Mary Moon
Если
не ХП, то что?
Хлорпарафины (ХП) относятся к редким химическим соединениям,
которые используются в качестве противозадирных присадок в самых требовательных
приложениях металлообработки. Очень скоро, уже к середине 2017, Агентство по защите
окружающей среды США (ЕРА) может запретить большинство ХП присадок используемых
в технологических жидкостях, оставляя металлообрабатывающей промышленности
поиск альтернатив, без снижения эксплуатационных свойств или защиты
инструмента.
Конечные потребители при изготовлении быстровращающихся
деталей требуют от смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) определенных допусков и
максимального срока службы дорогостоящего инструмента, зачастую
изготавливаемого по индивидуальному заказу. Чтобы быть эффективной, СОЖ должна формировать и
поддерживать защитную пленку между деталями и режущим инструментом, даже при
больших нагрузках резания (давлениях).В противном случае, неровности, — микроскопические
шероховатости на трущихся поверхностях, могут соприкасаться с образованием
«точек сварки», в которых металл плавится, образует сварные швы, и вызывает
необратимые повреждения. Противозадирные присадки предотвращают такие
повреждения.
Хлорированные парафины превосходны в качестве
противозадирных (EP –extreme pressure)
присадок. Их молекулы адсорбируются на поверхностях инструмента и деталей,
реагируют с атомами железа в точках контакта и формируют защитные пленки
хлорида железа, которые позволяют движущимся поверхностям скользить, а не
привариваться друг к другу. Большинство хлорированных парафинов могут исчезнуть
из СОЖ в следующем году, если EPA постановит запретить использование средне - и
длинноцепочных ХП, основываясь на его текущей оценке экологических рисков.
Перед разработчиками СОЖ становится острая задача разработки
замены для среде- и длинно цепочных ХП перед скорой угрозой запрета их
использования.
Доктор Нил Кантер (Neil Cartner), консультант Chemical Solutions из
Филадельфии рассматривает эту ситуацию как «текущую задачу». Производители СОЖ
в этом вопросе зависят от производителей присадок, которые рассматривают
варианты присадок на основе азота, серы, фосфора и химии эфиров, а также новые,
инновационные присадки, которые могут быть в состоянии заменить средне - и
длинноцепочечные ХП. По мнению Кантера несколько компаний решают эту задачу
сейчас и будут решать в будущем.
На 5-й Международной конференции по технологическим
жидкостям металлообработки (5th International Metal Removal Fluids Conference),
прошедшей в Чикаго в конце сентября 2016 , Бретт Весслер (Brett Wessler),
научный руководитель Lubrizol из Кливленда, Огайо, изложил новый подход к решению
вопроса. Для классификации простоты замены
ХП в металлообработке он предложил «категории жесткости металлообработки» (“operational severity categories”) (Таблица 1).
Таблица 1. Рабочая теория: Категории жёсткости
металлообработки
|
Категория 1
ХП могут быть заменены
без изменения условий применения
|
Категория 2
ХП могут быть заменены,
но это может потребовать изменений условий применения
|
Категория 3
Могут потребоваться
хлорсодержащие противозадирные присадки
|
Жесткость металлообработки зависит от характеристик обрабатываемых
деталей (металлургия, размер) и эксплуатационных условий (тип операции, давление
и скорость инструмента).
Весслер приводит сравнение пяти альтернатив ХП:
• олефинсульфонаты, с высокоактивной серой
• сульфожиры, с низкоактивной серой
• соединения фосфора
• сверхщелочные сульфонаты, диспергированные в масле
• полимерэфиры.
Эти альтернативы были оценены Lubrizol в смеси
присадка с маслом в пропорции 20/80 в тесте на резьбонарезном станке Microtap (Microtap Tapping Torque Test). При нарезке резьбы и формообразовании стандартной 1018
углеродистой стали и нержавеющей стали 316 (здесь и далее обозначение сталей по
спецификации Американского института стали и сплавов - AISI) смеси пяти присадок были
эквивалентны длинноцепочным ХП, и показали хороший результат по Категории 1.
Весслер приводит результаты теста вращения-сжатия (Twist Compression Tests) для пяти жидкостей,
сформулированных с различными присадками для стали 1008 при давлении до 50 МПа.
