1.前言 金屬加工用油泛指經過機械切割或電火花切割除去金屬或經過衝壓、擠壓等成（chéng）型金屬所用的潤滑油、水基潤（rùn）滑液和油膏(包括潤滑脂)。與（yǔ）三大油(發動（dòng）機油、液壓油和齒輪油)不同，金屬加工用油僅占（zhàn）潤滑油消耗（hào）量的1～2%，卻因摩擦工況而千差萬別，所需（xū）的金工油品種繁多。三大油用量（liàng）很大（dà），發動機油用量占潤滑油總（zǒng）量的一半，預計到2005年我國車輛總（zǒng）數達三千萬輛，發動（dòng）機油年消耗量達170萬（wàn）噸。但開發發動機油成本很高，國外開發一個配方所需的台架試驗等費用高達幾百萬美（měi）元。跨國公司憑借其強大的經濟實力和專利技術搶占領我國（guó）高檔發動機油市場。雖然我國自己研製的發動機油的水平與國外相比並不低，但由於銷售渠道不通等原因，中石化與中石油的（de）高檔產品隻占3%的市場份（fèn）額。金屬加工用油除少數幾種外，一般是數量少（shǎo），品種多，跨國公司難以（yǐ）全麵壟斷中國（guó）市場。另一個特點（diǎn）是附加值高，特（tè）別是稀缺的品種，利潤率可達100%或以上（shàng）。還有一個特點是（shì）金工油一般沒有像三大油那樣很嚴格的、標（biāo）準化（huà）的台架試驗程序，更缺乏有效的統一的模擬試驗方法，主（zhǔ）要靠現場試驗評價其質量的優劣。在這種情況下，開展摩（mó）擦學的應用研究，對於提高金工油的質量，解決麵（miàn）臨的形形色色的潤（rùn）滑問題，以及發展行之有效的模擬試驗方法，都有積極意義。本文討論了幾大類金工油的摩擦學問（wèn）題，並對今後（hòu）研究方向提出自己的看法。 2.金（jīn）屬切削潤滑（huá）劑 2.1概況 切削潤滑劑約占金工用油消耗量的一（yī）半，其中的切削油主要用於難（nán）加工的低速、小進給的加工條件（jiàn），而大量使用（yòng）的是有利於環保、不冒煙和著火的水基切削液，80年代發達國家的（de）水基切削液約占（zhàn）切削潤（rùn）滑劑總量（liàng）的90%以上。水基（jī）切（qiē）削液又分為乳化液、合成液和微乳液三（sān）類。雖然這些水基切（qiē）削液均具有冷卻作用、清洗作用、防鏽作用和潤滑作用（yòng），但是微乳液（yè）的綜合性能更優越，而且不易發黴，廢液處理容易，而獨占鼇頭，成（chéng）為今後的發展方向。 2.2切削中的（de）摩擦磨損 除了電火花加工是采用脈衝放電，使金屬局部熔化而（ér）達到切割金屬的目的，其它切（qiē）削均采用刀（dāo）具(包括硬質合金刀和陶瓷刀具)和磨料進行（háng）金屬加工（gōng）。 2.2.1切削中的摩擦機理 切削過（guò）程中的（de）切削力來源於前刀麵和後刀麵。一是被切削金屬、切屑和工件表（biǎo）麵金屬的彈、塑性變形（xíng）抗力，另一是刀－屑和（hé）刀－工件間的摩擦阻力，而切削力（lì）來源的（de）比（bǐ）例，隨著切削體係的變化（huà）而變（biàn）化。切削熱由（yóu）切削產（chǎn）生，並經（jīng）由刀具、工件、切屑（xiè）和切削液而傳出。由於切削力和切削溫度較易實（shí）現在線檢測，常作為刀具摩擦和破損的間接物（wù）理量。 2.2.2切削中的磨損機理 切（qiē）削（xuē）是一種劇烈的（de）摩（mó）擦磨損過程，刀具的磨損不但縮短刀具壽命（mìng）而且直接影（yǐng）響（xiǎng）被加（jiā）工零件的（de）精度和（hé）表麵粗糙度。刀具的磨損機理包括熱（rè）磨損和機械磨損，前者是發動機齒輪和液壓係統中未遇到的特殊的磨損機理，後者（zhě）則（zé）與之有共同特點（diǎn）。 2.2.2.1熱磨損 包括擴散磨損、熱電磨損和氧化磨損。 