泛应用于航空航天，尤其在军用飞机上的比例不断扩大。例如在美国F22战斗机中，钛合金的用量占整个金属用量的41％。当今世界各国对钛合金的使用水平和程度已经是衡量各国飞机制造和发展水平的重要象征之一。除此之外，在船舶制造、军工国防，生物医疗器械以及核设备等工业部门和领域，钛合金也得到了广泛应用，而且发展迅速。

钛合金虽然具有广泛的应用前景，但它属于难加工材料，加工成本居高不下，限制其在更广泛领域的使用。钛合金比较难加工主要表现在以下几个方面：

钛合金属于典型的难加工金属材料，这限制了其进一步的大规模生产和推广应用。钛合金在切削加工过程中的显著特点主要包括：

(1)切削温度高。因为钛合金本身导热系数较低，且刀与屑接触面积小而摩擦系数较大，造成在切削加工过程中切削区产生的大部分热量积聚在切削刃附近小范围区域内，不能及时传导到切屑和工件中。

(2)切屑变形系数小。钛合金塑性变形能力小，所以加工时切屑的变形系数较小，基本上为1(约为普通碳素钢切屑变形系数的1/3)。

(3)易产生加工硬化现象。因为钛合金切削加工过程中温度较高，而且钛合金自身高温活性强，易与空气中的元素发生化学反应，生成氮化钛、氧化钛等化合物，导致在工件表面上产生加工硬化现象，使得钛合金表面硬度得到提高，但同时降低了其塑性，使工件表面疲劳强度降低。

(4)刀具易磨损。一方面，由于钛合金切削温度高，导致刀刃容易软化，并且刀与屑接触面积小而接触应力大，切屑变形系数小，这些因素加剧了前刀面的磨损。另一方面，在切削过程中已加工表面会发生相对较大的弹性恢复，而且切削力较大时工件容易产生振动，这些因素都会使刀具后刀面的磨损加剧并对己加工表面质量造成一定程度的损伤。

(5)易产生明显的粘刀现象。因为钛合金本身导热系数较低，导致在加工过程中切削区温度较高，并且钛合金在高温下化学活性强，加上工件的弹性恢复等因素，使得在钛合金加工过程容易产生明显的粘刀现象。

目前国内外关于钛合金加工大多数情况下均采用传统的切削油。一些从事高端加工制造业的企业，为了提高加工效率，一般采用价格昂贵的刀具，或者将传统的润滑方式改成由压缩冷空气将切削油雾化冷却的方式喷射到刀具和钛合金表面进行加工。刀具涂层和切削油供给方式的改善，可以提高加工效率。但是，对于一些加工精度要求更高的医疗器械，以及更有效降低企业更换刀具方面，更需要提供一种创新的润滑手段，从根本上提高加工效率和精度，为企业做到真正降本增效。

为克服以上技术难题，本发明提供了一种用于钛合金加工的切削油及其制备方法，通过添加无机纳米颗粒，在边界摩擦情况下提供滚动摩擦和滑动摩擦，给刀具和钛合金表面提供正确的润滑方式，以达到提高加工精度和延长刀具使用寿命的目的。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于钛合金加工的切削油及其制备方法，本申请适用于钛合金加工，相比于传统切削油，可以达到更高的加工精度和更长的刀具使用寿命。

