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一种水基纳米润滑剂及其制备方法
    【技术领域】

    本发明涉及一种金属加工领域的润滑剂，特别是涉及一种水基纳米润滑剂及其制备方法。

    背景技术

    在使金属发生转变或变形的各种操作，例如轧制、拉拔或切削中必须使用润滑剂。使用润滑剂可以显著地降低操作期间因摩擦系数迅速增加而导致的工具表面的磨损。

    润滑剂主要分为油基润滑剂和水基润滑剂。目前广泛采用的矿物油基润滑剂产品存在生物降解性差、容易污染环境等缺点，因此开发高性能水基润滑剂是当前润滑剂研究领域的主要发展方向之一。

    水基润滑剂有以下优点：①在极限条件下因为水有较强的热传导能力而能够迅速冷却金属表面，解决了油基润滑剂所遇到的关于散热的不利之处；②难燃、安全，适合在易燃易爆的环境使用；③成本低，其价格约为矿物油的十分之一，磷酸酯合成液的七十分之一。由于具有以上诸多优点，使得水基润滑剂广泛应用于冶金、矿山、塑料等工业领域，以及作为切削、研磨、压延、冲压、拉拔等金属加工中的润滑冷却剂。

    但是，由于水基润滑剂的主体是水，而水的粘度低、成膜性差、承载能力低，因而摩擦、磨损严重，这些因素局限了水基润滑剂的使用。解决水基润滑剂润滑性差的难题方法之一就是要添加润滑添加剂。

    【发明内容】

    本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种原料成本低廉易得、工艺简单、承载性高、减摩性好的水基纳米润滑剂及其制备方法。

    一种水基纳米润滑剂，由以下重量百分比的成分配制而成：

    多元醇酯      10.0‑20.0    叔胺季铵盐    2.0‑10.0

    烷基磷酸酯    0.5‑3.0      纳米填料      0.05‑1.0

    马来酸酐      0.1          水        余量，

    所述的纳米填料为纳米二氧化钛微球或核壳结构SiO₂/TiO₂复合微球，

    所述的多元醇酯是水溶性脂肪醇酯和水性聚醚加水配制而成，水溶性脂肪醇酯和水性聚醚的质量比为2∶3，多元醇酯水溶液的质量百分比浓度为30％‑40％。

    一种水基纳米润滑剂的制备方法，具体步骤如下：

    1)用常温水搅拌溶解重量百分比为0.1的马来酸酐，

    2)升温至40±5℃，边搅拌边加入重量百分比为10.0‑20.0的多元醇酯，完全溶解，即无颗粒和絮状物后加入百分比为0.5‑3.0的烷基磷酸酯，加水至足量，待完全溶解后，再加入百分比为2.0‑10.0的叔胺季铵盐，继续搅拌下，再加入百分比为0.05‑1.0的纳米填料，搅拌均匀，当所有成份溶解充分，即颗粒和絮状物溶解充分后，过滤得产品。

    本发明的润滑剂按金属的粘着摩擦原理，摩擦系数正比于界面的临界剪切应力，反比于基体材料的屈服强度的理论研制的。润滑剂以纳米二氧化钛微球或核壳结构SiO₂/TiO₂复合微球和多元醇酯为主要成分，纳米填料由于粒径小、活性高，可望在摩擦微区填充、吸附，阻止摩擦副表面的直接接触，减少过度摩擦、提高承载能力，可以解决水基润滑剂润滑性能差的问题。本润滑剂在不改变金属基体材料强度的条件下，一方面可以通过渗碳、渗氮、激光表面改性来强化钢的基体；另一方面可以通过形成一层自润滑涂层来降低界面的临界剪切应力。

    本发明具有无污染、效率高、工件无腐蚀等优点。本润滑剂适合用作切削、磨削等金属加工领域。

    【具体实施方式】

    本发明由纳米填料、多元醇酯、烷基磷酸酯、叔胺季铵盐和经过水解聚马来酸酐软化后的水组成。纳米二氧化钛微球的平均粒径为20‑800纳米。核壳结构SiO₂/TiO₂复合微球的平均粒径为0.2‑800纳米。多元醇酯的质量百分比浓度为30％‑40％。

    制备方法是，先用常温水溶解马来酸酐，再加入多元醇酯，溶解加入烷基磷酸酯，完全溶解后，再加入叔胺季铵盐、纳米填料，搅拌均匀，当所有成份溶解充分，即颗粒和絮状物溶解充分后，过滤得产品。

    下面，结合实施例对本发明进行更详细说明。

    本发明的润滑剂配方实施例和比较例1的重量百分组成(％)见表1

    表1

    

    表中的纳米二氧化钛微球、核壳结构SiO₂/TiO₂复合微球的平均粒径的单位为纳米。比较例是按本发明配方的无纳米填料的水基润滑剂，用它主要是要比较有、无纳米填料对润滑剂性能的影响。

    无纳米填料的水基润滑剂实施例1‑10的制备方法是，在反应釜中加水，在机械搅拌下，按配方加入马来酸酐，继续搅拌，升温至40±5℃，依次按配方加入多元醇酯、烷基磷酸酯、叔胺季铵盐，当其完全溶解，即无颗粒和絮状物后加入纳米填料，搅拌均匀，当所有成份溶解充分，即颗粒和絮状物溶解充分后，过滤、分装得产品。比较例除不加纳米填料外，其制备方法如实施例1‑10的制备方法。

    本申请人采用四球摩擦试验机对实施例1‑10和比较例的水基纳米润滑剂进行测试，测试指标为最大无卡咬负荷(P_B值)及磨斑直径(D₃₀⁴⁰)。P_B，测试按照GB3142‑82。试验条件：主轴转速1450r/min，试验温度20℃。试验用钢球材料为GCr15，硬度为HRC64‑66。磨斑直径测试采用载荷为40Kg，时间为30min。

    各实施例和比较例的最大无卡咬负荷(P_B值)及磨斑直径(D₃₀⁴⁰)见表2。

    表2

    

    由上述试验结果可以看出，实施例1‑10采用纳米二氧化钛微球或者核壳结构纳米二氧化钛/二氧化硅复合微球制备的高性能水基纳米润滑剂可以有效地提高润滑剂的承载能力，P _B值最大可达102kg。纳米粒子的重量百分比和纳米粒子的平均粒径对润滑性有明显的影响，以重量百分比为0.2％、平均粒径90nm时磨斑最小。而未加入纳米填料的水基润滑剂的承载能力较低。