Смазочно-охлаждающая жидкость Российский патент 2023 года по МПК C10M173/02 C10M125/20 C10M125/24 C10M125/26 C10M133/08 C10M137/12 C10N30/12 C10N40/20 C01B35/12 C07F9/38 

Изобретение относится к смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ), обеспечивающим технологические процессы лезвийной и абразивной обработки черных металлов в машиностроении.

Из уровня техники известны СОЖ, представляющие собой водные растворы, основой которых являются борат моноэтаноламина и глицероборат (Илларионов И. Е., Садетдинов Ш. В., Жирков Е. Н. Смазочно-охлаждающая жидкость BORAT для механической обработки металлов / Черные металлы. - 2019. - № 10. - С. 22-27).

Известна СОЖ для обработки металлов резанием, содержащая следующие компоненты: олеиновую кислоту, боратдиэтаноламина, гидроксид калия, алкилполиоксиэтиленфосфат и воду (Патент на изобретение RU 2415177. Смазочно-охлаждающая жидкость / Басов Д. В., Никитин А. И., Садетдинов Ш. В., опубл. 27.03.2011. Заявка № 2009111015/04 от 26.03.2009),

Однако указанные СОЖ не удовлетворяют требованиям по стойкости инструмента, качеству отработанной поверхности, противокоррозионной защиты оборудования и деталей.

Наиболее близкой к заявляемой СОЖ является СОЖ (Патент на изобретение RU 2399652 С2. Смазочно-охлаждающая жидкость / Садетдинов Ш. В., Никитин А. И., Федоров В. Е., опубл. 20.09.2010. Заявка № 2008108892/04 от 06.03.2008), используемая в процессах металлообработки и которая содержит следующие компоненты в г/л воды:

триполифосфат натрия 4,3-8,5 продукт сплавления монобората натрия и динатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты в соотношении 2:1 4,6-8,8 силикат натрия 2,4-8,8 триэтаноламин 20,8-30,6

Недостатками известной СОЖ являются относительно низкие показатели по стойкости режущего инструмента и качеству обработки металлов, а также недостаточные противокоррозионные свойства.

Целью заявляемого изобретения является разработка СОЖ с улучшенными эксплуатационными свойствами, позволяющими повысить стойкость режущего инструмента, улучшить качество обработки поверхности деталей и защиту от коррозии в процессе механической обработки с применением СОЖ.

Технический результат - увеличение срока службы металлорежущего инструмента, повышение качества обработки поверхности деталей и защита их от коррозии.

Технический результат достигается за счет того, что СОЖ, используемая при механической обработке металлов, содержащая триполифосфат натрия, триэтаноламин и воду, дополнительно содержит оксиэтандифосфонат тетрабората аммония состава (NH₄)₂B₄O₇⋅C₂H₈O₇P₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

триполифосфат натрия 2,8-3,4 триэтаноламин 2,4-2,8 оксиэтандифосфонат тетрабората аммония 0,4-0,8 вода остальное до 100

Приготовление заявляемой СОЖ в виде 5,6-7,0%-го водного раствора осуществляют следующим образом. Сначала готовят 70%-й водный концентрат следующих ингредиентов при их соотношении, мас.%:

триполифосфат натрия 34 триэтаноламин 28 оксиэтандифосфонат тетрабората аммония 8 вода остальное до 100

Концентрат готовят следующим образом: в воду добавляют триэтаноламин, потом добавляют триполифосфат натрия, оксиэтандифосфонат тетрабората аммония и смесь интенсивно перемешивают в течение 30-40 минут при комнатной температуре. Для приготовления СОЖ использовали триполифосфат натрия (ГОСТ 13493-86, ТОО «Казосфат»); триэтаноламин (ТУ 2423-168-00203335-2007), оксиэтандифосфонат тетрабората аммония и дистиллированную воду.