本发明的技术方案如下：

一种用于钛合金加工的纳米切削油，包括以下组成成分及质量百分比：

纳米润滑添加剂：10-20％，

油性添加剂：10-15％，

极压抗磨剂：1-2％，

耦合剂：5-10％，

金属减活剂：0.2-0.3％，

防锈剂：5-10％，

抗氧剂：1-1.5％，

抗雾剂：0.5-2％，

余下为基础油。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述纳米润滑添加剂包括：二氧化硅纳米颗粒，其中，所述二氧化硅纳米颗粒的粒径分布在200nm-500nm之间。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述油性添加剂包括：植物油、三羟甲基丙烷油酸单酯、季戊四醇双酯、油酸异辛酯以及分子量分布在450-800之间的氧化菜油中的一种或者几种组合。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述极压抗磨剂包括：二烷基二硫代氨基甲酸钼、亚磷酸二正丁酯以及非活性硫化极压抗磨剂中的一种或几种组合。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述耦合剂包括：月桂醇、C16格尔伯特醇以及二乙二醇单丁醚中的一种或多种组合。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述金属减活剂包括：甲基苯并三氮唑。不同分子结构的防锈，金属减活剂的搭配，不但可以为刀具、被加工金属提供良好的防锈防腐作用，还可以很好的保护机床表面及其内部构造中的各种金属部件。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述防锈剂包括：N-酰氨基酸铵盐、十二烯基丁二酸以及二壬基奈磺酸盐中的一种或多种组合。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述抗氧剂由4,4—二辛基二苯胺和2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚混合而成，其中，所述4,4-二辛基二苯胺与所述2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚的质量比为1：3。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述抗雾剂为高分子聚合物，所述抗雾剂包括：聚异丁烯、聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯与苯乙烯共聚物中的一种或几种组合；所述抗雾剂的分子量在10000至20000之间。

进一步地，上述的纳米切削油，其中，所述基础油包括：150N、60N、150SN以及60SN的一种或多种组合。

一种用于钛合金加工的纳米切削油的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照质量百分比称取以下组分：纳米润滑添加剂10-20％，油性添加剂10-15％，极压抗磨剂1-2％，耦合剂合剂5-10％，金属减活剂0.2-0.3％，防锈剂5-10％，抗氧剂1-1.5％，抗雾剂0.5-2％，余量为基础油；

将上述原料一次加入调和釜中，开启脉冲搅拌，同时升温至60-80℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，出釜检测。

本发明有益的技术效果在于：

本发明提供的添加了纳米材料的切削油，在边界润滑情况下，球状的二氧化硅可以提供有效的滚动摩擦，即使在切削过程中产生的高达1000℃的高温，也可以起到良好的润滑作用，可以有效保护刀具以及工件表面；硫化极压抗磨剂可以与钛合金表面发生化学反应，起到良好的化学保护作用，两种摩擦方式在不同温度梯度下的有效结合，可以将刀具寿命提高34.6％-46.2％左右。

现有技术往往采用传统的含硫、含氯以及含磷的极压切削油进行钛合金加工，传统的切削油无法承受切削过程中的高温区域，所形成的的润滑油膜在高温区很容易破裂、失效，以至于严重影响刀具的使用寿命以及工件的加工精度；尤其对于加工精度要求较高的医疗器械来说，传统的切削油无法达到相应的精度要求。与传统的磷硫氯切削油相比，本发明可将刀具的使用寿命提高34.6％-46.2％左右，同时该油品不添加传统切削油中的氯化石蜡，硫化猪油等对人体、环境均有害的物质，为操作者提供了良好的工作环境，真正为企业提供了节能减排、绿色环保、符合加工工艺要求的钛合金，以及其他难加工硬质合金的切削油产品。

附图说明

图1为本申请用于钛合金加工的切削油的其制备方法流程图。

图2为本申请中二氧化硅纳米颗粒的透射电镜图。

具体实施方式

下面结合附图的制备流程和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请用于钛合金加工的切削油的其制备方法包括如下步骤：

按照质量百分比称取以下组分：纳米润滑添加剂10-20％，油性添加剂10-15％，极压抗磨剂1-2％，耦合剂合剂5-10％，金属减活剂0.2-0.3％，防锈剂5-10％，抗氧剂1-1.5％，抗雾剂0.5-2％，余量为基础油；将上述原料一次加入调和釜中，开启脉冲搅拌，同时升温至60-80℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，出釜检测。

本申请中，下文所述的制备油溶性二氧化硅纳米颗粒的主要原料来源如下：

1、正硅酸四乙酯(TEOS))来源于天津科密欧化学试剂有限公司；

2、修饰剂IGEPALCO-520来源于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

其中，所述下文所述的纳米润滑添加剂的修饰方法包括如下步骤：

步骤一：将10g表面活性剂Igepalco-520和100g正己烷混合物加入到500mL圆底烧瓶中，开启搅拌，搅拌速度为1000rmp/min；

步骤二：在剧烈搅拌的状态下，将50g正硅酸四乙酯以5g/min的速度滴加到上述溶液中，混合溶液30-40℃保温搅拌30min，直至混合均匀；

步骤三：然后给上述体系中加入28％的氨水25g混合物连续搅拌24小时，保持反应温度为30-40℃，等二氧化硅水解缩合反应完全后，以6000rpm，离心8min，弃去上层清液，用无水乙醇超声清洗表面未反应的试剂，再次离心得到表面经过有机表面活性剂修饰的二氧化硅纳米颗粒。

