Analysis of the powdered plunger lubricants for die cas

　　廣州市鑫煜鑄造設備材料制造有限公司 董事長

　　蘇州壓鑄協會 副理事長 修毓平

　　北美壓鑄協會 NADCA 加拿大會員

　　1992年美國和日本先后公布了沖頭潤滑顆粒珠的發明專利，1996年1-2月在北美《Die Casting Engineer》期刊上首次發表了一篇由工學博士THOMAS H. CAMEL 和 HAROLD G. MUNSON撰寫的系統評價沖頭潤滑顆粒珠的論文，題目為“POWDERED PLUNGER LUBRICANTS FOR DIE CASTING”。他們通過實驗檢測和現場試用(選用的是2200T的Buhler機和600T的UBE機，壓射沖頭和料管的材料組合為鈹青銅/鋼)，得出結論，認為使用沖頭珠新技術可以改進生產管理，降低廢水處理成本，減少煙霧，降低著火的風險，減少因氣孔導致的廢品，提高充型過程金屬的流動性，降低沖頭磨損，噪音與震動，減少潤滑劑的用量和成本，沒有使用方面的障礙。此后，西風東漸，使用沖頭珠的熱情在我國不斷高漲。由于國內沒有從事過這方面的研究，對新技術的熱情和偏愛使人們更愿意忽略該論文結論中的另一段忠告：“從油基潤滑劑向新型沖頭珠成功轉變的多數臨界參數是應用技術，沖頭潤滑顆粒珠的正確選用是成功的關鍵。目前許多問題還處于探索階段，要通過進一步研究以確定全部必要的工藝條件，這是必須的一步”。論文作者已經很坦率地告訴讀者，這項新技術還有許多方面尚不成熟，需要深入研究。而我們的一些廠家認為要抓住這個難逢的商機，沒有研究基礎也要上馬。那些對沖頭珠贊美的論述被完整地用在了國產沖頭珠對技術特征的描述中，千篇一律，一字未改。如今十幾個年頭過去了，沖頭珠的推廣應用并未出現一枝獨秀的局面，大家依然根據自己的經驗和條件，繼續選擇適宜自身發展的不同類型沖頭潤滑劑。據不完全統計，壓鑄企業對沖頭珠的利弊和應用前景，目前仍然是眾說紛紜，莫衷一是。由于對沖頭珠的研究國內一直未見報道，國外除專利文獻介紹外，系統研究論文也十分鮮見。為了減少對沖頭珠應用的盲目性，筆者認為有必要對其中的一些問題進行梳理，特提出個人的看法，畸輕畸重，供同行指教扶正。

　　目前，沖頭潤滑劑大致分成三大類。一類是液體潤滑劑，包括油基潤滑劑和水基潤滑劑;一類是潤滑脂，系膏狀，已較少使用;還有一類是熔體潤滑劑，它在室溫時呈固體狀態，進入料管熔融成可流動的液體狀態，即目前使用的潤滑顆粒珠。如何選擇最有效的沖頭潤滑劑?要回答這個問題其實有難度。原因有二：一是對各類沖頭潤滑劑的質量至今沒有全球認可的一致性實驗結果和評價標準。二是壓鑄廠家對沖頭潤滑劑的用量及成本更為關注。只要不產生有害煙霧，用量少，沖頭運動精確，可重復性高，即視為最有效的產品。眾所周知，壓鑄過程中的壓射力，充型速度等主要工藝參數是由壓射機構完成的。因此壓射機構特別是沖頭動作的可靠性在很大程度上影響鑄件的質量和生產效率。盡管影響壓射機構工作狀態的因素很多，但良好的沖頭潤滑對實現既定工藝(該快則快，該慢則慢)，減少停機時間，節約金屬材料，提高產品質量等方面發揮重要作用。其實理想的沖頭潤滑最基本的要求就是當沖頭在料管內反復高速運動時始終保證精確的壓射速度，同時沖頭和料管的有效使用壽命長。有時，壓鑄工作者試圖用低品質過量的潤滑劑來充滿料管與沖頭的間隙，以為這樣可以使潤滑效果更好。其實，過量的潤滑劑不僅因聚集可能導致著火，還可能被挾裹入型腔使鑄件產生氣孔和色斑。如果是真空壓鑄，還可能給真空閥的維護帶來麻煩。至于能否形成有效的潤滑薄膜則更無從考慮。筆者認為：評價沖頭潤滑劑有兩個基本的衡量標準：一是要認清它是如何影響你的生產工藝?二是要認清它是如何影響你的壓射系統的使用壽命?如果這兩方面的答案都是正面的，對你來說就是較好的。