Образование соединения оксиэтандифосфонат тетрабората аммония состава (NH₄)₂B₄O₇⋅C₂H₈O₇P₂ установлено изучением системы тетраборат аммония - 1-оксиэтан-1,1-дифосфоновая кислота - вода при 25°С, экспериментальные данные по которой приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Данные по растворимости и твердым фазам в системе тетраборат аммония - 1-оксиэтан-1,1-дифосфоновая кислота - вода при 25°С Состав жидкой фазы, мас. % Твердый остаток, мас.% Твердые фазы (NH₄)₂B₄O₇ С₂Н₈О₇Р₂ (NH₄)₂B₄O₇ С₂Н₈О₇Р₂ 9,48 - 72,65 - (NH₄)₂B₄O₇⋅4H₂O 10,92 7,16 72,05 0,86 (NH₄)₂B₄O₇⋅4H₂O 12,68 24,03 71,53 0,90 (NH₄)₂B₄O₇⋅4H₂O 13,70 32,24 70,76 1,68 (NH₄)₂B₄O₇⋅4H₂O 15,70 41,22 70,06 1,84 (NH₄)₂B₄O₇⋅4H₂O 15,76 41,30 48,21 51,79 (NH₄)₂B₄O₇⋅С₂Н₈О₇Р₂ 14,12 47,51 48,18 51,76 (NH₄)₂B₄O₇⋅С₂Н₈О₇Р₂ 12,24 54,85 48,20 51,73 (NH₄)₂B₄O₇⋅С₂Н₈О₇Р₂ 11,78 63,56 48,25 51,77 (NH₄)₂B₄O₇⋅С₂Н₈О₇Р₂ 11,75 63,60 0,96 98,04 С₂Н₈О₇Р₂ 7,52 65,10 0,82 98,65 С₂Н₈О₇Р₂ - 70,44 - 100,00 С₂Н₈О₇Р₂

Оксиэтандифосфонат тетрабората аммония состава (NH₄)₂B₄O₇⋅C₂H₈O₇P₂ синтезируют следующим образом. В реакционную колбу емкостью 500 мл наливают 300 мл дистиллированной воды, затем добавляют 20,6 г (0,1 моль) 1-оксиэтан-1,1-дифосфоновой кислоты (ТУ 2439-363-05763441-2002 изм. 1) и 19,2 г (0,1 моль) тетрабората аммония в расчете на безводную соль (ТУ 6-09-2654-78), химическая формула (NH₄)₂B₄O₇⋅4H₂O. Смесь непрерывно перемешивают в течение 2 часов при температуре 50°С (температуру поддерживают в термостате с точностью ±0,1°С), после чего раствор переносят в кристаллизатор для изотермического испарения. Выход продукта - 38,6 г, что составляет 96,9 %. Химический анализ показал, что оксиэтандифосфонат тетрабората аммония состава (NH₄)₂B₄O₇⋅C₂H₈O₇P₂ содержит, %: С₂Н₈О₇Р₂ - 51,76; (NH₄)₂B₄O₇- 48,24. Для кристаллов синтезированного соединения определяли показатель преломления иммерсионным методом на поляризационном микроскопе МИН-8, который равен 1612; плотность равна - 1,389 г/см³; молекулярный объем - 286,54 см³/моль; удельный объем - 0,72 см³/г.

Синтезированное таким образом соединение хорошо растворимо в воде.

Для дальнейших испытаний использовали 5,6-7,0%-й водный раствор СОЖ, приготовленный путем разбавления водой ранее полученного 70%-го концентрата. Составы СОЖ приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Составы смазочно-охлаждающей жидкости Компоненты, мас.% СОЖ Прототип 1 2 3 Триполифосфат натрия 0,8 2,8 3,0 3,4 Триэтаноламин 3,0 2,4 2,6 2,8 Продукт сплавления монобората натрия и динатриевой соли этилендиаминтетрауксуснойкислоты в соотношении 2:1 0,9 - - - Силикат натрия 0,9 - - - Оксиэтандифосфонат тетрабората аммония - 0,4 0,6 0,8 Вода до 100 до 100 до 100 до 100

Испытания СОЖ, по составам табл. 2, на устойчивость к микробному поражению проводили в соответствие ГОСТ 9085-78. Основные физико-химические показатели СОЖ: стабильность эмульсии и рН определяли в соответствии с ГОСТ 6243-75, пенообразование - методом, изложенным в ТУ 38-101-147-74, запах - органолептически, цвет - визуально. Результаты испытаний по вышеуказанным свойствам соответствуют требованиям ГОСТ.

Исследование эффективности действия заявляемой СОЖ на стойкость инструмента и качество обработанной поверхности проводили путем сравнения ее с прототипом СОЖ, на операциях сверления, точения и шлифования следующих марок сталей: сталь 20, сталь 45, сталь 40Х, сталь 30ХГС, сталь 50ХН.

