Analysis of the powdered plunger lubricants for die cas

　　廣州市鑫煜鑄造設(shè)備材料制造有限公司 董事長

　　蘇州壓鑄協(xié)會 副理事長 修毓平

　　北美壓鑄協(xié)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(fā)明專利，1996年1-2月在北美《Die Casting Engineer》期刊上首次發(fā)表了一篇由工學(xué)博士THOMAS H. CAMEL 和 HAROLD G. MUNSON撰寫的系統(tǒng)評價(jià)沖頭潤滑顆粒珠的論文，題目為“POWDERED PLUNGER LUBRICANTS FOR DIE CASTING”。他們通過實(shí)驗(yàn)檢測和現(xiàn)場試用(選用的是2200T的Buhler機(jī)和600T的UBE機(jī)，壓射沖頭和料管的材料組合為鈹青銅/鋼)，得出結(jié)論，認(rèn)為使用沖頭珠新技術(shù)可以改進(jìn)生產(chǎn)管理，降低廢水處理成本，減少煙霧，降低著火的風(fēng)險(xiǎn)，減少因氣孔導(dǎo)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(fēng)東漸，使用沖頭珠的熱情在我國不斷高漲。由于國內(nèi)沒有從事過這方面的研究，對新技術(shù)的熱情和偏愛使人們更愿意忽略該論文結(jié)論中的另一段忠告：“從油基潤滑劑向新型沖頭珠成功轉(zhuǎn)變的多數(shù)臨界參數(shù)是應(yīng)用技術(shù)，沖頭潤滑顆粒珠的正確選用是成功的關(guān)鍵。目前許多問題還處于探索階段，要通過進(jìn)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(jīng)很坦率地告訴讀者，這項(xiàng)新技術(shù)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(rèn)為要抓住這個(gè)難逢的商機(jī)，沒有研究基礎(chǔ)也要上馬。那些對沖頭珠贊美的論述被完整地用在了國產(chǎn)沖頭珠對技術(shù)特征的描述中，千篇一律，一字未改。如今十幾個(gè)年頭過去了，沖頭珠的推廣應(yīng)用并未出現(xiàn)一枝獨(dú)秀的局面，大家依然根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和條件，繼續(xù)選擇適宜自身發(fā)展的不同類型沖頭潤滑劑。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，壓鑄企業(yè)對沖頭珠的利弊和應(yīng)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(nèi)一直未見報(bào)道，國外除專利文獻(xiàn)介紹外，系統(tǒng)研究論文也十分鮮見。為了減少對沖頭珠應(yīng)用的盲目性，筆者認(rèn)為有必要對其中的一些問題進(jìn)行梳理，特提出個(gè)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(shí)呈固體狀態(tài)，進(jìn)入料管熔融成可流動的液體狀態(tài)，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(gè)問題其實(shí)有難度。原因有二：一是對各類沖頭潤滑劑的質(zhì)量至今沒有全球認(rèn)可的一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。二是壓鑄廠家對沖頭潤滑劑的用量及成本更為關(guān)注。只要不產(chǎn)生有害煙霧，用量少，沖頭運(yùn)動精確，可重復(fù)性高，即視為最有效的產(chǎn)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(shù)是由壓射機(jī)構(gòu)完成的。因此壓射機(jī)構(gòu)特別是沖頭動作的可靠性在很大程度上影響鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。盡管影響壓射機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)的因素很多，但良好的沖頭潤滑對實(shí)現(xiàn)既定工藝(該快則快，該慢則慢)，減少停機(jī)時(shí)間，節(jié)約金屬材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮重要作用。其實(shí)理想的沖頭潤滑最基本的要求就是當(dāng)沖頭在料管內(nèi)反復(fù)高速運(yùn)動時(shí)始終保證精確的壓射速度，同時(shí)沖頭和料管的有效使用壽命長。有時(shí)，壓鑄工作者試圖用低品質(zhì)過量的潤滑劑來充滿料管與沖頭的間隙，以為這樣可以使?jié)櫥Ч谩Ｆ鋵?shí)，過量的潤滑劑不僅因聚集可能導(dǎo)致著火，還可能被挾裹入型腔使鑄件產(chǎn)生氣孔和色斑。如果是真空壓鑄，還可能給真空閥的維護(hù)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(rèn)為：評價(jià)沖頭潤滑劑有兩個(gè)基本的衡量標(biāo)準(zhǔn)：一是要認(rèn)清它是如何影響你的生產(chǎn)工藝?二是要認(rèn)清它是如何影響你的壓射系統(tǒng)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(zhì)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(chǎn)的沖頭潤滑顆粒珠成份(%)如下：

