环烷基基础油在金属加工油液中的应用研究
来源：润滑与密封
作者：贾继欢 李茂生 李朝圣 杜群贵 于恩强
原油按照特性因素 K 值分类法可分为石蜡基、环烷基和中间基油。特性因素与石油馏分的化学组成有直接关系。石蜡基原油一般烷烃含量 CP＞ 50% ，环烷基原油环烷烃含量 CN≥40% ，中间基原油的各种烃含量则介于两者之间。按照原油的类别，润滑油基础油也分为石蜡基基础油、中间基基础油、环烷基基础油等。不同类型的基础油所含烷烃、环烷烃、芳香烃不同，其化学和物理性质如倾点、黏度指数、残碳、氧化安定性、溶解能力、颜色稳定性、表面张力、可乳化性能、与金属和皂类的亲和力、挥发性等方面有显著差异。环烷基油含有较多的环烷烃，较少的正构烷烃，具有其独特的理化性能，如不含蜡、倾点低、溶解力强、高传热性能、容易乳化、黏度指数低、氧化安定性差、密度较大等特点。通过对环烷基油的分析研究，合理地利用其物理化学特性，并通过炼制工艺改进、新产品开发、与添加剂或其他组分配伍等，拓展其新的尤其是特殊的用途，以达到扬长避短或补短，做到物尽其用，是目前和今后一个时期环烷基基础油应用研究和开发利用的重点和难点。
环烷基油的特性决定了其在金属加工油液领域的良好应用前景。国外已经开始了该领域的开发工作并得到了较为广泛的应用，如世界产量最大也是质量最好的环烷基基础油生产商———瑞典尼纳斯 ( Nynas)公司十分重视环烷基油在金属加工油液的应用开发，并大力拓展中国市场。我国对环烷基油的应用同样十分重视，主要集中在变压器油、冷冻机油和橡胶填充油等方面的应用，并取得了一定成效。在金属加工油液领域虽然也有应用，主要是金属加工油液生产供应商出于成本的考虑而选用，而不是认识到环烷基油的技术性能优势。从资料查阅和行业技术交流来看，环烷基基础油在金属加工油液领域的系统研究包括基础应用研究和产品应用开发较少。
开发金属加工油液，重点是解决基础油和添加剂的配伍问题。目前，添加剂得到了长足的发展，不少国际先进的添加剂产品已在国内生产。而基础油的研究没有引起重视，又缺乏技术积累。研究表明，基础油在金属加工油液的贡献率可达到 80% ～ 90%。随着金属加工油液的发展，基础油用量猛增，已成为一个较大而且持续增长的产业。基于以上原因，本文作者以中海沥青环烷基油 M7 为例，对环烷基油的理化性能和摩擦润滑特性研究，并与 NYNAS 环烷基油T9 和韩国双龙二次加氢石蜡基油 60N 进行比较。以环烷基油 M7 为基础油，开发了金属加工油液，并对其性能进行了比较分析。
环烷基基础油理化性能测试和化学族组成分析
表 1 给出了中海沥青 M7 基础油的基本理化性能和化学族组成情况。
黏 度 － 比 重 常 数 ( Viscosity-Gravity Constant，VGC) 是表征基础油芳香度或环化指数的物理量，环烷烃的 VGC 多数在 0. 9 左右，而中海沥青 40 ℃ 运动黏度为 9 ～ 14 mm^2/ s 的环烷基油 VGC 一般在 0. 86 ～0. 87 之间。VGC 对金属加工液的倾点、 可乳化性、储存稳定性有一定影响。对于常温状态下黏度相近的基础油，VGC 越大，配制的金属加工液倾点越低、可乳化性效果越好、原液储存和工作液使用稳定性越好。环烷基基础油环烷烃和芳烃含量高、密度高、倾点 ( 凝点) 低、黏度指数小、有较高的硫含量等特点，适合用于调制切削油、微乳切削液和特殊溶剂油等工艺用油，而不适宜做内燃机油、液压油等要求黏温性能好的设备用油。
不同类型基础油理化性能及摩擦润滑特性比较
1、密度测试结果比较
表 2 给出了 3 种不同基础油的密度测试结果。环烷基基础油的密度较石蜡基基础油密度大，在应用中则表现为基础油密度越大越有利于与水形成稳定的乳化液。这是因为基础油密度越大越接近水的密度，也即密度差越小，所需乳化剂量越少，形成的乳液或微乳液也越稳定。
2、摩擦润滑特性比较
