摩擦学应用研究和金属加工用油的开发

1.前言

金属加工用油泛指经过机械切割或电火花切割除去金属或经过冲压、挤压等成型金属所用的润滑油、水基润滑液和油膏(包括润滑脂)。与三大油(发动机油、液压油和齿轮油)不同，金属加工用油仅占润滑油消耗量的1～2%，却因摩擦工况而千差万别，所需的金工油品种繁多。三大油用量很大，发动机油用量占润滑油总量的一半，预计到2005年我国车辆总数达三千万辆，发动机油年消耗量达170万吨。但开发发动机油成本很高，国外开发一个配方所需的台架试验等费用高达几百万美元。跨国公司凭借其强大的经济实力和专利技术抢占领我国高档发动机油市场。虽然我国自己研制的发动机油的水平与国外相比并不低，但由于销售渠道不通等原因，中石化与中石油的高档产品只占3%的市场份额。金属加工用油除少数几种外，一般是数量少，品种多，跨国公司难以全面垄断中国市场。另一个特点是附加值高，特别是稀缺的品种，利润率可达100%或以上。还有一个特点是金工油一般没有像三大油那样很严格的、标准化的台架试验程序，更缺乏有效的统一的模拟试验方法，主要靠现场试验评价其质量的优劣。在这种情况下，开展摩擦学的应用研究，对于提高金工油的质量，解决面临的形形色色的润滑问题，以及发展行之有效的模拟试验方法，都有积极意义。本文讨论了几大类金工油的摩擦学问题，并对今后研究方向提出自己的看法。

2.金属切削润滑剂

2.1概况

切削润滑剂约占金工用油消耗量的一半，其中的切削油主要用于难加工的低速、小进给的加工条件，而大量使用的是有利于环保、不冒烟和着火的水基切削液，80年代发达国家的水基切削液约占切削润滑剂总量的90%以上。水基切削液又分为乳化液、合成液和微乳液三类。虽然这些水基切削液均具有冷却作用、清洗作用、防锈作用和润滑作用，但是微乳液的综合性能更优越，而且不易发霉，废液处理容易，而独占鳌头，成为今后的发展方向。

2.2切削中的摩擦磨损

除了电火花加工是采用脉冲放电，使金属局部熔化而达到切割金属的目的，其它切削均采用刀具(包括硬质合金刀和陶瓷刀具)和磨料进行金属加工。

2.2.1切削中的摩擦机理

切削过程中的切削力来源于前刀面和后刀面。一是被切削金属、切屑和工件表面金属的弹、塑性变形抗力，另一是刀－屑和刀－工件间的摩擦阻力，而切削力来源的比例，随着切削体系的变化而变化。切削热由切削产生，并经由刀具、工件、切屑和切削液而传出。由于切削力和切削温度较易实现在线检测，常作为刀具摩擦和破损的间接物理量。

2.2.2切削中的磨损机理

切削是一种剧烈的摩擦磨损过程，刀具的磨损不但缩短刀具寿命而且直接影响被加工零件的精度和表面粗糙度。刀具的磨损机理包括热磨损和机械磨损，前者是发动机齿轮和液压系统中未遇到的特殊的磨损机理，后者则与之有共同特点。

2.2.2.1热磨损

包括扩散磨损、热电磨损和氧化磨损。

扩散磨损

切削过程中，刀具承受的切削压力达到2～3GPa，切削温度高达900～1100℃。在切削高温和高速的条件下，刀具的扩散磨损要比一般机械零件大的多。它不只是使刀具扩散而损失材料，还增大刀具与切屑间的粘着，增大刀具的粘着磨损。刀具粘结剂以及硬质相(WC及TiC)的向外扩散和工件成分向工具扩散还引起刀具的脆化和软化，降低表面强度，增大刀具的粘着磨损和磨粒磨损，使前刀面呈月牙形。
热电磨损