上述经有机物修饰过的二氧化硅纳米颗粒备用，其中该二氧化硅纳米颗粒的透射电镜图如图2所示。

实施例1

开启不锈钢调和釜脉冲搅拌，升温至60-70℃的温度范围内，加入67.3％的基础油150N，60N(其中，150N与60N的质量比为1：1)，依次加入10％表面经有机物修饰过的二氧化硅纳米颗粒，10％的氧化菜油和油酸异辛酯(氧化菜油与油酸异辛酯的质量比为2：1)，5％的二乙二醇单丁醚，0.2％的甲基苯并三氮唑，5％的十二烯基丁二酸，1％的4,4—二辛基二苯胺，1％的非活性硫化极压抗磨剂，0.5％的分子量为15000的聚异丁烯，待所有添加剂添加完毕，70℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，检测主要性能指标合格后出釜包装。

实施例2

开启不锈钢调和釜脉冲搅拌，升温至60-70℃的温度范围内，加入53.7％基础油60N，依次加入10％的表面经有机物修饰过的二氧化硅纳米颗粒，15％的植物油和三羟甲基丙烷油酸单酯(植物油与三羟甲基丙烷油酸单酯的质量比为3：1)，7％的二乙二醇单丁醚，0.3％的甲基苯并三氮唑，10％的十二烯基丁二酸，1.5％的4,4—二辛基二苯胺，1％的非活性硫化极压抗磨剂，1.5％的分子量为15000的聚丙烯酸酯，待所有添加剂添加完毕，70℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，检测主要性能指标合格后出釜包装。

实施例3

开启不锈钢调和釜脉冲搅拌，升温至60-70℃的温度范围内，加入49.55％的基础油150N，依次加入15％表面经有机物修饰过的二氧化硅纳米颗粒，12％油酸异辛酯，10％的二乙二醇单丁醚，0.25％的甲基苯并三氮唑，8％的二壬基奈磺酸盐，1.2％的4,4—二辛基二苯胺与2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚(质量比为1：3)，2％的二烷基二硫代氨基甲酸钼，2％分子量为10000的甲基丙烯酸酯与苯乙烯共聚物待所有添加剂添加完毕，70℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，检测主要性能指标合格后出釜包装。

实施例4

开启不锈钢调和釜脉冲搅拌，升温至60-70℃的温度范围内，加入44.2％的基础油60SN，依次加入20％表面经有机物修饰过的二氧化硅纳米颗粒，15％的植物油和季戊四醇酯(植物油与季戊四醇酯的质量比为2：1)，10％的月桂醇，0.3％甲基苯并三氮唑，5％的N-酰氨基酸铵盐，1％的4,4—二辛基二苯胺与2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚(质量比为1：3)，2％的非活性硫化极压抗磨剂，2.5％分子量为10000的甲基丙烯酸酯与苯乙烯共聚物待所有添加剂添加完毕，70℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，检测主要性能指标合格后出釜包装。

实施例5

开启不锈钢调和釜脉冲搅拌，升温至60-70℃的温度范围内，加入52.2％的基础油150SN，依次加入18％表面经有机物修饰过的二氧化硅纳米颗粒，20％的植物油和油酸异辛酯(植物油与油酸异辛酯的质量比为2：1)，3％的月桂醇，0.3％的甲基苯并三氮唑，2％的二壬基奈磺酸盐，1％的4,4—二辛基二苯胺与2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚(质量比为1：3)，2％的非活性硫化极压抗磨剂，1.5％分子量为18000的甲基丙烯酸酯与苯乙烯共聚物待所有添加剂添加完毕，70℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，检测主要性能指标合格后出釜包装。

