УДК 621.9.079.004.12 ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СМАЗОЧНО

УДК 621.9.079.004.12
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА
СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
В.Г.Солоненко, Л.А.Солоненко, М.Г.Серикова
Кубанский государственный технологический университет
При обработке металлов резанием широко применяют смазочноохлаждающие
жидкости
(СОЖ),
представляющие
собою
специализированные гомогенные или гетерогенные многокомпонентные
технологические среды. Они обладают комплексом свойств – смазывающим,
охлаждающим, моющим, которые обеспечивают оптимальные условия
процесса резания металлов. Из современных СОЖ (масляных и
водорастворимых) наибольшее применение имеют эмульсионные,
являющиеся водными растворами типа «масло в воде». В них также входять
эмульгаторы, ингибиторы коррозии, бактерициды, биоциды, антиизносные и
противозадирные присадки. В свою очередь, из эмульсионных СОЖ широко
применяют 2 – 15 % эмульсии из эмульсола ЭГТ. Однако в ряде случаев
эффективность последних эмульсий оказывается недостаточной, среди них
нет универсальных СОЖ.
В связи с этим целью настоящей работы явилось повышение качества
стандартной СОЖ из эмульсола ЭГТ, включающего такие параметры как
эффективность, экономичность и экологическую чистоту. Качество СОЖ
согласно рекомендаций [1, 2] можно повысить, применяя присадки,
имеющие в своем составе молекулы с непрерывной связью (25-35
ккал/моль). Это способствует образованию радикалов и инициированию
радикально-цепных реакций химической смазки [2].
В настоящей работе использована присадка [3, 4] следующего состава,
масс %:
муравьиная кислота - 12-13; малеиновая кислота - 8-9; фумаровая кислота - 7-8;
янтарная кислота - 8-9; фураноны - 35-36; вода – остальное.
Смесь получают механическим смешиванием указанных компонентов;
плотность ее 1,275-1,284 г/см3.
Относительно СОЖ смесь как присадка к ней сочетает два ценных
качества: значительную охлаждающую способность, присущую воде, и
высокие смазочные свойства, присущие содержащимся в ней поверхностноактивным веществам. Благодаря наличию в молекулах смеси активных
групп, имеющих сродство к воде, а также углеводородных радикалов,
имеющих сродство к маслу, присадка снижает поверхностное натяжение
на границе раздела фаз и тем самым может стабилизировать СОЖ. Кроме
того, особенностью присадки является способность ее компонентов
растворяться как в воде, так и в масляной фракции СОЖ. Присадка не
имеет неприятного запаха и экологически чиста.
На рисунке 1 показана схема стабилизации стандартной СОЖ
присадкой, которая происходит из-за растворения в масляной фракции и в
воде СОЖ частиц присадки.
Рисунок 1 — Схема стабилизации смазочно-охлаждающей жидкости
присадкой: 1 - - масляные частицы стандартной СОЖ; 2 —
растворимые в масле частицы присадки; 3 — растворимые в воде
частицы присадки
На рисунке 2 представлена схема механизма полного смачивания
контактных поверхностей СОЖ, содержащей присадку, которое происходит
из-за наличия в присадке молекул изомерной формы.
Рисунок 2 - Механизм полного смачивания контактных
поверхностей: 1 - - частицы присадки; 2 — масляная фракция
стандартной СОЖ; 3 — молекулы изомерной формы присадки
Процентное соотношение эмульсола и присадки такие [5]: эмульсол
ЭГТ - 1,2%, присадка -- 0,24%, остальное - умягченная до (5 мг-экв) вода.
При определении процентного соотношения эмульсола и присадки
СОЖ контролировали по рН, который не должен превышать 6,5-7,0.
Установлено, что в 3 -- 4% эмульсии даже при незначительном добавлении
присадки происходит отделение масляной фракции и свертывание эмульсии
из-за увеличения рН до 9,0. Процентное содержание присадки определено
экспериментально на основании стойкостных испытаний режущих
инструментов [5]. Установлено [5], что при точении стали 45Х в
состоянии поставки новая СОЖ позволила повысить стойкость резцов из
стали Р6М5 до 1,5 раза. Однако обоснование применения этой СОЖ при
других видах механической обработки требует исследования ее физикомеханических свойств.
Согласно ГОСТ 6243-75 для СОЖ на основе эмульсола должны быть
определены следующие параметры: водородный показатель, кислотное
число, содержание высокомолекулярных органических кислот, содержание
свободных щелочей, кинематическая вязкость, коррозионная активность по
отношению к металлам. Кроме того, для выявления механизма действия
присадки к СОЖ необходимо определить поверхностное натяжение и угол
смачивания СОЖ поверхности металла.