另一种热磨损是热电磨损，在切削区高温作用下，刀具与工件两种不同材质的接触会产生热电势和热电流，使刀具磨损加剧。
氧化磨损

切削温度高时，刀具材料剧烈氧化形成一系列松软的氧化物，并被切削带走，造成“氧化磨损”，造成刀具“烧伤”，使刀具出现沟槽。

2.2.2.2机械磨损

包括磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损，与机械中常见的磨损机理有共同之处。

2.2.2.3各种磨损机理的相对重要性

图1
①磨粒磨损②疲劳磨损③粘着磨损
④氧化磨损⑤热电磨损⑥扩散磨损

图2
(a)高速钢(b)硬质合金(c)陶瓷

在低温下，刀具的磨损以机械磨损为主，在高温下，因热磨损量随切削温度的升高比机械磨损快的多，因此占主导地位，在各种不同温度下各种磨损对刀具的磨损强度(单位切削过程的磨损量)的贡献不同(图1)，不同材质的刀具的磨损特性也不同(图2)。

2.3切削润滑剂减磨抗磨机理

2.3.1渗入机理

由于切削过程中摩擦副的几何结构以及高温、高压和高速的特点，切削液本来是很难进入刀－屑和刀－工摩擦接触区，有人推测由于切削在摩擦界面上强大的挤压和剪应力作用下产生微裂纹，起着毛细管的作用，把切削液带入摩擦表面，起润滑摩擦面的作用。

2.3.2冷却作用

冷却作用取决于导热系数、比热、汽化热和对金属表面的润滑性。因此，冷却能力按下列次序递减：合成液>微乳液>乳化液>切削油，冷却对于降低切削摩擦工况的苛刻程度起着关键的作用。

2.3.3 润滑机理

在切削区的极高温度和压力下，是难以形成一种机械零件那种流体润滑和弹流润滑状态的，通常工作在边界润滑状态下。因此，切削液通常加极压抗磨剂，在摩擦面形成低剪切强度的边界润滑膜来防止刀－屑和刀－工粘结，并降低切削力和切削强度。对精加工轻载荷的切削，一般添加脂肪酸，在摩擦面形成脂肪酸皂半固体膜，在90～150℃下具有一定的承载能力，而在高速重载切削时则要加S、P、Cl极压剂，形成高熔点固体润滑膜(FeS熔点高达980℃以上)在严酷条件下起润滑作用。

对于一个好的切削润滑剂，不但要求散热性好，还要求有好的切削性能，希望被切削的工件磨损大而用于切削的刀具和砂轮磨损小，切削省力，刀具和砂轮的寿命长。这与通常的机械零件的一味要求减摩和抗磨有很大的不同，也给切削性能优异的切削油液配方研究留下来很大的空间。据报道，采用新技术开发的切削液可使磨削性能提高130倍之多。过去几十年来，研究论文大量集中在钢－钢摩擦副的摩擦磨损和润滑行为的研究，但是深入探讨添加剂对钢－砂轮润滑机理的论文屈指可数。Yamanaka等人详细研究了用于CBN砂轮的研磨液中各种添加剂的作用，说明极压剂效果最佳，特别是含硫极压剂和酸性磷酸酯，其次是油性剂，而磨擦改进剂最差，油性剂中C14以上的饱和脂肪酸切削效率最高。

2.3.4润滑机理的材料依赖性

切削加工的刀具和磨料采用两大类不同的材料。，两者的润滑机理有很大的不同。由于陶瓷材料的硬脆性，在摩擦磨损过程中不如金属材料那样容易产生塑性变形，意味着不容易产生粘着磨损，陶瓷耐高温，耐腐蚀，耐磨损，同时也降低了极压抗磨剂的化学活性，无法象金属材料那样容易生成含S、 P、Cl的极压固体膜，造成润滑的困难。

2.3.5用于评价切削润滑剂的有效性的模拟试验

图3

除了上车床直接试验外，还常采用以下试验机：

四球机

国内评价切削润滑剂的润滑性最常用的是四球机，切削油测定P_B和P_D，而水基切削液按GB/T 6144规定测P_B值。但是四球试验中并不存在金属的塑性流动，工厂的经验表明，P_B值的高低与乳化液的切削性能并没有一定的关系，有些P_B值高的乳化液中皂含量往往比较高，粘度大，容易堵塞砂轮。杨文庆等人提出用P_D/P_B比值作为评价润滑性的指标，指出采用较高的P_D值和适当偏低的P_B值得切削液可以显著减少砂轮磨损和提高磨削效率。