擴散磨損 切削（xuē）過程中，刀具承受的切（qiē）削壓力達到2～3GPa，切削溫度高達900～1100℃。在切削高溫和高（gāo）速的（de）條件（jiàn）下，刀具的擴散磨損要比一般機械零件（jiàn）大的多。它不隻是使刀具擴散而損失材料，還（hái）增大刀具與切屑間的粘著，增（zēng）大刀具的粘著磨損。刀具粘（zhān）結劑（jì）以及硬質相(WC及TiC)的向外擴散和工件成（chéng）分向工具擴散還引起刀具的脆化和軟化，降低表麵強度，增大刀具的粘著磨損和磨粒磨損，使前（qián）刀麵呈月（yuè）牙形。 熱電磨（mó）損 另一種熱磨損是熱電磨（mó）損，在切削區高溫作用下，刀具與工件兩種不同材質的接觸會產生熱電勢和熱電（diàn）流，使刀具磨（mó）損加劇。 氧化磨損 切削溫度高（gāo）時，刀具材料劇烈氧化形成一係列鬆軟的氧化物，並被切削帶走，造成“氧（yǎng）化（huà）磨損”，造成刀具（jù）“燒傷”，使刀具出現溝槽。 2.2.2.2機械磨損 包括磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損，與機械中常（cháng）見的磨（mó）損（sǔn）機（jī）理有共同之處。 2.2.2.3各種磨損機理的相對重（chóng）要性 在（zài）低溫下，刀具的（de）磨損以機械磨損為（wéi）主，在高溫下，因（yīn）熱磨（mó）損量隨切削溫度的升高比（bǐ）機械（xiè）磨損快的多，因此占主導地位，在各種不同溫度（dù）下各種磨損（sǔn）對刀具的磨損強度(單位（wèi）切削過程（chéng）的磨損量)的（de）貢獻不同（tóng）(圖1)，不同材質的刀（dāo）具的磨損特性也不同(圖2)。 2.3切（qiē）削潤滑劑減磨抗磨機理 2.3.1滲入機理 由於切削過程（chéng）中（zhōng）摩擦副的幾何結構以及高溫、高壓和高速的特點，切削液本來是很難進入（rù）刀－屑和刀－工摩擦接觸區，有人推測由於切削（xuē）在摩擦界麵上強大的擠壓和剪應力作用下（xià）產生微裂紋，起著（zhe）毛細管的作用，把切削液帶入（rù）摩擦表麵，起潤（rùn）滑摩擦麵的作用。 2.3.2冷卻作用 冷卻作用取決於導（dǎo）熱（rè）係數、比熱、汽化熱和對金屬表麵（miàn）的潤滑（huá）性。因此，冷卻能力按下列次序遞減：合（hé）成液>微乳液>乳化液>切削油，冷卻對於降低（dī）切削摩擦工況的苛刻程度起著關鍵的作用。 2.3.3 潤滑機理 在（zài）切削區的極（jí）高溫度和壓力下，是難以形成一種機械零件那種流體潤滑和彈（dàn）流潤滑狀（zhuàng）態的，通常（cháng）工作在邊界潤滑狀態下。因此，切削液通常加極壓抗磨劑，在摩擦麵形成低剪切強度的邊界潤滑膜（mó）來防止刀－屑和刀－工粘結，並降低切削力和切削強度。對（duì）精加工輕載荷（hé）的切削，一般添加脂肪酸，在摩（mó）擦麵形成脂肪（fáng）酸皂半固體膜，在（zài）90～150℃下具（jù）有一定（dìng）的承載能力，而在高速重載切削時則要加S、P、Cl極壓劑（jì），形成高熔點固體潤滑膜(FeS熔點（diǎn）高達980℃以上)在嚴酷條件下起潤滑作用。 對於一個（gè）好的（de）切削潤滑劑，不但要求（qiú）散熱性好，還要求有（yǒu）好的（de）切削性能，希望被切削（xuē）的工件磨（mó）損大而用於切削的刀具（jù）和砂輪磨損小，切削省（shěng）力（lì），刀具和砂輪的壽命長。這與通常的機械零件的（de）一味要求減摩和抗磨有很大的不同（tóng），也給切（qiē）削性能優異的（de）切削油液配方研究留下來很（hěn）大（dà）的空間。