　　沖頭潤滑顆粒珠作為一種熔體潤滑劑，它的主要成分是蠟質材料，故也被稱為蠟丸，但這決不是一般的固體石蠟丸。看看美國某公司給出的專利生產的沖頭潤滑顆粒珠成份(%)如下：

　　其中高熔點蠟是其主要成分，目前能擔此重任的最佳選擇是聚乙烯蠟類，這是一類高質且高價格的熱塑性高分子潤滑材料，特點是受熱后軟化熔融，冷卻后再恢復，反復多次而化學結構基本不變。由于熔點比一般的固體石蠟，硬蠟及微晶蠟要高，因此在鋁合金壓鑄工藝要求料管溫度至少需要160ºC的條件下，能保證被熔化的蠟丸至少有40%粘附在沖頭和料管表面形成潤滑膜。據該公司宣稱，所列舉的三例效果均好.其體積用量約是油基或水基沖頭油的1/6，同時可防止鋁液粘附在料管上。其公布的市場價格約合RMB35-45/KG。至于不含石墨的乳白色蠟丸，其效果同樣較好，但因高熔點蠟的比例更高，因此市場價格更高些。然而令人不解的是國內目前出售的自產沖頭珠價格很低，甚至有些只賣RMB11/KG左右。但是對其性能的介紹，一點不輸給高端產品。究其原因，無非是大量采用廉價的低熔點蠟或回收的混合蠟，同時添加過量的低價無機粉狀潤滑劑，如滑石粉等。這樣組成的蠟丸能作為沖頭潤滑劑使用嗎?從科學的立場上分析，答案當然是否定的。因為它不可能在高溫高速的沖頭工作環境下實現有效潤滑，相反劣質蠟丸形成的煙霧成為對人體和環境的無形殺手，其大量殘存的無機粉料和部分煙氣隨鋁合金液卷入型腔，造成鑄件內部和表面缺陷。這種形似而實不至的偽蠟丸是商業利益強奸科學的怪胎，與我國向現代化壓鑄業發展的局面很不協調。應該引起同業界的重視。

　　從潤滑理論分析，金屬材料相互接觸并產生滑動時，主要潤滑狀態被劃分為三類：即厚膜潤滑或流體動力潤滑區;薄膜潤滑或彈性流體潤滑區;和邊界潤滑或極壓潤滑區。一區的特征是摩擦面被連續潤滑油膜隔開，油膜厚度遠大于兩表面粗糙度之和，摩擦阻力由潤滑油的內摩擦所決定。二區的特征是因接觸壓力變大或潤滑劑粘度和滑動速度下降，使油膜變薄，出現摩擦阻力由油膜的剪切和表面微突體的相互作用決定。三區的特征是摩擦表面靠得極近，流體動壓的作用和潤滑油的整體流變性能已無足輕重，起主要作用的是邊界潤滑劑薄層的特性與固體表面之間的相互作用。