值得注意的是，用加表面活性剂提高水基切削液的油膜强度P_B值很有效，但是常规的含S、P、Cl极压剂加入水基润滑液中，提高烧结负荷的效果都很差，可能是水的存在降低了这些传统极压剂的效果。例如Imperial-1070母液的P_B值为85Kg，P_D值高达620Kg，稀释为5%乳化液时，P_B值只下降了5Kg，为80Kg，而P_D值仅为160Kg，与水的烧结负荷(100－126Kg)相差不大，要有效地提高切削液的P_D值还得靠纳米技术。纳米粘土就可以使水的P_D值提高2级。加入1%40～60nm油酸修饰的TiO2微粒，再用茶皂素为表面活性剂将其均匀分散到水中，P_D值高达4400N。
攻丝扭矩试验机

除了四球机外，评价切削液润滑性用的最多的是攻丝扭矩试验机，可直接测出攻丝扭矩，算出攻丝效率，它还能做挤压试验，用于模拟拉拔和轧制。
改型Timken试验机和Falex试验机

采用电镀等方法改变Timken环块试验机的环或Falex销块试验机的销的摩擦面的材质，用来评价润滑剂和添加剂的研磨材料。其中一种形式如图3所示。

3.金属塑性成型加工润滑剂

3.1冲压拉深工艺用润滑剂

冲压拉深是机械制造中的一类塑性变形加工工艺。由于晶格的滑移以及剧烈的摩擦产生大量的热量，难以通过模具在短时间内扩散出去。如果没有很好解决冲压和拉深过程中的润滑问题，当摩擦力达到一定程度，工件将被拉破而报废，不但直接影响产品的质量，而且影响模具的寿命。许多大型精密的模具靠进口，价值可达几百万美元，会造成很大的损失。

冲压加工中所需润滑的部位是模具和被加工板材实际相互摩擦的界面。在冲压加工中，整个摩擦面很难形成连续的流体润滑膜，存在着边界润滑和干摩擦。目前，我国冲压油质量不过关，导致冲压零件起皱和大量报废，废品率达到7～10%。此外，很多精密的模具都靠进口，每台高达几百万美元，考虑模具的修理和报废方面的损失比用油成本要大的多，许多厂家宁可采用进口冲压油。

3.2冷挤压工艺润滑剂

冷挤压是在不引起坯料再结晶软化的温度下，靠挤压力进行塑性变形的一种加工工艺，其特点是变形抗力大，模具温度高(300℃)，以前多采用磷化工艺，在钢材表面生成固体磷酸盐薄膜，但成膜慢，不适合快速加工，采用固体润滑剂加高分子聚合物的单体的润滑剂效果较好。

3.3压铸工艺润滑剂

要求模具润滑剂有好的高温润滑性和黏附性，优异的润滑性，和散热性，趋势是发展非石墨型的聚合物型的水基润滑剂。

3.4 拉拔工艺润滑剂

大量的棒材，丝材和管材是采用拉拔工艺生产的，而摩擦是在拉拔工艺中起着关键性的作用。拉拔与轧制不同，并不需要摩擦力，希望润滑剂能使拉拔的摩擦磨损减到最小。可以采用油基和水基润滑剂，选择的依据是摩擦学特性和冷却能力。在拉拔中常遇到的是混合润滑状态，但是高速拉拔加上拉拔过程的接触几何条件合适，也有可能形成塑性流体润滑(plastic hydrodynamic lubrication)。流体润滑是拉拔中最为理想的润滑状态，能大大降低摩擦系数，摩擦表面温度，不发生磨损和粘结损伤，大大提高模具寿命和制品的表面质量。拉拔要求润滑剂有好的黏附性，耐温，耐压性，能形成稳定的润滑膜，对线材、丝材和模具起冷却和润滑作用，拉拔后润滑膜易于清除。