实施例6

开启不锈钢调和釜脉冲搅拌，升温至60-70℃的温度范围内，加入48.2％基础油150N，依次加入16％表面经有机物修饰过的二氧化硅，15％的植物油和油酸异辛酯(植物油与油酸异辛酯的质量比为2：1)，10％的C16格尔伯特醇，0.3％的甲基苯并三氮唑，5％的二壬基奈磺酸盐，1.5％的4,4—二辛基二苯胺与2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚(质量比为1：3)，1％的亚磷酸二正丁酯，1％的非活性硫化极压抗磨剂，2％分子量为20000的甲基丙烯酸酯与苯乙烯共聚物，待所有添加剂添加完毕，70℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，检测主要性能指标合格后出釜包装。

对本发明的挥发性微量润滑切削油进行各项性能指标检测，技术指标如表1所示。实施例1-5与现用传统切削油用油量对比如表2。

表1实施例与对比样各项性能指标

选择上述实施例中的实施例1、实施例3和实施例5三个具有代表性的切削油，但其性能能够代表本发明所涉及到所有配比的切削油，用于某医疗器械钛合金工件加工，并与该企业现有传统含有氯化石蜡的切削油进行对比，结果见表2所示。

表2实施例与传统切削油对比

根据表2跟踪的使用效果，本发明提供的三款添加纳米润滑剂的切削油，与传统的切削油相比，均可提高钛合金工件的合格率。与此同时，传统切削油加工1300工件就要更换刀具，而本发明提供的添加了二氧化硅纳米颗粒作为润滑剂的切削油加工1750-1900的工件才更换刀具，可以将刀具寿命提高34.6％-46.2％，为企业降低了成本，且能够为工人提供良好舒适的工作环境。

本发明具有极强的润滑作用，能够确保加工精度和表面质量，从而减小刀具的磨损，在切割过程中不冒烟。本发明可以使刀具寿命延长，生产能力提高，增长了刀具转速及进给量。因此，本发明具有广阔的市场应用前景。

本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于钛合金加工的切削油，其特征在于，包括以下组成成分及质量百分比：

纳米润滑添加剂：10-20％，

油性添加剂：10-15％，

极压抗磨剂：1-2％，

耦合剂：5-10％，

金属减活剂：0.2-0.3％，

防锈剂：5-10％，

抗氧剂：1-1.5％，

抗雾剂：0.5-2％，

余下为基础油。

2.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述纳米润滑添加剂包括：二氧化硅纳米颗粒，其中，所述二氧化硅纳米颗粒的粒径分布在20nm-50nm之间。

3.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述油性添加剂包括：植物油、三羟甲基丙烷油酸单酯、季戊四醇双酯、油酸异辛酯以及分子量分布在450-800之间的氧化菜油中的一种或者几种组合。

4.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述极压抗磨剂包括：二烷基二硫代氨基甲酸钼、亚磷酸二正丁酯以及非活性硫化极压抗磨剂中的一种或几种组合。

5.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述耦合剂包括：月桂醇、C16格尔伯特醇以及二乙二醇单丁醚中的一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述金属减活剂包括：甲基苯并三氮唑。

7.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述防锈剂包括：N-酰氨基酸铵盐、十二烯基丁二酸以及二壬基奈磺酸盐中的一种或多种组合。

8.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述抗氧剂由4,4—二辛基二苯胺和2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚混合而成，其中，所述4,4-二辛基二苯胺与所述2,4-二甲基-6-叔丁基苯酚的质量比为1：3。

9.根据权利要求1所述的用于钛合金加工的切削油，其特征在于，所述抗雾剂为高分子聚合物，所述抗雾剂包括：聚异丁烯、聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯与苯乙烯共聚物中的一种或几种组合；所述抗雾剂的分子量在10000至20000之间；所述基础油包括：150N、60N、150SN以及60SN的一种或多种组合。

10.一种如权利要求1至9任一项用于钛合金加工的切削油的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按照质量百分比称取以下组分：纳米润滑添加剂10-20％，油性添加剂10-15％，极压抗磨剂1-2％，耦合剂合剂5-10％，金属减活剂0.2-0.3％，防锈剂5-10％，抗氧剂1-1.5％，抗雾剂0.5-2％，余量为基础油；

将上述原料一次加入调和釜中，开启脉冲搅拌，同时升温至60-80℃保温搅拌1h，待所有添加剂溶解均匀，出釜检测。

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