本發(fā)明涉及金屬切削液，尤其涉及一種酯基半合成切削液及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鈦合金因其卓越的性能，廣泛應(yīng)用于航空航天等高端制造領(lǐng)域。然而，由于其加工難度大，導(dǎo)致加工成本居高不下，限制了鈦合金在更廣泛行業(yè)中的使用。究其原因，首先，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低，加工過程中產(chǎn)生的熱量難以有效傳導(dǎo)。特別是切削時(shí)，刀具與切屑的接觸面積較小，摩擦系數(shù)大，切削區(qū)的熱量集中在刀刃附近的小范圍區(qū)域內(nèi)，無法及時(shí)擴(kuò)散到切屑或工件，導(dǎo)致局部溫度迅速升高。

2、此外，鈦合金在高溫環(huán)境下具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，容易與空氣中的氧、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，生成氮化鈦、氧化鈦等硬質(zhì)化合物。這種反應(yīng)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，使得鈦合金表面硬度增加，同時(shí)降低了材料的塑性，削弱了其抗疲勞性能。高溫和加工硬化的雙重影響加劇了刀具的磨損，進(jìn)一步提高了加工難度和成本。

3、因此，在鈦合金的切削加工中，切削液的配方和工藝設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。切削液不僅需要具備良好的冷卻效果，迅速降低切削區(qū)溫度，還要具備優(yōu)異的潤滑性能，減少刀具與工件間的摩擦，以延長刀具壽命、提高加工效率和工件質(zhì)量。

4、盡管傳統(tǒng)礦物油類切削液在某些低要求加工中表現(xiàn)較好，但在高強(qiáng)度材料(如鈦合金)的加工過程中，其潤滑和冷卻性能顯得不足。由于礦物油的熱穩(wěn)定性較差，容易在高溫環(huán)境下劣化，導(dǎo)致潤滑膜失效，進(jìn)而加劇刀具磨損。特別是在加工鈦合金時(shí)，傳統(tǒng)切削液難以有效降低加工溫度，導(dǎo)致刀具磨損加劇，加工效率低下，質(zhì)量難以保證。并且，傳統(tǒng)切削液在生產(chǎn)、使用和廢棄處理過程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放，不利于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)。

5、酯類基礎(chǔ)油相比其他化學(xué)合成基礎(chǔ)油(如聚α-烯烴(pao)、硅氧烷基油和礦物油等)，具有卓越的潤滑性能、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、環(huán)保和生物降解性、優(yōu)良的冷卻性能，這些優(yōu)勢(shì)使酯類基礎(chǔ)油成為高性能、環(huán)保型切削液的理想選擇，特別適用于高要求的鈦合金切削加工應(yīng)用。但是酯類基礎(chǔ)油的應(yīng)用也面臨著如下挑戰(zhàn)：

6、(1)酯類基礎(chǔ)油在潮濕環(huán)境或含水切削液配方中容易發(fā)生水解反應(yīng)。水解過程會(huì)導(dǎo)致酯鍵斷裂，生成脂肪酸和醇類。這些生成的脂肪酸會(huì)降低切削液的潤滑性，同時(shí)可能增加切削液的酸度，腐蝕加工設(shè)備和工件表面，影響加工質(zhì)量。此外，水解反應(yīng)還會(huì)加速切削液的劣化，縮短其使用壽命，增加維護(hù)成本。

7、(2)酯類基礎(chǔ)油在高溫和空氣接觸的環(huán)境下容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成過氧化物。這些過氧化物不僅降低了切削液的潤滑性能，還可能引發(fā)二次化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步生成對(duì)切削液有害的副產(chǎn)物，導(dǎo)致切削液的性能下降。尤其在鈦合金的高溫切削環(huán)境下，氧化反應(yīng)更為顯著，加速切削液的劣化，使其失去潤滑作用，導(dǎo)致加工過程中的摩擦系數(shù)增大，刀具磨損加劇。