Сравнительные испытания СОЖ по прототипу и заявляемой на операции сверления стали проводили на станке типа 2Н125 с использованием сверла диаметром 10,8 мм из быстрорежущей стали Р6М5. Оценку проводили по крутящему моменту и по стойкости сверла до износа по задней грани, равного 0,7 мм. Подачу СОЖ в зону резания осуществляли поливом свободно падающей струей с расходом жидкости 6 л/мин.

Сравнительные испытания на операциях точения проводили на токарно-винторезном станке 16К20 с бесступенчатым приводом. Подачу СОЖ в зону резания осуществляли поливом свободно падающей струей с расходом жидкости 6 л/мин.

Оценку стойкости инструмента проводили на операции точения резцами с твердосплавными пластинами ВК6 при следующих режимах резания: скорости резания 0,16; 0,22 и 0,31 м/с при подаче 0,14 мм/об и глубине резания 0,5 мм.

Оценку стойкости режущего инструмента и качества обработанной поверхности (шероховатость) проводили на операции точения резцами с пластинами из твердых сплавов Т15К6 и КТН-16 при режиме: скорость резания 1,66 м/с, подача 0,15 мм/об, глубина резания 1 мм.

Стойкость резца при точении определяли по времени износа его задней поверхности на 0,5 мм.

Сравнительные испытания влияния на стойкость инструмента и качество обработанной поверхности (шероховатость) на операции шлифования при различных режимах работы проводили на плоскошлифовальном станке ЗГ-71. Подачу СОЖ в зону резания осуществляли высоконапорной струей при расходе жидкости 30 л/мин.

Результаты испытаний на операциях сверления и точения заявляемой СОЖ и по прототипу, их влияние на стойкость инструмента, а также на качество обработанных поверхностей, приведены в табл. 3-7.

Таблица 3 - Долговечность инструмента с применением СОЖ при различных скоростях сверления Состав СОЖ Скорость сверления, м/с Марка обрабатываемого металла Стойкость инструмента, мин 1 2 3 4 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 20 62, 76, 87 1 0,16; 0,22; 031 сталь 20 72, 83, 94 2 0,16; 0,22; 031 сталь 20 73, 84, 94 3 0,16; 0,22; 031 сталь 20 73, 84, 95 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 45 66, 74, 83 1 0,16; 0,22; 031 сталь 45 69, 81, 91 2 0,16; 0,22; 031 сталь 45 70, 82, 93 3 0,16; 0,22; 031 сталь 45 70, 83, 94 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 58, 66, 79 1 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 69, 81, 91 2 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 70, 82, 92 3 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 70, 82, 93

Продолжение таблицы 3 1 2 3 4 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 56, 65, 79 1 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 69, 81, 91 2 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 70, 82, 92 3 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 71, 82, 92 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 55, 65, 80 1 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 67, 79, 91 2 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 68, 80, 92 3 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 69, 81, 92

Таблица 4 - Крутящий момент с применением СОЖ при различных скоростях сверления Состав СОЖ Скорость сверления, м/с Марка обрабатываемого металла Крутящий момент, кг/м 1 2 3 4 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 20 0,595; 0,607; 0,648 1 0,16; 0,22; 031 сталь 20 0,501; 0,533; 0,535 2 0,16; 0,22; 031 сталь 20 0,495; 0,526; 0,529 3 0,16; 0,22; 031 сталь 20 0,495; 0,525; 0,529 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 45 0,619; 0,638; 0,649 1 0,16; 0,22; 031 сталь 45 0,537; 0,570; 0,589 2 0,16; 0,22; 031 сталь 45 0,536; 0,569; 0,586 3 0,16; 0,22; 031 сталь 45 0,520; 0,552; 0,568 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 0,576; 0,594; 0,607 1 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 0,520; 0,538; 0,548 2 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 0,510; 0,537; 0,536 3 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 0,509; 0,536; 0,535

Продолжение таблицы 4 1 2 3 4 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 0,562; 0,579; 0,585 1 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 0,494; 0,518; 0,520 2 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 0,494; 0,517; 0,519 3 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 0,492; 0,516; 0,519 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 0,560; 0,595; 0,601 1 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 0,501; 0,537; 0,542 2 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 0,500; 0,536; 0,540 3 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 0,498; 0,532; 0,535