　　其中高熔點(diǎn)蠟是其主要成分，目前能擔(dān)此重任的最佳選擇是聚乙烯蠟類，這是一類高質(zhì)且高價(jià)格的熱塑性高分子潤滑材料，特點(diǎn)是受熱后軟化熔融，冷卻后再恢復(fù)，反復(fù)多次而化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。由于熔點(diǎn)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(jù)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(shí)可防止鋁液粘附在料管上。其公布的市場價(jià)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(diǎn)蠟的比例更高，因此市場價(jià)格更高些。然而令人不解的是國內(nèi)目前出售的自產(chǎn)沖頭珠價(jià)格很低，甚至有些只賣RMB11/KG左右。但是對其性能的介紹，一點(diǎn)不輸給高端產(chǎn)品。究其原因，無非是大量采用廉價(jià)的低熔點(diǎn)蠟或回收的混合蠟，同時(shí)添加過量的低價(jià)無機(jī)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(xué)的立場上分析，答案當(dāng)然是否定的。因?yàn)樗豢赡茉诟邷馗咚俚臎_頭工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效潤滑，相反劣質(zhì)蠟丸形成的煙霧成為對人體和環(huán)境的無形殺手，其大量殘存的無機(jī)粉料和部分煙氣隨鋁合金液卷入型腔，造成鑄件內(nèi)部和表面缺陷。這種形似而實(shí)不至的偽蠟丸是商業(yè)利益強(qiáng)奸科學(xué)的怪胎，與我國向現(xiàn)代化壓鑄業(yè)發(fā)展的局面很不協(xié)調(diào)。應(yīng)該引起同業(yè)界的重視。

　　從潤滑理論分析，金屬材料相互接觸并產(chǎn)生滑動時(shí)，主要潤滑狀態(tài)被劃分為三類：即厚膜潤滑或流體動力潤滑區(qū);薄膜潤滑或彈性流體潤滑區(qū);和邊界潤滑或極壓潤滑區(qū)。一區(qū)的特征是摩擦面被連續(xù)潤滑油膜隔開，油膜厚度遠(yuǎn)大于兩表面粗糙度之和，摩擦阻力由潤滑油的內(nèi)摩擦所決定。二區(qū)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(xiàn)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(qū)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(nèi)的相對運(yùn)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(gè)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(qū)。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(chǎn)生的摩擦為潤滑劑分子間的內(nèi)摩擦，摩擦系數(shù)很小，通常為0.001-0.02，從而減低了磨損，改變了摩擦的性質(zhì)。這種厚膜潤滑的流體完全符合雷諾方程，相對運(yùn)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(nèi)部壓力升高，可以使?jié)櫥瑒┍３直容^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(jī)化合物(CnH2n+1)，當(dāng)與沖頭和料管表面接觸時(shí)，由于本身沒有永久偶極，只是依靠分子內(nèi)部電子與原子核的不對稱運(yùn)動而產(chǎn)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(nèi)聚力都很弱，膜的強(qiáng)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(jìn)劑以及含有氧元素的極性有機(jī)化合物如脂肪酸鈉皂，酸類(R-O-H)等。此時(shí)形成的物理吸附膜的強(qiáng)度和潤滑性能大大高于非極性分子的物理吸附。在高溫時(shí)，潤滑油中的極性添加劑可以與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)化學(xué)吸附。而化學(xué)吸附膜比物理吸附膜的熱穩(wěn)定性好，膜的厚度可以很大，具有較高的熔點(diǎn)和低的剪切強(qiáng)度，且形成的吸附膜是不可逆的。優(yōu)質(zhì)的沖頭油之所以被壓鑄業(yè)廣泛使用，正是因?yàn)樗尤肓艘恍┻m合在高負(fù)荷，高滑速和高溫的條件下工作的添加劑。優(yōu)質(zhì)蠟丸中同樣要考慮添加一定數(shù)量的高價(jià)位活性劑，才能適應(yīng)沖頭潤滑的需要。這是低價(jià)位劣質(zhì)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(chǎn)品臟化的能力。由于潤滑劑中的機(jī)械雜質(zhì)，酸堿含量，硫含量，灰分及碳?xì)埩簦砑觿┑龋加锌赡鼙痪砣胄颓唬瑢?dǎo)致鑄件表面污染斑，油跡斑，腐蝕斑等。一般優(yōu)質(zhì)沖頭油基礎(chǔ)油的灰分不大于0.01%, 而蠟丸中的各種蠟質(zhì)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(jī)潤滑材料的分散不可能非常均勻，其在料管內(nèi)的殘留和污染也是不容忽視的。

　　評價(jià)潤滑劑的物理性能指標(biāo)很多，目前主要有密度，針入度，滴點(diǎn)，閃點(diǎn)，著火點(diǎn)，傾點(diǎn)，凝點(diǎn)，水分，沉淀物，機(jī)械雜質(zhì)和黏度等。化學(xué)性能指標(biāo)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?zhí)迹曳趾徒怪担刮廴拘裕趸龋^氧值，羥基值，羥值，乙酰值和蒸發(fā)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(jià)指標(biāo)針對油基和水基沖頭油的系統(tǒng)研究已持續(xù)了多年，至今還在不斷改進(jìn)和完善。例如對耐熱穩(wěn)定性的研究，它集中體現(xiàn)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(biāo)。熱穩(wěn)定性很難用添加劑改善，主要取決于潤滑劑分子結(jié)構(gòu)。如合成潤滑油的耐熱性就好，超高度精制的石蠟基油與環(huán)烷基油的熱分解溫度均達(dá)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(tǒng)研究工作尚處在起步階段，如蠟丸的潤滑機(jī)理，熱穩(wěn)定性都是使用者關(guān)注的焦點(diǎn)。期待著專業(yè)人士在該領(lǐng)域的研究與創(chuàng)新，更希望壓鑄同仁以穩(wěn)健的科學(xué)精神，選好和用好沖頭潤滑顆粒珠這項(xiàng)新技術(shù)。

　　(本文經(jīng)東南大學(xué)吳炳堯教授和加拿大多倫多市政府資深技術(shù)顧問連豹博士審閱并對專業(yè)知識進(jìn)行了必要的補(bǔ)充和刪改)