Коэффициент трения оставался низким и стабильным в течение двухминутного теста
для ХП жидкости и смеси ХП и олефинсульфоната. Однако он указал, что трение начинало сильно увеличиваться
после 65 с теста для формулировки олефинсульфоната и сверхщелочного сульфоната;
после 85 с - для смеси олефинсульфоната, полимерэфира и сульфожиров; и 90 с для
смесей олефинсульфоната, полимерэфира и соединений фосфора. Несмотря на это, по
мнению Весслера, такие присадки могут быть «достаточно хорошими», в некоторых
приложениях металлообработки.
Lubrizol провел испытания на стали 1008 экспериментальной
синтетической эмульгируемой штамповочной жидкости, содержащей вместо ХП
полимерэфиры и олефинсульфонаты, увеличив давление до 69 МПа в тесте
вращения-сжатия. В этом лабораторном тесте данные для экспериментальной
жидкости по трению были обнадеживающими, но выше, чем для ХП продукта. В
условия производства при испытаниях этой экспериментальной жидкости 3-х тонный
пресс отштамповал 4400 деталей без дефектов. Условия применения были идентичны для
экспериментальной жидкости и оригинальной ХП штамповочной жидкости, т.е.
относятся 1 Категории.
Весслер отметил, что переходя в тесте вращения-сжатия на
нержавеющую сталь 304, более твердой и с другой химией поверхности по сравнению
со сталью 1008, жидкость без ХП выдерживает давление 50 Мпа от пяти до 10 с, в
отличие от 40 с для жидкости содержащей ХП. Отрадно отметить, что при повышении давления до 69 Мпа,
коэффициент трения новой экспериментальной хлор содержащей жидкости был сравним
со значениями для ХП СОЖ.
Исходя из этого, Весслер пришел к выводу, что существующие
присадки не могут быть адекватной заменой ХП в некоторых тяжелых операциях
металлообработки, и что другие хлорсодержащие соединения могут быть лучшей
альтернативой ХП.
В другой презентации, Томас Россрюкер (Thomas Rossrucker),
международный директор по технологии применения присадок Rhein Chemie из
немецкого Мангейма, сосредоточил внимание на молекулах сульфокислот как
альтернативе ХП. Атомы серы могут адсорбироваться на поверхности металла и
образовывать пленки сульфида железа, похожие на пленки хлорида железа, образованные ХП. Россрюкер приводит
результаты шести трибологических испытаний, которые часто используются для
сравнения противозадирных присадок, такие как испытания на четырехшариковой
машине трения (ЧШМ) на задир и износ, тесты FZG, Microtap и другие. Например,
сульфотриглицериды с активной серой показали лучшие результаты на задир, а полимерэфиры
– на износ, по отношению к ХП. Далее он оценил различные комбинации полисульфид/полимерэфир
(в общем количестве 5%) в парафиновом базовом масле. Лучшие результаты показала
смесь 50/50 полисульфида и полимерэфиров: нагрузка сваривания 5500 Н и износ
0,58 мм на ЧШМ.
Россрюкер также исследовал эффект влияния скорости резания
на срок службы инструмента. В этом
случае, используя покрытую нитридом титана режущую стальную головку, сталь 4140
и 15% ХП СОЖ, срок службы уменьшался при увеличении скорости резания. Россрюкер
пояснил эту тенденцию быстрой деградацией ХП при высоких температурах.
Наконец, Россрюкер сравнил шесть СОЖ с различной химией
присадок в производственных испытаниях с использованием протяжного и
канавочного режущего инструмента (высокопрочная сталь с покрытием нитрида
титана). Как показано в Таблице 2, данные производственных испытаний
не коррелируют с результатами лабораторных исследований на ЧШМ. Так жидкость с высокой нагрузкой сваривания и наименьшим
износом на ЧШМ (жидкость C) продемонстрировала скромные защитные свойства от
износа уголков во время протяжки. И наоборот, смесь сульфоэфира, олефинов, полисульфидных и
беззольных противоизносных присадок (жидкость F) имела низкую нагрузку
сваривания и большой показатель износа, но превосходную защиту от износа уголков
во время протяжки.
