德国 Microtap 攻丝扭矩机/润滑油对比测试仪

采用攻丝扭矩试验对金属加工液中植物基油与石油基油进行实验对比

安德烈斯·F·克莱伦斯1朱莉·B·齐默尔曼2海瑟·R·兰迪斯3金·F·海斯1史蒂文·J·斯克洛斯3

 1. 土木与环境工程系

 3. 机械工程系密歇根大学安娜堡分校

2. 环境保护局研究与发展办公室

摘要

传统金属加工液（MWF）配方长期存在诸多环境与健康隐患，这促使业界近期致力于开发基于替代性植物油及酯类原料的新配方。本研究采用扭力测试法对比了五种基础油原料在金属加工液中的性能表现：环烷基矿物油、环烷基与链烷基矿物油50/50混合油、大豆油、菜籽油（含油酸75%）以及 TMP 酯。通过将五种基础油分别作为纯油、可溶性油及半合成金属加工液进行测试，以探究乳化作用对基础油性能的影响。加工性能评估采用作者改良版标准扭力测试法（ASTM D 5619），本研究共完成500余组扭力实验数据。结果表明：纯油状态下，所有植物基原料均显著优于矿物油；当植物基原料被乳化为可溶性油或半合成金属加工液后，该优势趋势虽有所减弱但仍持续存在。研究结果还表明，某些植物油基础油品的润滑潜力高于其他品种。数据显示，在乳化微乳化燃料油体系中，大豆油和TMP 酯相较于菜籽油能提供更高的抽吸扭矩效率。

关键词

金属加工液、植物基油、EP添加剂、粒径、攻丝扭矩测试

引言

可持续水系统通过两大核心机制实现生命周期环境影响最小化：其一，最大限度减少系统输入与输出环节中的材料消耗、能源使用及毒性物质；其二，通过将物理、生物及化学参数维持在适配系统功能的合理范围内，从而确保系统使用寿命最大化。尽管据估算全球每年消耗的金属

加工液（MWFs）超过10亿加仑，但金属加工液系统普遍违背这些可持续性原则。近年来，业界日益认识到亟需通过积累基础理论知识与开发关键技术来实现系统可持续发展。

金属加工液（MWFs）兼具冷却剂和润滑剂双重功能，对各类制造工艺至关重要[1] 。然而，由于其高含油量、生化需氧量、表面活性剂特性，以及作为有害金属和化学品载体的作用[2] ，MWFs对环境具有危害性。此外，美国环保署（EPA）已提出法规，将油类和油脂排放限值设定为35 mg/l[3] 。这一标准具有重要意义，因为MWFs中这些成分的含量可超过6,000 mg/l ，达到标准需对末端处理技术进行巨额投资。尽管存在这些环境与健康风险及高昂处置成本， MWF 使用仍保持强劲势头并持续增长[4]。

要缓解这些财务、环境、健康及性能方面的责任，需要通过创新生态设计来优化 MWF 配方，以开发可持续金属加工液系统（图1）。这包括对金属加工液中化学成分的重新评估。当前最常用的金属加工液（即可溶性油和半合成油）主要由石油基矿物油作为润滑剂与水乳化形成冷却液。近年来，开发源自可再生生物基油及更环保添加剂的“绿色”金属加工液日益受到关注[5] 。市场上已有多种生物基油可供选择，作者在[6]针对菜籽油基金属加工液的研究表明，这类植物油原料很可能成为矿物油更环保的替代品。尤其在考虑温室气体排放因素时，这一优势更为显著。

图1. 可持续 MWF 系统的目标指标

由于植物原料在种植过程中会固存二氧化碳，因此微生物废水（MWFs）在配制前无法预测或评估其异味问题及生物生长导致的降解特性 。尽管初步研究表明，与石油基MWFs相比 ，生物基液体在这些方面并不具备固有缺陷[5] 。例如，当前用于MWFs的植物基乳化剂体系通常具有更强的硬水稳定性，且研究证实生物稳定性与颗粒尺寸密切相关[10] ，这打破了“ 生物基液体天生更易受微生物侵蚀” 的普遍认知。此外，植物基MWFs在生产环境中可能具备其他优势：例如更不易产生芳香烃气溶胶等有害工艺副产物。