3.5轧制润滑剂

轧制过程中，在旋转的轧辊的压力下轧体产生塑性变形，形状改变，长度延伸，宽度增加，轧制可加工钢、铜、铝、锌及其合金。生产棒材、管材、中厚板、薄板及箔材等。以前只有冷轧能生产小而薄的轧体，但冷轧能耗大，近年来随着热轧工艺润滑的快速发展，热轧生产合格的1－2mm薄钢带也成为可能，热轧用油省(0.5%油 + 99.5%水混喷)几乎无污染，可以降低电耗，代替冷轧是钢厂节能和环保的新技术。上世纪末以来，宝钢、鞍钢已经引进1780热轧连轧机生产线，其它钢厂也纷纷效仿，准备引进热轧生产线或者改冷轧为热轧。热轧油有广阔的市场前景。目前国内热轧油市场基本上被国外公司占领，为参与市场竞争，我院与鞍山海华油脂公司合作研制鞍钢热轧带钢厂1780热连轧机组专用热轧油，目前正处于工业试验阶段。

3.5.1热轧油的严酷工况：

高温，接触轧材的辊的瞬间温度可达到500～600℃。
高压，热轧时金属所受的单位压力达到0.03－0.1Gpa(300～1000atm)
高剪切，油膜的剪切率与轧制速度有关，最高轧制速度可达20m/s.
在高温高压下金属产生塑性变形，不断生成新的接触面而改变接触条件，给润滑增加了困难。
热轧油在极稀浓度下工作，0.5%热轧油与99.5%水在静态混合器混合后喷向工作辊，再经冷却水冲刷，热轧油的实际工作浓度可能只有0.01%或者更低，因此对热轧油本身的润滑性能要求非常高，否则起不到减摩和抗磨作用。

3.5.2对热轧油的要求

较高的高温粘度，好的粘附性和离水展着性。
部分隔离或减少轧辊与水的直接接触，减少黑皮的产生及由此引起的磨粒磨损。
有适中的摩擦系数，既要减少轧制力，又要防止打滑。
好的流动性和扩散性，防止轧辊局部磨损。
较好的热分解稳定性，进入变形区前不至于燃烧和变质，燃烧后灰份可减少打滑机会。
无毒，气味小，符合环保要求，不损害工人健康。日益严格的环保要求也是对金工油最大的挑战之一。
好的贮存安定性，不会产生沉淀而堵塞喷嘴和管线。

3.5.3热轧中的磨损

粘着磨损、磨粒磨损、化学磨损和腐蚀磨损以及疲劳磨损四大磨损类型同时存在于热轧中，情况十分复杂。

3.5.4轧辊材质的影响

轧辊的材质复杂，有半钢辊，高铬钢辊，Ni－Cr钢辊以及高速钢辊四种，对用油也有不同的要求，开发适应性广，性能优越，品种单一的热轧油将给用户带来很大的方便。为减少高温下形成的黑皮(Fe₃O₄＋Fe₂O₃混合物)对轧辊磨损的影响，目前有用高速钢代替其它钢种制备轧辊的趋势。高速钢轧辊对润滑剂不敏感，今后应加强高速钢轧辊的润滑问题的研究。

4.结论

随着我国经济的腾飞，金属加工用油市场越来越广泛。金属加工用油具有数量少，品种多，附加值高的特点。国外公司难以全面占领我国市场，应加紧金工用油的开发，参与国际竞争。
金属加工用油的工况十分复杂，但解决摩擦磨损问题是研发中必须解决的关键问题。环保问题也是在配方研究中必须认真考虑的问题。
加深对切削、冲压、拉拔、挤压、压铸和轧制几大类加工中的遇到的共同和不同的摩擦磨损问题的研究，是研发金工用油的必要的基础工作。
重点开发金工用油中数量较大的品种，能取得较好的经济效益。
发展金工用油配套的添加剂系列，包括极压抗磨剂，油性剂，抗氧剂，防锈剂，乳化剂，破乳剂，消泡剂，杀菌剂等。除了利用现有的商品化添加剂外，还需要根据特殊工况的需要，采用新技术，如纳米技术，陶瓷合金表面修复技术等，研制新的添加剂品种。
鉴于金工用油市场很复杂，售后服务要求又很高，走学校、研究院、厂矿三结合，发挥各自的优势，将推动金工用油国产化，在国际竞争中处于有利地位。

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