　　壓鑄沖頭在料管內的相對運動表面間隙一般在0.051-0.127mm之間，且正常工況下接觸壓力很小，油模完全可以將兩個表面隔離，油膜厚度約為表面粗糙度的10倍，因此是處于厚膜潤滑即流體動力潤滑區。如果沖頭和料管都很直且平行，那么兩摩擦表面不直接接觸，產生的摩擦為潤滑劑分子間的內摩擦，摩擦系數很小，通常為0.001-0.02，從而減低了磨損，改變了摩擦的性質。這種厚膜潤滑的流體完全符合雷諾方程，相對運動速度快。潤滑膜的厚度取決于接觸壓力，潤滑劑的粘度，接觸表面的溫度和相對滑動的速度等因素。接觸壓力越大，潤滑劑膜越薄;潤滑劑粘度越大，潤滑劑膜在相同接觸壓力下不易被擠出，膜就比較厚;接觸面溫度高，潤滑劑粘度變小，容易被擠出，膜也較薄。相對滑動速度高，潤滑劑內部壓力升高，可以使潤滑劑保持比較厚的膜。目前使用的典型沖頭油是以礦物油為基，礦物油為非極性烴類有機化合物(CnH2n+1)，當與沖頭和料管表面接觸時，由于本身沒有永久偶極，只是依靠分子內部電子與原子核的不對稱運動而產生的瞬間偶性與金屬相吸引，粘附在金屬表面，形成潤滑油膜，因此對金屬表面的吸附力及其分子本身的內聚力都很弱，膜的強度很低，潤滑性能很差。通常在沖頭油中要添加各種活性劑，極壓劑，防氧化劑，油性劑，粘度改進劑以及含有氧元素的極性有機化合物如脂肪酸鈉皂，酸類(R-O-H)等。此時形成的物理吸附膜的強度和潤滑性能大大高于非極性分子的物理吸附。在高溫時，潤滑油中的極性添加劑可以與金屬表面發生化學反應，出現化學吸附。而化學吸附膜比物理吸附膜的熱穩定性好，膜的厚度可以很大，具有較高的熔點和低的剪切強度，且形成的吸附膜是不可逆的。優質的沖頭油之所以被壓鑄業廣泛使用，正是因為它加入了一些適合在高負荷，高滑速和高溫的條件下工作的添加劑。優質蠟丸中同樣要考慮添加一定數量的高價位活性劑，才能適應沖頭潤滑的需要。這是低價位劣質蠟丸根本不可能做到的。此外，抗污染性是反映工藝潤滑劑不使產品臟化的能力。由于潤滑劑中的機械雜質，酸堿含量，硫含量，灰分及碳殘留，添加劑等，都有可能被卷入型腔，導致鑄件表面污染斑，油跡斑，腐蝕斑等。一般優質沖頭油基礎油的灰分不大于0.01%, 而蠟丸中的各種蠟質原料其灰分至少在0.1-0.5%，加之蠟丸加工工藝決定了其中無機潤滑材料的分散不可能非常均勻，其在料管內的殘留和污染也是不容忽視的。

　　評價潤滑劑的物理性能指標很多，目前主要有密度，針入度，滴點，閃點，著火點，傾點，凝點，水分，沉淀物，機械雜質和黏度等。化學性能指標主要有酸值，堿值，中和值，碘值，硫氰值，皂化值，酯化值，含皂量，使用后的殘碳，灰分和焦值，抗污染性，氧化度，過氧值，羥基值，羥值，乙酰值和蒸發度，防銹性和防腐蝕性，耐熱安定性，抗氧化安定性等。圍繞上述評價指標針對油基和水基沖頭油的系統研究已持續了多年，至今還在不斷改進和完善。例如對耐熱穩定性的研究，它集中體現了潤滑劑對熱分解或熱疊合的抵抗性能，是壓鑄沖頭潤滑的重要使用性能指標。熱穩定性很難用添加劑改善，主要取決于潤滑劑分子結構。如合成潤滑油的耐熱性就好，超高度精制的石蠟基油與環烷基油的熱分解溫度均達到了343-371ºC，可以很好地滿足沖頭潤滑的要求。而針對沖頭潤滑顆粒珠的系統研究工作尚處在起步階段，如蠟丸的潤滑機理，熱穩定性都是使用者關注的焦點。期待著專業人士在該領域的研究與創新，更希望壓鑄同仁以穩健的科學精神，選好和用好沖頭潤滑顆粒珠這項新技術。

　　(本文經東南大學吳炳堯教授和加拿大多倫多市政府資深技術顧問連豹博士審閱并對專業知識進行了必要的補充和刪改)