8、因此，開發(fā)一種既具有優(yōu)異性能又符合環(huán)保要求的切削液顯得尤為重要。

9、公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本發(fā)明總體背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明第一個(gè)目的是提供一種酯基半合成切削液，在自修復(fù)潤滑劑制備完成后將其分為兩個(gè)部分，其中一部分用于與納米添加劑混合并加入聚乙烯醇，而另一部分直接加入切削液中，旨在優(yōu)化納米顆粒的分散性，同時(shí)保持切削液的整體穩(wěn)定性和性能。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

3、一種酯基半合成切削液，按照質(zhì)量份數(shù)計(jì)，包括酯類基礎(chǔ)油50～70份；環(huán)保乳化劑10～20份；納米添加劑5～10份；自修復(fù)潤滑劑5～10份；低碳添加劑1～5份；聚乙烯醇0.5～1份；

4、本發(fā)明采用酯類基礎(chǔ)油作為主要成分制備切削液，環(huán)保乳化劑的使用可以在一定程度上隔離水相和油相，減少酯類基礎(chǔ)油的水解風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)切削液的水分排斥能力，減少水解反應(yīng)的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，植物油復(fù)合磷酸酯制得的自修復(fù)潤滑劑可以進(jìn)一步抑制水解，并具備一定的抗氧化性能。磷酸酯基團(tuán)具有良好的親油性，可以在油相中形成穩(wěn)定的保護(hù)層。這層保護(hù)層能夠有效隔離水分，減緩水分與酯基的接觸，從而抑制酯類基礎(chǔ)油的水解反應(yīng)。此外，植物油本身具有較好的生物降解性和較低的水解傾向，與酯類基礎(chǔ)油形成協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步降低水解風(fēng)險(xiǎn)。將其用于鈦合金切削時(shí)，磷酸酯基團(tuán)可以在金屬表面形成一層保護(hù)膜，這層膜可以在高溫環(huán)境下阻止氧氣與金屬的直接接觸，減緩氧化反應(yīng)的發(fā)生。

5、自修復(fù)潤滑劑按照5～7:3～5的比例分為試劑a和試劑b，試劑a與納米添加劑混合后加入聚乙烯醇形成懸浮液后加入反應(yīng)體系中；試劑b用于直接加入到反應(yīng)體系中。

6、具體的，聚乙烯醇的分子量為5000～20000，聚乙烯醇的醇解度在80％左右，防止納米顆粒之間的近距離接觸和團(tuán)聚，從而提高分散性。聚乙烯醇集中在與納米添加劑混合的部分a，能夠確保納米顆粒在自修復(fù)潤滑劑中的高效分散，減少團(tuán)聚風(fēng)險(xiǎn)。并且可以提升部分a的黏度和潤滑膜的形成，有助于在切削過程中減少摩擦和磨損。部分b提供了切削液的基礎(chǔ)潤滑和穩(wěn)定性，確保在高剪切、高溫條件下仍能維持良好的潤滑性能。由于部分b不含聚乙烯醇，可以防止整個(gè)切削液體系黏度過高，保持良好的流動(dòng)性和冷卻效果。

7、作為優(yōu)選的，自修復(fù)潤滑劑為植物油復(fù)合磷酸酯，磷酸酯和植物油的質(zhì)量比為3～6：5～10；自修復(fù)潤滑在切削過程中，可在金屬表面自動(dòng)重新吸附和重組，修復(fù)受損的潤滑層。本發(fā)明選擇具有較高熱穩(wěn)定性的植物油和磷酸酯制備自修復(fù)潤滑劑，由于植物油通常是多元醇的酯化產(chǎn)物，磷酸酯可以與植物油上的羥基連接，當(dāng)金屬表面潤滑層破損時(shí)，未反應(yīng)的分子可以遷移到受損區(qū)域，迅速覆蓋并修復(fù)磨損部位，起到自修復(fù)的作用，這種動(dòng)態(tài)的吸附過程有助于維持潤滑層的完整性。在鈦合金加工和切削過程中，植物油復(fù)合磷酸酯可以保持其化學(xué)和物理穩(wěn)定性，不易分解或揮發(fā)，確保潤滑膜在高溫下依然有效；植物油基磷酸酯具備一定的抗氧化性，在高溫條件下能減緩金屬表面的氧化反應(yīng)，保護(hù)工件和切削工具免受高溫氧化的影響。