尽管生物基油作为矿物基润滑油（MWFs）原料的市场需求持续增长，但现有文献中关于其相对于传统替代品的润滑性能数据仍较为匮乏。为此，本研究通过切削扭矩测试，系统比较了五种基础油在直链形态与乳化形态下的相对性能表现 。实验选取市场上三种常见生物基油（菜籽油、大豆油及合成酯油）与两种基础润滑油中常用的矿物油（环烷基油及50/50环烷基/链烷基混合油）进行对比测试。通过1018钢与4140钢工件切削作业评估基础油性能表现，并结合扭矩效率指标与实际现场数据的相关性分析，揭示该指标的理论意义。研究还探讨了乳化液粒径及极压添加剂对石油基油与植物基油切削扭矩变化趋势的潜在调控作用。

实验材料与方法

配方  。本文研究的 MWF 配方均基于商业 MWF 供应商提供的通用配方。MWFs首先以浓缩形式制备，随后用去离子水稀释至工作浓度。该配方制备工艺与实际应用中

MWFs的制备及使用方式一致。所有 MWF 浓缩液均包含1.5 wt%偶联剂（丁基卡比醇）、3.7 wt%松香脂肪酸、7.9 wt%缓蚀剂（单乙醇胺）、15 wt%油相、14 wt%表面活性剂及57 wt%去离子水。为便于对比，所研究的MWFs仅在基础油与表面活性剂体系化学成分上存在差异。各基础油所选表面活性剂体系列于表1（浓缩液形式）。针对每种基础油开发了三种基础MWFs：直链油（不含去离子水、表面活性剂或其他 MWF 添加剂）、可溶性油（浓缩液用去离子水稀释77%）及半合成油（浓缩液用去离子水稀释95%）。测试结果显示，MWFs油相含量分别为100%（直链油 ）、3.4%（可溶性油 ） 或0.75%（半合成油 ）。在MWF 类别（直链油、可溶性油或半合成油） 中，始终将油浓度保持一致， 以便比较基础油的功能性。研究发现，对于这些微乳液分散体（MWFs），上述添加剂（除油类和表面活性剂外）对乳化性能、使用效果及稳定性影响甚微。

材料  。针对五种不同基础 MWF 配方，所有流体组分均采用制造商原厂提供的产品，并在相同操作与储存条件下使用。

表1. 制备 MWF 乳剂所用油类及表面活性剂

配方中使用的基础油包括：石油基环烷油、石油基50/ 50环烷油/石蜡油混合油、经氧化稳定性改良的生物基高油酸菜籽油（Agri-Pure 75 ，嘉吉公司，明尼苏达州明尼阿波利斯市）、生物基大豆油（碱精炼大豆油，嘉吉公司，明尼苏达州明尼阿波利斯市） 以及生物基合成 TMP 酯（Pri- olube 1427三羟甲基丙烷三醇酯，Uniqema公司，特拉华州新堡市）。为制备油类稳定乳液，采用了四种不同表面活性剂的组合配方，具体包括：Tagat V20 、Tagat V15 、Te- gin OV（德固赛-戈德施密特化学公司，弗吉尼亚州霍普韦尔市）以及Alfonic 1216 CO-1.5乙氧基化物（萨索尔北美公司，德克萨斯州奥斯汀市）。尽管理想情况下应为每种基础油选用相同表面活性剂体系进行对比研究，但经验证无法采用单一表面活性剂体系实现这些不同基础油的乳化。这一结论在乳化科学文献中具有深远影响且广为人知，其核心在于对表面活性剂功能特性的考量。

图2.按主要 MWF 供应商从轻载到重载排序的7种切削液未标准化切削扭矩值。(A)高分辨率工况。(B)中分辨率工况。(C)低分辨率工况。数据引自Zimmerman等，2003[9]

表面活性剂在稳定一种不混溶材料作为另一种悬浮液中的作用。

基础油配方的制备过程中，所有流体中的油摩尔浓度均保持恒定。通用配方中的矿物油浓度被用作配方中油含量的参考值。在抽油实验中，采用市售可溶性油 MWF（C 225 ，Chrysan Industries公司，美国密歇根州普利茅斯市）作 为 基 准 物 质 ， 用 于 对 比 不 同 油品 与 矿 物 水 基 燃 料（MWFs）的性能。选择C225作为参照标准，是因为该产品已作为作者团队三年来的参考标准。为保护制造商商业机密，表1中未包含C225的具体配方数据。