При определение водородного показателя эмульсию тщательно
перемешивали в колбе, пробу помещали в делительную воронку и
выдерживали в состоянии покоя при температуре (20 ± 5) °С в течение 30
мин. Нижнюю фракцию отделяли и определяли рН при помощи рН-метра. За
результат принимали среднее арифметическое результатов трех
параллельных определений. При этом использовали измерительный
электрод, заполненный насыщенным раствором хлорида калия, и
хлорсеребряный электрод сравнения ЭВЛ-1М1.
Общее кислотное число эмульсии определяли методом титрования. В
коническую колбу помещали 25 г исследуемой эмульсии, добавляли при
перемешивании 30 г насыщенного раствора хлорида натрия, 20 мл 0,1 Н
раствора калия гидрооксида, приготовленного из фиксанала. К
полученному раствору прикапывали при перемешивании 2 - 3 капли
фенолфталеина до появления розовой окраски. Титровали 0,1Н раствором
соляной кислоты до обесцвечивания раствора. За результат принимали среднее
арифметическое трех титрований.
Общее кислотное число в миллиграммах калия гидрооксида на 1 г
продукта находили по формуле
K=
(V1 − V2 ) ⋅ 0,00561 ⋅ 1000
, мг/КОН/1г,
m
где V1 - объем 0,1 кмоль/м раствора гидрооксида калия, налитый в колбу, см3; V:
V2 - объем 0,1 кмоль/м раствора соляной кислоты, израсходованной на
титрование, см ;
0,00561 - количество гидрооксида калия, соответствующее 1 см3 0,1
кмоль/м3 раствора соляной кислоты, г;
1000 - коэффициент для перерасчета г в мг;
т - масса навески СОЖ, взятая для титрования, г.
Массовую долю свободных органических кислот в перерасчете на
олеиновую кислоту в процентах по массе находили по формуле [2]
X1 =
K
⋅ 100%,
198,6
где К - общее кислотное число в мг КОН на 1 г продукта;
198,6 - кислотное число олеиновой кислоты, мг КОН/г.
Содержание мыл определяли методом титрования. В коническую
колбу помещали 25 г исследуемой эмульсии, добавляли при перемешивании
2 - 3 капли индикатора метилового оранжевого. Титровали 0,1Н раствором
соляной кислоты, приготовленным из фиксанала, до появления розовой
окраски. Содержание мыл в процентах по массе рассчитывали по формуле
X =
304 ⋅ α ⋅ T
⋅ 100%,
36,5 ⋅ m
где 304 - - молярная масса натриевых мыл олеиновой кислоты, г/моль;
α - объём 0,1 кмоль/дм раствора соляной кислоты, израсходованный на
титрование, см3;
Т - титр 0,1 кмоль/дм3 раствора соляной кислоты, г/см3;
36,5 - молярная масса соляной кислоты, г/моль;
т - масса навески СОЖ, взятая для титрования, г.
Титр 0,1 кмоль/дм3 раствора соляной кислоты равен 0,00365 г/см3 .
Кинематическую вязкость эмульсии определяли по известной методике
[2] с помощью вискозиметра ВПЖ-2 с диаметром капилляра 0,73 мм.
Постоянная вискозиметра указана в его паспорте: 0,03335 мм 2 /с 2 .
Вискозиметр помещали в термостат ниже уровня жидкости и при измерениях
поддерживали температуру (25 ± 0,1) °С. По методике, описанной в ГОСТ3382, измеряли время перемещения мениска жидкости от метки М1 до метки
М2. За результат принимали среднее арифметическое трех измерений.
Кинематическую вязкость находили по формуле
µ1 = 0,03335-t , мм2/с2,
где 0,03335 - постоянная вискозиметра, мм2/с2;
t - время перемещения мениска жидкости от метки М1 до метки М2, с.
Поверхностное натяжение измеряли на границе "жидкость-газ" по
методу. [6]. Измерения проводили не менее пяти раз и рассчитывали
среднее арифметическое. Поверхностное натяжение рассчитывали по
формуле
σ = Р-Ккп , Н/м,
где Р — давление при отрыве пузырька, Па;
Ккп, -- постоянная капилляра, м.
Постоянную капилляра определяли по измерениям давления при отрыве
пузырька от капилляра, погруженного в дистиллированную воду, и
рассчитывали по формуле
К кп =
σ0
P0
м,
где σ0 - поверхностное натяжение на границе "дистиллированная вода воздух", Н/м;
P0 —давление при отрыве пузырька в дистиллированной воде, Па.
К кп
72,8 ⋅ 10 −3
=
= 0,12133 ⋅ 10 −3 , м .