8、作為優(yōu)選的，本發(fā)明通過摩擦磨損試驗(yàn)來確定自修復(fù)潤滑劑在不同條件(溫度、剪切速率、壓力等)下的吸附速率，并優(yōu)化磷酸酯與植物油的比例，實(shí)驗(yàn)包括如下實(shí)驗(yàn)變量：

9、溫度：設(shè)置多種溫度條件(如常溫25℃、100℃、150℃、200℃)，模擬不同切削加工中的溫度環(huán)境。

10、剪切速率：不同剪切速率(如500rpm、1000rpm、1500rpm)代表不同的切削速度。

11、壓力：設(shè)定不同壓力水平(如10n、20n、30n)來模擬不同的加工壓力環(huán)境。

12、磷酸酯與植物油比例：針對(duì)自修復(fù)潤滑劑，設(shè)置不同的磷酸酯與植物油質(zhì)量比例(如2:1、3:2、1:1、2:3、1:2)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較。

13、具體包括如下實(shí)驗(yàn)步驟：

14、(1)制備不同磷酸酯與植物油比例的自修復(fù)潤滑劑樣品，并將其涂覆到鈦合金表面上；

15、(2)在摩擦測(cè)試儀上，將球狀探針與涂覆潤滑劑的金屬樣品接觸。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下(溫度、剪切速率、壓力)，開始施加摩擦，并記錄摩擦力隨時(shí)間的變化。摩擦力的上升代表潤滑膜的破損，當(dāng)摩擦力恢復(fù)到較低水平時(shí)，說明自修復(fù)潤滑劑重新吸附并形成了新的潤滑膜；

16、(3)重復(fù)實(shí)驗(yàn)：對(duì)每種實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行多次重復(fù)，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性；

17、記錄潤滑膜破損后的摩擦系數(shù)峰值和重新恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)的時(shí)間，以此代表潤滑劑的吸附和修復(fù)速率，可知：當(dāng)磷酸酯：植物油的質(zhì)量比3～4:6～7時(shí)，能提供較高的植物油含量，從而確保潤滑膜的自修復(fù)能力，同時(shí)由于磷酸酯含量適中，能在金屬表面形成穩(wěn)定的保護(hù)層，并具備良好的抗磨性和潤滑性，適用于加工溫度較高，且需要較高潤滑和抗磨性能的場(chǎng)景，如鈦合金等難加工材料。

18、作為優(yōu)選的，植物油為椰子油、菜籽油中的一種或多種，磷酸酯為三乙基磷酸酯或二乙基磷酸酯。

19、作為優(yōu)選的，酯類基礎(chǔ)油包括新戊二醇二油酸酯、三乙二醇二油酸酯、季戊四醇油酸酯、季戊四醇四異辛酸酯、雙季戊四醇油酸酯中的一種或多種。酯類基礎(chǔ)油在高溫條件下具有良好的熱穩(wěn)定性，避免在切削過程中分解或產(chǎn)生有害物質(zhì)，從而保持冷卻效果。優(yōu)選的酯類基礎(chǔ)油為新戊二醇二油酸酯，新戊二醇二油酸酯具有較高熱傳導(dǎo)性，以提供足夠的熱容量來吸收切削過程中產(chǎn)生的熱量。

20、作為優(yōu)選的，環(huán)保乳化劑包括環(huán)保型石油磺酸鈉和脂肪醇醚乳化劑，環(huán)保型石油磺酸鈉和脂肪醇醚乳化劑按照3:1的質(zhì)量比混合制得。