據報道，采用（yòng）新（xīn）技術開發的切（qiē）削液可使磨削性能提高（gāo）130倍之多。過去幾十年來，研究論文大量集中在鋼－鋼摩擦（cā）副（fù）的摩擦磨損和潤（rùn）滑行為的研究，但是（shì）深入探討添加劑對鋼－砂（shā）輪潤（rùn）滑機理（lǐ）的論文屈指可數。Yamanaka等人詳細研究了用於CBN砂輪（lún）的研磨（mó）液中各種添加劑的作用，說明極壓劑效果Z佳，特別是含硫極壓劑（jì）和酸性磷酸酯，其次是油性劑，而磨擦改進劑Z差，油性劑（jì）中C14以上的飽和脂肪酸切削（xuē）效率Z高。 2.3.4潤滑機理的材料依賴性 切削加工的刀具和磨料采用兩大類不同的材料。，兩者的潤（rùn）滑機理有很大的不同。由於陶（táo）瓷材（cái）料的硬脆性，在摩擦磨損（sǔn）過程中不如金屬材料那樣容易產生塑性變形，意味著不容易（yì）產生粘著磨損（sǔn），陶（táo）瓷耐高溫，耐腐蝕，耐磨損，同時也降低（dī）了極壓抗磨劑的化學活性，無法象金屬材料那樣容易生（shēng）成含S、 P、Cl的極壓固體膜，造成潤滑的困難。 2.3.5用於評價切削潤滑劑的有效（xiào）性的模擬試驗 除了上車床直接試驗外，還常采（cǎi）用以下試驗機（jī）： 四球機 國內評價切削潤滑劑的潤滑性Z常用的是四球機，切削油測定PB和PD，而水基切削液按GB/T 6144規（guī）定測PB值。但是四球試驗中並（bìng）不存在金屬的塑性流動，工廠的經驗表明，PB值的高低（dī）與乳（rǔ）化液的切削性能並沒有一（yī）定的關係，有些PB值高的乳化液中皂含量往（wǎng）往比較（jiào）高，粘度大，容易堵塞（sāi）砂輪。楊文慶等人提出用PD/PB比（bǐ）值（zhí）作為評價潤滑性的指標（biāo），指出采用較高的PD值和適當偏低的PB值得切削液可以顯著減少砂輪磨損和提高磨削效率。 值得注意的是，用加（jiā）表麵活性劑提高（gāo）水基切削液的油膜強度PB值很有（yǒu）效，但是常規的含S、P、Cl極壓劑加入水基潤滑液中，提高（gāo）燒結負荷的效果都很（hěn）差（chà），可能是水（shuǐ）的存在降低了這些傳統極壓劑的效果。例如Imperial-1070母液的（de）PB值（zhí）為85Kg，PD值高達620Kg，稀釋為5%乳化液時（shí），PB值隻下降了（le）5Kg，為80Kg，而PD值僅為160Kg，與水的燒結負荷(100－126Kg)相差不大（dà），要有效地提高切削液的PD值還得靠納米技術。納米粘土就可以使水的PD值提高2級。加入1%40～60nm油酸修飾的TiO2微粒，再用茶皂素為表麵活性（xìng）劑將其均勻分（fèn）散到水中，PD值高達4400N。 攻絲扭矩試驗機 除（chú）了四球機外，評價切削液潤滑性用的Z多的是攻絲扭（niǔ）矩試驗（yàn）機，可直接測出攻（gōng）絲扭矩，算出攻絲效率，它還能做（zuò）擠壓試驗，用於模擬拉拔和軋製。 改型Timken試驗機和Falex試驗機 采用電鍍等方法改變Timken環塊試驗（yàn）機（jī）的環或Falex銷塊（kuài）試（shì）驗機的銷的摩擦麵的材質，用來評價潤滑劑和添加劑的研磨材（cái）料。其（qí）中一種（zhǒng）形式如圖3所示。 3.金屬（shǔ）塑（sù）性成型加工潤（rùn）滑劑 3.1衝壓拉深工藝用潤滑劑 衝壓（yā）拉深是機（jī）械（xiè）製造中的一類（lèi）塑性變形（xíng）加工工藝。由於晶格的滑移以及劇烈（liè）的（de）摩擦產生（shēng）大量的熱量，難以通過模具（jù）在（zài）短時間內（nèi）擴散出去。如果沒有很好解決衝壓和拉深過程中的潤滑問題，當摩擦（cā）力達到一（yī）定（dìng）程度，工件將被拉破而（ér）報（bào）廢，不（bú）但直接影響產品的質量（liàng），而且影響模具的壽命（mìng）。