采用厦门天机自动化有限公司的 MS-10A 杠杆式摩擦试验机，评价 3 种油品的摩擦润滑特性。参照国家标准 GB/T3142 润滑剂承载能力测定法 ( 四球法)对油品的油膜强度、烧结负荷、磨斑直径、平均摩擦因数等进行测定。表 3 给出了不同基础油的四球测试结果，图 1 和图 2 分别给出了 392 N 载荷下各基础油的摩擦因数随时间的变化曲线 ( μ-t 曲线) 和磨斑直径图 ( 三球中选任意一球) 。
从测试结果可知，3 种基础油的最大无卡咬负荷PB值和烧结负荷 PD一致，长磨磨斑直径和摩擦因数略有差别，总体上 3 种基础油具有相似的极压润滑性
和负荷承载能力。
3、蒸发损失测试比较
利用 BSY-218 润滑油蒸发损失测定仪对不同基础油进行了蒸发损失测试，测试方法为 NB /SH/T 0059《润滑油蒸发损失的测定 诺亚克法》，测试结果见表 4。
可以看出，环烷基基础油的蒸发损失远远大于石蜡基基础油的蒸发损失，这一性能非常有利于金属加工油液的热量传递，能够及时带走机械加工过程中产生的热量，降低刀具和工件的温度，延长刀具的寿命，提高加工件的表面精度和机械加工效率。
环烷基金属加工油液的配制及性能评价
为了考察环烷基基础油在金属加工油液中的应能性能，以中海沥青 M7 为基础油，辅以极压剂、抗磨剂、黏指剂等添加剂，开发了一款环烷基油切削油和一款环烷基油微乳切削液，并与市面上进口同类产品性能进行了对比。
1、环烷基切削油性能指标评价
1.1、性能指标
表 5 给出了研制的环烷基切削油的性能测试结果。
1.2、攻丝扭矩测试分析
攻丝扭矩试验是实验室用于评价金属加工液润滑性能的有效方法，它通过模拟金属加工攻丝切削状态，计算加工过程中的最大扭矩和平均扭矩来评价金属加工液的润滑性能，最大扭矩和平均扭矩的数值越小，表明产品的润滑性能越好。利用德国进口攻丝扭矩试验机 LAPTAB GⅡ8 测试不同油品的攻丝扭矩差别，模拟实际工况下的油品润滑性能。钻头材料为高速钢，试验板材为模具钢，执行标准参照 LAPTABGⅡ8试验方法进行。攻丝扭矩测试结果如图 3 所示。
从测试结果可知，中海沥青 M7 基础油在加入各种功能添加剂后，配制的环烷基油切削油的攻丝扭矩平均值为 190 N·cm，进口切削油攻丝扭矩平均值为205 N·cm 攻丝扭矩值优于进口同类高端切削油。
1.3、摩擦润滑特性测试
表 6 给出了环烷基切削油和进口同类高端切削油的四球试验测试结果。从测试结果看出，环烷基切削油具有与进口切削油相近的极压润滑性和负荷承载能力。
环烷基微乳切削液性能评价
1.1、性能指标
表 7 给出了开发的环烷基微乳切削液的性能指标测试结果。
1.2、产品粒径分析
粒径大小及粒径分布是乳化液稳定性的特定参数之一。要提高乳化液稳定性就要尽量使乳化液的颗粒直径处于乳化液颗粒直径的下限，颗粒直径在0. 1 ～ 0. 5 μm的乳化液稳定性最好。利用英国 Malvern MS 2 000粒径分析仪对几款微乳液进行了粒径分布测试分析，结果如图 4 所示。
从粒径分布图可以看出，配制的环烷基油微乳切削液粒径分布包括粒径大小 ( 体积平均粒径 0. 116μm) 和一致性 ( 0. 251) 均与进口微乳切削液 ( 体积平均 粒径 0. 201 μm，一致性 0. 250) 接近，粒径分布集中均匀。这对提高乳化液稳定性十分有效，且具有良好的渗透性。而图 4 ( c) 中显示的某普通石蜡基微乳液的试样体积平均粒径 0. 300 μm，一致性 1. 64，粒径分布较分散，在储存过程中更容易发生分层现象，而且由于颗粒较 大，渗透效果不够理想。
1.3、攻丝扭矩测试结果
将研制环烷基微乳切削液和进口微乳切削液的5% 稀释液进行 3 次攻丝扭矩测试，得到的平均扭矩分别是 225、240 N·cm，攻丝扭矩的数值较小，表明微乳切削液润滑性能优异。图 5 示出了攻丝扭矩实验结果。
结论
( 1) 环烷基油的黏度 － 比重常数大，具有黏度指数低、挥发性高、溶解性强、倾点低、密度大、易乳化等特性，非常适合应用于金属加工油液。
( 2) 环烷基油配置金属加工油时，易与各种极压剂、抗磨剂、防锈剂等各种功能添加剂配伍。
( 3) 采用环烷基油研制的环烷基微乳切削液乳化剂用量少，原液和工作液均匀稳定，乳化液粒径分布均匀集中，润滑性和冷却性好。