21、作為優(yōu)選的，納米添加劑為經(jīng)過鈦酸酯偶聯(lián)劑改性的納米鈦酸鋅，經(jīng)過鈦酸酯偶聯(lián)劑改性的納米鈦酸鋅的粒徑范圍為10～50nm。

22、鈦酸鋅具有更高的硬度，能夠在切削鈦合金等高強(qiáng)度材料時(shí)提供更強(qiáng)的抗磨性，并且鈦酸鋅具有的高溫穩(wěn)定性，使得它在高溫切削條件下表現(xiàn)出色，減少了高溫下的添加劑降解；但鈦酸鋅的密度較高，導(dǎo)致在液體中容易沉降，增加分散難度。鈦酸酯偶聯(lián)劑通過鈦酸酯基團(tuán)與鈦酸鋅表面形成牢固的共價(jià)鍵。能夠有效地提高顆粒的表面活性和分散性，從而增強(qiáng)它們?cè)隗w系中的穩(wěn)定性。

23、作為優(yōu)選的，納米添加劑由如下步驟制得：

24、s11：將納米鈦酸鋅加入到乙醇溶劑中，超聲震蕩均勻，緩慢加入雙(二辛氧基)二丙基鈦酸酯，保持?jǐn)嚢枰源_保均勻混合；

25、s12：使用超聲波振蕩和機(jī)械攪拌，使得雙(二辛氧基)二丙基鈦酸酯附著在鈦酸鋅表面，對(duì)納米鈦酸鋅進(jìn)行表面包覆，形成一層潤滑膜；超聲波分散技術(shù)能夠有效地破壞納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，將顆粒均勻地分布在液體中，使顆粒之間的粘連力減小，打散團(tuán)聚的顆粒，有效提高分散效果。

26、s13：反應(yīng)完成后，離心或過濾去除未反應(yīng)的雙(二辛氧基)二丙基鈦酸酯和雜質(zhì)，將清洗后的產(chǎn)物在60-80℃的真空環(huán)境中干燥，以去除殘留的溶劑，得到表面修飾后的納米添加劑。

27、作為優(yōu)選的，低碳添加劑包括金屬緩蝕劑、殺菌劑、抗氧化劑中的一種或多種。低碳添加劑中的金屬緩蝕劑和抗氧化劑能夠抑制金屬表面的腐蝕，其中抗氧化劑能夠捕捉自由基，防止其引發(fā)的鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)；金屬緩蝕劑則通過在金屬表面形成鈍化層，減少水解生成的酸性物質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕。通過加入低碳添加劑，切削液在高溫環(huán)境下能夠保持化學(xué)穩(wěn)定性，減少由于氧化或腐蝕導(dǎo)致的切削液性能下降，并延長其使用壽命。

28、本發(fā)明第二個(gè)目的是提供酯基半合成切削液的制備方法，制得的切削液在追求高效潤滑、防銹和清潔性能的同時(shí)，積極響應(yīng)碳達(dá)峰與碳中和的環(huán)保理念，致力于減少切削過程中的碳排放，推動(dòng)綠色制造。

29、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

30、一種酯基半合成切削液的制備方法，包括如下操作步驟：

31、s21：將酯類基礎(chǔ)油加熱至60-70℃；保持恒溫30分鐘，確?；A(chǔ)油的完全加熱和雜質(zhì)的去除。

32、s22：在加熱的基礎(chǔ)油中，逐步加入環(huán)保乳化劑，邊攪拌邊混合，確保乳化劑在油相中充分均勻分散，保持?jǐn)嚢杷俣戎械龋孕纬煞€(wěn)定的乳化體系；攪拌速度控制在800-1200rpm，持續(xù)攪拌20分鐘，形成穩(wěn)定的乳化體系。