600
Краевой угол является мерой смачивания жидкостью поверхности
твердого тела. Он определяется значением угла между поверхностью твердого
тела и касательной к точке контакта с жидкостью и отсчитывается в
сторону жидкой фазы. Краевой угол смачивания измеряли методом
непосредственного измерения по форме капли, находящейся на пластинке.
Шлифованную пластинку из обрабатываемого материала (сталь 45)
предварительно обезжиривали ацетоном, затем промывали этиловым
спиртом и сушили. Капли одинакового размера формировали на
горизонтально установленной пластине. Объем капель 0,05 см3 подобрали
экспериментально; при этом форма капли была близка к сферической. Далее
изображение капли фотографировали и измеряли краевой угол смачивания на
фотографии. Возможная ошибка измерения краевого угла может составлять 3
- 5°. Поэтому для каждого состава эмульсии формировали по несколько
капель и фотографировали их по два-три раза. Полученные данные
обрабатывали статистически. Анализ результатов измерений показал
снижение краевого угла смачивания при увеличение концентрации присадки.
Кроме краевого угла смачивания, поверхностного натяжения,
показателями, характеризующими смачивание жидкостью металлической
поверхности, являются работа адгезии и относительная работа адгезии,
которые показывают долю адгезионного взаимодействия по отношению к
когезионному.
Работа адгезии равна работе, которую необходимо затратить для
удаления жидкости с единицы поверхности твердого тела, и определяется
по формуле
Wα = σ (1 + cos Θ ) , Дж/м2,
где σ — поверхностное натяжение на границе "жидкость-газ", Н/м;
θ — угол смачивания, град.
Работа когезии равна работе, которую необходимо затратить, чтобы
преодолеть взаимодействие между собой молекул жидкости при образовании
* двух поверхностей раздела "жидкость-газ". Работа когезии определяется по
формуле
Wк = 2σ ,Дж/м2.
Относительная работа адгезии определяется так:
Za =
Wa
Θ +1
= cos
Wк
2 .
Коррозионную активность СОЖ исследовали капельным методом по
методике, описанной в ГОСТ 6243-75. Испытания проводили на
шлифованных пластинках чугуна СЧ-20. Пластинки предварительно
зачищали наждачной бумагой, затем промывали этиловым спиртом и
высушивали. Из пипетки с оттянутым концом на пластинку наносили по
десять капель одинакового размера и оставляли в закрытом эксикаторе на 4
часа. По истечению этого времени пластинки промывали спиртом и
рассматривали поверхность при естественном освещении. Потемнение
пластинки свидетельствовало о коррозионной агрессивности смазочноохлаждающей жидкости по отношению к чугуну.
Результаты исследования физико-химических свойств новой СОЖ
показали соответствие их требования стандарта.
Проведены сравнительные стойкостные испытания токарных резцов,
оснащенных быстрорежуцщей сталью и твердыми сплавами, и спиральных
сверл, в том числе шнековых, предназначенных для сверления глубоких
отверстий. Точили и сверлили конструкционные стали, в частности,
труднообрабатываемые.
Статистическая
обработка
результатов
стойкостных испытаний показала увеличение стойкости режущих
инструментов до 2 – х раз в случае применения исследуемой СОЖ по
сравнению с 3 % - й эмульсией из эмульсола ЭГТ.
Таким образом, введение в стандартную эмульсию присадки из
органических кислот и фуранонов повышает качество СОЖ. Новая СОЖ
экологически чиста, экономически выгодна, эффективна при резании
различных
конструкционных
материалов,
что
определяет
ее
универсальность.
Литература
1. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. – М.:
Машиностроение, 1975. – 89 с.
2. Топлива,
смазочные
материалы,
технические
жидкости.
Ассортимент и применение: Справ. изд. / Под ред. В.М.Школьникова. – М.:
Химия, 1989. – 432 с.
3. А.с. 470516. Способ получения кротонолактона / Л.А.Бадовская,
Г.Ф.Музыченко, С.В.Абрамянц. – Опубл. в бюл. 1975, №18.
4. Латашко В.М., Музыченко Г.Ф., Смоляков В.П. Комплексные
исследования кубовых остатков фурфурольного производства / Изв. вузов
Северо – Кавказского науч. центра высшей школы. Сер. «Технич. науки». –
1981. - №4. – С. 72-74.
5. Патент №2101333. Смазочно – охлаждающая жидкость для
механической обработки металлов. / В.Г.Солоненко, Л.А.Солоненко,
Л.А.Бадовская. – Бюл. №1 от 10.01.98
6. Ребиндер П.А, Щукин Е.Д.. Поверхностные явления в твердых
телах в процессе их деформации и разрушения / Успехи физических наук. Т.
108, вып. 1, 1972. – С. 3-41.