Таблица 5 - Долговечность инструмента с применением СОЖ при различных скоростях точения Состав СОЖ Скорость точения, м/с Марка обрабатываемого металла Долговечность инструмента, мин 1 2 3 4 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 20 22,2; 28,3; 38,4 1 0,16; 0,22; 031 сталь 20 30,0; 40,6; 37,7 2 0,16; 0,22; 031 сталь 20 30,5; 40,7; 37,8 3 0,16; 0,22; 031 сталь 20 30,8; 40,9;37,9 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 45 23,2; 33,8; 37,6 1 0,16; 0,22; 031 сталь 45 30,9; 40,6; 43,6 2 0,16; 0,22; 031 сталь 45 31,0; 40,8; 43,9 3 0,16; 0,22; 031 сталь 45 31,1; 40,9; 43,9 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 27,6; 33,7; 35,2 1 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 35,8; 41,9; 50,6 2 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 35,9; 41,9; 50,7 3 0,16; 0,22; 031 сталь 40Х 36,0; 42,1; 50,8

Продолжение таблицы 5 1 2 3 4 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 32,9; 35,1; 43,3 1 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 37,8; 44,6; 50,4 2 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 38,0; 44,8; 50,5 3 0,16; 0,22; 031 сталь 30ХГС 38,1; 45,0; 50,6 Прототип 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 33,1; 38,7; 47,5 1 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 38,6; 47,8; 51,3 2 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 38,7; 47,9; 51,4 3 0,16; 0,22; 031 сталь 50ХН 38,8; 48,0; 51,5

Таблица 6 - Показатели шероховатости обработанных поверхностей с применением СОЖ Состав СОЖ Марка обрабатываемого металла Показатели шероховатости обработанных поверхностей, мкм 1 2 3 Прототип сталь 20 2,40 1 сталь 20 2,01 2 сталь 20 2,00 3 сталь 20 1,99 Прототип сталь 45 2,28 1 сталь 45 1,90 2 сталь 45 1,89 3 сталь 45 1,88 Прототип сталь 40Х 2,22 1 сталь 40Х 1,87 2 сталь 40Х 1,85 3 сталь 40Х 1,84

Продолжение таблицы 6 1 2 3 Прототип сталь 30ХГС 2,33 1 сталь 30ХГС 1,84 2 сталь 30ХГС 1,83 3 сталь 30ХГС 1,82 Прототип сталь 50ХН 2,22 1 сталь 50ХН 1,80 2 сталь 50ХН 1,78 3 сталь 50ХН 1,77

Таблица 7 - Показатели износа резцов с пластинами из твердого сплава Т15К6 и КТН-16 Состав СОЖ Применяемые резцы Марка обрабатываемого металла Показатели износа резцов, мин 1 2 3 4 Прототип Резец Т15К6 сталь 20 23,2 1 Резец Т15К6 сталь 20 32,9 2 Резец Т15К6 сталь 20 33,0 3 Резец Т15К6 сталь 20 33,0 Прототип Резец КНТ-16 сталь 20 79,3 1 Резец КНТ-16 сталь 20 90,4 2 Резец КНТ-16 сталь 20 90,6 3 Резец КНТ-16 сталь 20 90,8 Прототип Резец Т15К6 сталь 45 24,3 1 Резец Т15К6 сталь 45 32,7 2 Резец Т15К6 сталь 45 32,8 3 Резец Т15К6 сталь 45 32,9

Продолжение таблицы 7 1 2 3 4 Прототип Резец КНТ-16 сталь 45 76,0 1 Резец КНТ-16 сталь 45 85,6 2 Резец КНТ-16 сталь 45 85,8 3 Резец КНТ-16 сталь 45 85,8 Прототип Резец Т15К6 сталь 40Х 23,2 1 Резец Т15К6 сталь 40Х 29,7 2 Резец Т15К6 сталь 40Х 29,8 3 Резец Т15К6 сталь 40Х 29,8 Прототип Резец КНТ-16 сталь 40Х 74,3 1 Резец КНТ-16 сталь 40Х 86,6 2 Резец КНТ-16 сталь 40Х 86,7 3 Резец КНТ-16 сталь 40Х 86,8 Прототип Резец Т15К6 сталь 30ХГС 25,5 1 Резец Т15К6 сталь 30ХГС 35,8 2 Резец Т15К6 сталь 30ХГС 36,0 3 Резец Т15К6 сталь 30ХГС 36,1 Прототип Резец КНТ-16 сталь 30ХГС 42,1 1 Резец КНТ-16 сталь 30ХГС 72,8 2 Резец КНТ-16 сталь 30ХГС 72,9 3 Резец КНТ-16 сталь 30ХГС 73,0 Прототип Резец Т15К6 сталь 50ХН 21,3 1 Резец Т15К6 сталь 50ХН 28,6 2 Резец Т15К6 сталь 50ХН 28,6 3 Резец Т15К6 сталь 50ХН 28,7 Прототип Резец КНТ-16 сталь 50ХН 45,1 1 Резец КНТ-16 сталь 50ХН 63,4 2 Резец КНТ-16 сталь 50ХН 63,8 3 Резец КНТ-16 сталь 50ХН 64,0