33、s23：將植物油和磷酸酯按照質(zhì)量比復(fù)合均勻攪拌，確保兩者充分混合后，分成試劑a和試劑b備用；

34、s24：將納米添加劑逐步加入到試劑a中，并通過高剪切攪拌或超聲波處理進(jìn)行初步分散，可以確保納米顆粒盡可能均勻地分布在液體中，減少初始團(tuán)聚的可能性；然后在納米顆粒初步分散后，緩慢加入聚乙烯醇，繼續(xù)攪拌30分鐘，通過聚乙烯醇提供額外的分散，有效防止顆粒的再聚集，然后將制得的懸浮液緩慢加入到加熱的乳化體系中，持續(xù)攪拌，以確保納米添加劑均勻分散；此時(shí)部分a中既有鈦酸鋅的表面改性，也添加了聚乙烯醇，提供了更強(qiáng)的分散和穩(wěn)定能力。實(shí)現(xiàn)了雙重穩(wěn)定。

35、聚乙烯醇在水相中具有良好的溶解性和親水性，這有助于其在乳化體系中均勻分布，增強(qiáng)納米顆粒在水相中的分散效果。

36、s25：將試劑b加入到步驟s24混合后的乳化體系中，繼續(xù)攪拌以確保均勻；

37、s26：根據(jù)需要加入低碳添加劑并攪拌混合均勻，冷卻后得到酯基半合成切削液。

38、作為優(yōu)選的，步驟s26中，冷卻過程中保持低速攪拌，以防止分層或沉淀。

39、綜上，本發(fā)明具有以下有益效果：

40、(1)本發(fā)明通過使用酯類基礎(chǔ)油和環(huán)保乳化劑，制得的切削液具有良好的生物降解性，減少了傳統(tǒng)切削液中礦物油和化學(xué)添加劑的污染，響應(yīng)了碳達(dá)峰與碳中和的環(huán)保目標(biāo)。同時(shí)，切削液的低碳添加劑能夠有效減少切削過程中的碳排放。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明利用植物油復(fù)合磷酸酯作為自修復(fù)潤滑劑，在切削過程中能夠自動(dòng)吸附到金屬表面，形成牢固的潤滑膜。當(dāng)潤滑膜局部破損時(shí)，磷酸酯基團(tuán)能夠重新吸附，迅速修復(fù)磨損部位，維持潤滑層的完整性。該自修復(fù)功能在加工高溫高壓環(huán)境下，可以有效提升切削過程中的潤滑效果，延長刀具壽命，減少停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。

41、(2)本發(fā)明中植物油復(fù)合磷酸酯及酯類基礎(chǔ)油具有出色的熱穩(wěn)定性，在切削鈦合金等難加工材料時(shí)能夠保持化學(xué)和物理穩(wěn)定性，不易分解或揮發(fā)。這種穩(wěn)定性確保了潤滑膜在高溫環(huán)境下依然能夠發(fā)揮作用，減少刀具磨損，提高加工質(zhì)量。由于潤滑性能的提升和自修復(fù)功能，切削液能夠顯著減少刀具的磨損和鈍化，提高加工精度與效率。特別是在鈦合金的加工中，切削液表現(xiàn)出更高的抗磨性，減少停機(jī)維護(hù)，降低成本。

42、(3)本發(fā)明通過合理地控制了切削液的黏度，通過分離自修復(fù)潤滑劑的部分成分，既保證了高效的潤滑，又防止了體系黏度過高，確保了良好的流動(dòng)性和冷卻效果。這樣既能夠在高剪切環(huán)境下保持潤滑，又不會(huì)影響其冷卻和清洗性能。其中通過聚乙烯醇與改性納米鈦酸鋅體系的結(jié)合，納米顆粒能夠在切削液中形成穩(wěn)定的分散體系，減少團(tuán)聚現(xiàn)象，從而提升切削液的抗磨性能和潤滑效果。納米添加劑具備抗氧化性，能夠有效抑制高溫切削過程中產(chǎn)生的氧化反應(yīng)，保護(hù)金屬表面和切削工具，延長其使用壽命。