Таблица 2. Данные лабораторных исследований не всегда
коррелируют с производственными испытаниями
|
Жидкость
|
Химия присадок
|
Вязкость, cSt @ 40 °C
|
% S
|
% Cl
|
Лабораторный тест на
ЧШМ
|
Производственные испытания протяжка
|
||
|
Нагрузка задира (kg)
|
Износ (mm)
|
Износ уголков @ 3 000 циклов
|
Износ уголков @ 6 000
циклов
|
|||||
|
A
|
Полисульфиды+ сульфотриглицериды
|
21.0
|
5.0
|
0
|
600
|
0.98
|
15
|
35
|
|
B
|
Полисульфиды
+ S-TG + противоизносные
цинк содержащие присадки
|
21.1
|
5.5
|
0
|
600
|
0.93
|
8
|
20
|
|
C
|
ХП + полисульфиды
|
20.5
|
2.9
|
18.5
|
750
|
0.72
|
22
|
50
|
|
D
|
Полисульфиды + сульфоэфир/олефин
|
20.8
|
5.1
|
0
|
650
|
0.85
|
8
|
27
|
|
E
|
Полисульфиды
+ сульфоэфир/олефин + противоизносные цинк содержащие присадки
|
21.0
|
5.2
|
0
|
600
|
0.80
|
10
|
27
|
|
F
|
сульфоэфир,
олефины, полисульфиды и беззольные противоизносные присадки
|
20.5
|
5.2
|
0
|
600
|
0.73
|
5
|
15
|
Источник:
Rhein Chemie
Россрюкер пришел к выводу, что замена ХП является непростой
задачей для большинства технологических жидкостей. Тем не менее, присадки на
основе смеси серы и фосфора могут быть оптимизированы для удовлетворения и
иногда превышения эксплуатационных свойств СОЖ.
Самыми сложными в плане металлообработки являются титан и
твердосплавные металлы. Стив Гриффитс (Steve Griffiths), старший технический специалист по маркетингу Afton Chemical из Манчестера,
Великобритания, представил инновационное лабораторное оборудование для оценки
присадок СОЖ для обработки твердых металлов. Он сказал, что на протяжении десятилетий
в авиационной промышленности остро стоит задача фрезеровки деталей из титана, например
таких, как для Lockheed A12 Blackbird. Здесь хлорсодержащие EP присадки просто
необходимы, т.к. титан имеет очень плохую теплопроводность, и температура
контакта инструмента и детали может быть чрезмерной.
Afton является одним из 30 с лишним спонсоров Производственно-исследовательского
центра передовых разработок (AMRC
- Advanced Manufacturing Research Centre)
при Шеффилдском университете Великобритании. В Чикаго на конференции Гриффитс
сообщил, что в AMRC ведется работа по разработке надежных тестовых методов для поиска
альтернативы среднецепочных ХП для обработки титана и других твердых сплавов. Основой
для их подхода является уравнение Тейлора для продолжительности жизни
инструмента, техника, первоначально разработанная для оценки инструментальных
материалов. Кривая Тейлора является графиком скорости резания от
продолжительности жизни инструмента в логарифмических координатах, наклон которого
характеризует механизм износа.
Группа из AMRC определила продолжительность жизни инструмента
как время, требуемое для накопления износа инструмента 0,2 мм в эксперименте
контролируемого фрезерования. Во-первых, они разработали и проверили лабораторные
шкалы фрезерного станка и измеренных кривых Тейлора для базовой СОЖ. Затем они
сравнили несколько 5% присадок на различных скоростях фрезерования. На сегодняшний день некоторые фосфатэфиры выглядят особенно
многообещающими в плане продления жизни инструмента во время фрезерования
титана, отметил Гриффитс.
Afton продолжает разработку новых химических веществ для исследований
AMRC в качестве замены среднецепочным ХП для жидкости для обработки титана.
Эти и другие достижения являются очередным шагом для прорыва
в химии присадок для следующего поколения смазочно-охлаждающих жидкостей.
Об авторе.
Мари Мун (Mary Moon),
доктор философии, физико-химик прикладных исследований, с опытом управления и решения
проблем различных отраслей промышленности в области смазочных масел и смазок, специальной
химии.
Контакт: marymoonphd@gmail.com или (267) 567-7234.
По материалам.
LUBES’N’GREASES®
“The Magazine of Industry in Motion”
February
2016 Vol. 22 issue 2