方法  。若乳剂在一周时间内能保持稳定的水包油颗粒尺寸，则判定其具有稳定性。颗粒尺寸评估采用光子相关光谱法（PCS），该技术可检测流体颗粒尺寸的细微变化，包括聚结迹象。本研究使用Nicomp 370/DLS粒度分析系统（Particle Sizing Systems公司，美国加州圣巴巴拉），其粒径估算能力已通过与Lee等人所述设备相似的广角激光光散射装置进行独立验证[7] 。每种制剂各取两份样本进行PCS分析并取平均值。

本研究开发的MWFs的加工性能通过使用MicroTap Mega G8（美国密歇根州罗切斯特山）机床进行的攻丝扭矩测试进行测量，加工速度为1000 RPM ，加工工件为预先钻孔并预攻丝240 M6孔（美国伊利诺伊州绍姆堡Maras Tool公司）的1018钢和4140钢。攻丝采用未涂层高速钢丝锥（用于1018钢）和CrN涂层高速钢丝锥（用于4140钢），两者均具有60 ° 螺距和3条直槽。MWF 性能评估依据ASTM D 5619标准进行，该标准为使用攻丝扭矩测试机比较金属去除液的标准[8] ，并根据Zimmerman等人提出的允许在单个工作件上进行多次评估的 MWF 评估试验台方案进行了若干修改[9] 。 MWF 性能以百分比攻丝扭矩效率形式报告。η) , 这是在工具接合过

程中测得的平均扭矩，并以参考 MWF 测得的平均扭矩为基准进行归一化处理。更高的效率表明在攻丝扭矩测试中性能更优，且如后文所述， 已被证实是评估现场性能的充分指标。具体方法详见[9]。

方法：扭转力矩测试  与现场性能的相关性[6] 。如[9]所述，ASTM D 5619是为扭转力矩测试（T 3 ）系统设计的，该系统对每个工件进行单次扭转评估（SES）。正如预期的那样，由于工件间差异可能掩盖由多因素振动引起的扭矩响应差异，对每个新工件进行测试评估会引入显著的不确定性。工件差异性与单次测试成本的难题促使开发了允许在单个工件上评估多种测试条件的扭转力矩测试台（MES）。虽然这通过降低工件材料相关变异性使T 3 更具便利性和成本效益，但此类系统在实验设计和结果解读方面面临新挑战，因为单个工件内可能存在刀具磨损和局部硬度差异。

MES面临的挑战以及克服这些挑战的实验设计考虑因素在[9]中有所描述。研究表明，根据开槽扭矩测试的实施方式，运行条件要么会掩盖 MWF 性能（低分辨率能力），要么能提供区分 MWF 类型的方法（高分辨率能力）。若选择分辨率能力较低的T 3 实验条件，即使存在已知差异也可能无法区分MWFs 。为说明这一点，使用MES T 3 对从轻载到重载的七种MWFs进行了检测 。 MWF 额定值基于某大型MWF 配方师在各类终端用户中积累的丰富现场经验。在使用M6氮化钛工具以1000 RPM进行T 3实验时（该工况被发现具有低分辨率能力），研究发现即使额定值最低的 MWF 也无法与额定值最高的 MWF 进行统计学区分（图2C）。然而当选择具有更高分辨率能力的工况时（例如在M4 、HSS工具（1000转/分钟）条件下，流体差异易于区分，且T 3 响应与 MWF 场性能的预期趋势相关性更强（图2B）。在分辨率最高的测试条件（M6 、HSS ，1000转/分钟）下，预期场性能被更清晰地捕捉（图2A）。基于图2 ，以下通过高分辨率条件下的T 3对不同基础油进行对比分析。

结果与讨论

结果：基础油与乳化作用对T 3 的影响

图3展示了五种直链油的攻丝扭矩效率。实验采用未涂层硬化钢工具，在1018冷轧钢基材上对流体进行测试。在图2A所示攻丝扭矩工况下，生物基直链油展现出显著高于石油基油的攻丝扭矩效率。两种矿物油的效率水平均略低于参照物（石油基C225可溶性油，效率<100%）。相比之下 ，三种生物基油的效率较参照可溶性油提升了 12%- 14%。

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