Экспериментальные данные табл. 3, 5 и 7 показывают увеличение срока службы обрабатывающего инструмента, табл. 4 показывает уменьшение крутящего момента, а табл. 6 иллюстрирует уменьшение шероховатости обработанных поверхностей различных материалов при разных режимах с использованием заявляемой СОЖ по сравнению с прототипом. Приведенные данные свидетельствуют о том, что заявляемая СОЖ в сравнении с прототипом обладает улучшенными эксплуатационными свойствами.

Исследования прототипа и заявляемой в качестве изобретения СОЖ по влиянию на противокоррозионную устойчивость углеродистой стали проводили гравиметрическим методом. Образцы из стали 3 размером 120×10×1 мм из одной партии шлифовали наждачной бумагой различной зернистости, полировали на сукне до полного удаления рисок, остающихся от шлифования. Продукты коррозии с поверхности образцов удаляли в ингибированной кислоте (18% HCl + 0,5% КИ-1).

Испытания полностью погруженных шлифованных и обезжиренных образцов проводили в стеклянных сосудах при соотношении объема раствора к поверхности металла 18-20 мл/см². Коррозионной средой являлись растворы заявляемой СОЖ и прототипа, в качестве контроля использовали водопроводную воду. Время выдержки образцов в коррозионных средах составлял 30 суток.

Эффективность действия ингибиторов оценивали по потере массы образцов в исследуемых средах. Скорость коррозии (K) вычисляли по убыли массы образцов, отнесенной к единице поверхности за единицу времени по формуле:

,

где m₀ и m - масса образца до и после опыта, соответственно, г;

S - площадь образца, м²;

t - время проведения опыта, ч.

Ингибиторный эффект (коэффициент торможения), который показывает, во сколько раз ингибитор замедляет скорость коррозии, вычисляли по формуле:

,

где K и K₀ - скорость коррозии в присутствии ингибитора и без него, соответственно.

Степень защиты, характеризующая полноту подавления коррозии определяли в %:

⋅100%.

Результаты противокоррозионных испытаний представлены в табл. 8.

Таблица 8 - Результаты противокоррозионных испытаний СОЖ Состав СОЖ K⋅10^-3, г/м²⋅ч γ Z,% Прототип 5,42 12,2 91,8 1 1,06 62,4 98,4 2 1,00 66,2 98,5 3 0,95 69,7 98,6 Водопроводная вода (контроль) 66,18 1,0 0

Из данных табл. 8 видно, что заявляемая СОЖ обладает более высокими показателями ингибирования коррозии стали.

Таким образом, заявляемая СОЖ позволяет повысить стойкость режущего инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности и повысить противокоррозионные свойства по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ), обеспечивающим технологические процессы лезвийной и абразивной обработки черных металлов в машиностроении. СОЖ, используемая при механической обработке металлов, содержит триполифосфат натрия, триэтаноламин, оксиэтандифосфонат тетрабората аммония состава (NH₄)₂B₄O₇·C₂H₈O₇P₂ и воду. Изобретение позволяет увеличить срок службы металлорежущего инструмента, повысить качество обработки поверхности деталей и защиту их от коррозии. 8 табл.

Смазочно-охлаждающая жидкость, используемая при механической обработке металлов, содержащая триполифосфат натрия, триэтаноламин и воду, дополнительно содержит оксиэтандифосфонат тетрабората аммония состава (NH₄)₂B₄O₇·C₂H₈O₇P₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Триполифосфат натрия 2,8-3,4 Триэтаноламин 2,4-2,8 Оксиэтандифосфонат тетрабората аммония 0,4-0,8 Вода остальное до 100