許多大型精（jīng）密的模具靠進口（kǒu），價值可達幾百萬美元，會造成很大的損失（shī）。 衝壓加工中所需潤滑的部位是模（mó）具和被（bèi）加工板材實際相互摩擦的界麵（miàn）。在衝壓（yā）加工中（zhōng），整個摩擦麵很難形成連續的流體潤滑膜，存（cún）在（zài）著邊界（jiè）潤滑和幹（gàn）摩擦。目前，我（wǒ）國衝壓（yā）油質量不過關，導致衝壓零件起皺和大量報廢，廢品率達到7～10%。此外，很多精密的模具都（dōu）靠進口，每台高達幾百萬美元，考慮（lǜ）模具的（de）修理和報廢方麵的損失比用（yòng）油（yóu）成本要大的多（duō），許多廠家寧可采用進（jìn）口（kǒu）衝壓（yā）油。 3.2冷擠壓工藝潤（rùn）滑劑 冷擠壓是（shì）在不引起坯料再結晶軟化的溫度下，靠擠壓（yā）力進行塑性（xìng）變形的一種加（jiā）工工藝，其特點是變形抗力大，模具溫度高(300℃)，以前多采用磷化工藝，在鋼材表麵生成固體磷酸鹽薄膜，但成膜慢，不適合快速加（jiā）工，采用固體潤滑劑加高（gāo）分子聚合物的單體的潤滑劑效果較好。 3.3壓鑄工藝潤滑（huá）劑 要求模具潤滑劑有好的高溫潤（rùn）滑（huá）性和黏（nián）附性（xìng），優（yōu）異的潤（rùn）滑性，和散熱性（xìng），趨勢是發展非石墨型的聚合物型的（de）水基（jī）潤滑劑。 3.4 拉拔（bá）工藝潤（rùn）滑劑 大量的棒材，絲材和管材是（shì）采用拉拔工藝生（shēng）產的，而摩擦是在拉（lā）拔工藝中起著關鍵（jiàn）性的作用。拉拔與軋製不同，並不需要摩擦力，希望潤滑劑能使拉拔的摩擦磨損減到Z小。可以采用油基和水基潤滑劑，選（xuǎn）擇的依據是摩（mó）擦學（xué）特性和冷卻能力。在拉拔中常遇到（dào）的（de）是混合潤滑狀態（tài），但是高（gāo）速拉拔加上拉拔過程的接觸幾何條件合適，也有可能形成塑性流體潤滑（huá）(plastic hydrodynamic lubrication)。流體潤滑是拉拔中Z為理（lǐ）想的潤滑（huá）狀態，能大大降低摩擦係數，摩（mó）擦表（biǎo）麵溫度（dù），不發生磨損和粘結（jié）損傷，大大提高模具壽命和製品的表麵（miàn）質量。拉拔要求潤滑（huá）劑有好的黏附性，耐溫，耐壓性，能形成（chéng）穩定的（de）潤滑膜（mó），對線材、絲材和模具起冷卻（què）和潤滑作用，拉拔後潤滑膜易於清除。 3.5軋製潤滑劑 軋製過程（chéng）中，在旋轉的軋輥的壓力下軋體產生塑性（xìng）變形，形（xíng）狀改變（biàn），長（zhǎng）度延伸，寬度增加，軋製可加工鋼、銅（tóng）、鋁、鋅及其合金。生產棒材、管材、中厚板、薄板及箔（bó）材等。以前隻有冷（lěng）軋能生產小而薄的軋體，但（dàn）冷軋能耗大，近年來隨著熱軋工藝（yì）潤（rùn）滑的快速發展，熱軋生產合格的1－2mm薄鋼帶也成為可能，熱軋用油省(0.5%油 + 99.5%水混噴)幾乎無汙染，可以降低電耗，代替冷軋是鋼廠節能（néng）和環保的新技術。上世紀末以來，寶鋼、鞍鋼已經引進1780熱軋連軋機生（shēng）產線，其它鋼廠也紛紛效（xiào）仿，準備引進（jìn）熱軋生（shēng）產線或（huò）者改冷軋為熱軋。熱軋油（yóu）有廣闊的市場前景。目前國內（nèi）熱軋油市場基（jī）本上被國外公司占領，為參與（yǔ）市場（chǎng）競爭，我院（yuàn）與鞍山海（hǎi）華油脂公司合（hé）作研製鞍鋼熱軋帶（dài）鋼廠1780熱連軋機組專用熱軋油，目前正（zhèng）處於工業試驗階段。 3.5.1熱軋（zhá）油的嚴酷工況： 高溫，接觸軋材（cái）的輥的瞬間溫（wēn）度（dù）可（kě）達到500～600℃。 高壓，熱（rè）軋時金屬所受的單位壓力達到0.03－0.1Gpa(300～1000atm) 高剪切，油膜的剪切率與（yǔ）軋（zhá）製速度有關，Z高軋（zhá）製速度（dù）可達20m/s. 在高溫高壓下金屬產生塑性變形，不斷生成新的接觸（chù）麵而改（gǎi）變接觸條件，給潤（rùn）滑增加了困（kùn）難。 熱軋油（yóu）在極稀濃度下工（gōng）作（zuò），0.5%熱軋油與99.5%水在靜態（tài）混合器混合後噴向工作輥，再經冷卻水衝刷，熱軋油的（de）實際工作濃度可（kě）能隻有0.01%或者更低，因此對熱軋油本身的潤滑（huá）性能要求非常高，否則起不到減摩和抗磨作用（yòng）。 3.5.2對熱軋（zhá）油的要求 較高的高溫粘度，好的粘附性和離水展（zhǎn）著性。 部分隔離或減少軋輥與水的直（zhí）接接觸，減少黑皮的產生及由此（cǐ）引起的磨粒磨損。 有適中的摩擦係數，既要減少軋製力，又要防止（zhǐ）打滑。 好的流動性和擴（kuò）散性，防止軋輥局部磨（mó）損。 較好的熱分解（jiě）穩定性，進（jìn）入變形（xíng）區前不至於燃燒和變質，燃燒後灰份可減少（shǎo）打滑機（jī）會。 無毒，氣（qì）味小，符合環保要求，不損害工人健康。日益嚴格的環保要求也是對金工油Z大的挑戰之一。 好（hǎo）的貯存安定性，不會產生沉澱而堵（dǔ）塞噴嘴和管線（xiàn）。 3.5.3熱軋中的磨（mó）損 粘著磨損、磨粒磨損、化學（xué）磨損和腐蝕磨損（sǔn）以及疲勞磨損四大磨損類型同時存在於熱軋中（zhōng），情（qíng）況十分複雜。 3.5.4軋輥材質的影（yǐng）響 軋輥的材質複雜，有半鋼輥，高鉻鋼輥，Ni－Cr鋼輥以及高速鋼輥四種，對用油也有不同的要求，開發（fā）適應性廣，性能優越，品（pǐn）種單一的熱軋油將給用（yòng）戶帶來很大的（de）方便。為減少高溫下形成的黑皮（pí）(Fe3O4＋Fe2O3混合（hé）物)對軋（zhá）輥磨損的影響，目前有（yǒu）用高速鋼代（dài）替其它鋼（gāng）種製備軋輥的趨勢。高速鋼軋輥對潤滑劑不敏感，今後應加強高速鋼軋輥的潤滑問題的研（yán）究。 4.結論 隨著我國經濟的騰飛，金屬加（jiā）工用油市場越來越廣泛。金屬加（jiā）工（gōng）用油具（jù）有數量少，品種多（duō），附加值高（gāo）的特點。國外公司（sī）難（nán）以全麵占領我國市（shì）場，應（yīng）加緊金工用油的開發，參與競爭。 金屬（shǔ）加（jiā）工用油的工況十分複雜，但解決摩擦磨損（sǔn）問題是研發中必須解（jiě）決的關鍵問題。環保問題也是在配方研究（jiū）中必須認真考慮的問題。 加深對切削、衝（chōng）壓、拉拔、擠壓、壓鑄和軋製（zhì）幾大類加工中的遇（yù）到（dào）的共同和不同的摩擦磨損（sǔn）問題的研究，是研發金工用油的必要（yào）的基礎工作。 重點開發金工用（yòng）油中數量較（jiào）大（dà）的品（pǐn）種，能取得較好的經濟效益。 發展金工用油配套的添加劑（jì）係列，包括極（jí）壓抗磨劑，油性劑，抗氧劑，防鏽劑，乳化劑，破乳劑，消泡劑，殺菌劑等。除了利用現有的商品化添加劑外，還需要根據特殊工況的需要，采用新技術（shù），如納米技術，陶瓷合金表麵修複技術等，研製（zhì）新的添加劑品種。 鑒（jiàn）於金工用油（yóu）市場很複雜（zá），售後服（fú）務要求又很高，走學校、研究院、廠礦三結合，發揮各自（zì）的（de）優（yōu）勢，將推動金工用（yòng）油國產化，在競爭中處於有利地位。