Смазочно-охлаждающие жидкости

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) — это технологические среды, применяемые при обработке металлов резанием и давлением для снижения трения, отвода тепла из зоны резания, удаления стружки и защиты обрабатываемой поверхности и инструмента от коррозии. СОЖ являются неотъемлемым компонентом большинства процессов механической обработки (точения, фрезерования, сверления, шлифования) и штамповки, обеспечивая повышение производительности, качества деталей и стойкости инструмента.

История

Первые упоминания об использовании жидкостей для охлаждения режущего инструмента относятся к античности: при обработке камня и металла применяли воду и растительные масла. Промышленное применение СОЖ началось в XIX веке с развитием металлообработки на заводах. В 1860-х годах Фредерик Тейлор в США экспериментально доказал, что обильное охлаждение водой позволяет увеличить скорость резания в 2–3 раза. В 1880-х годах стали использовать эмульсии из минеральных масел и воды.

В первой половине XX века с ростом скоростей резания и появлением легированных сталей потребовались более эффективные составы. В 1920–1930-х годах начали применять сульфированные и хлорированные масла для улучшения смазывающих свойств. В 1950-х годах появились синтетические и полусинтетические СОЖ на основе полимеров и поверхностно-активных веществ (ПАВ), что позволило снизить расход масел и улучшить экологичность. В 1970–1980-х годах были разработаны биостойкие составы, устойчивые к разложению микроорганизмами. В XXI веке акцент сместился на создание экологически безопасных, малотоксичных и высокоэффективных СОЖ, включая нано-жидкости с добавлением наночастиц.

Классификация

СОЖ классифицируют по нескольким признакам: химическому составу, способу подачи, области применения и физическому состоянию.

По химическому составу

1. Водосмешиваемые СОЖ — разбавляются водой перед использованием. Делятся на:

• Эмульсии (масляные) — содержат минеральное или растительное масло (3–10%), эмульгаторы, присадки. Образуют устойчивую эмульсию типа «масло в воде». Обеспечивают хорошее смазывание и охлаждение.
• Полусинтетические — содержат до 30% масла, а также синтетические компоненты (полимеры, ПАВ). Обладают лучшей смачиваемостью и прозрачностью, чем эмульсии.
• Синтетические — не содержат масел. Состоят из водорастворимых полимеров, ингибиторов коррозии, ПАВ. Обеспечивают наилучшее охлаждение и прозрачность, но уступают эмульсиям в смазывающих свойствах при тяжелых режимах резания.

1. Масляные СОЖ (нерастворимые в воде) — представляют собой смеси минеральных, растительных или синтетических масел с присадками. Используются в чистом виде, без разбавления. Обеспечивают максимальное смазывание и защиту от коррозии, но хуже охлаждают и могут быть пожароопасны.

1. Газообразные СОЖ — сжатый воздух, инертные газы (азот, углекислый газ), воздушно-масляные туманы. Применяются в случаях, когда жидкие СОЖ недопустимы (например, при обработке магниевых сплавов, в вакууме).

По способу подачи

• Поливом — наиболее распространенный способ, жидкость подается струей на зону резания.
• Распылением — СОЖ подается в виде аэрозоля (тумана) через форсунки, что снижает расход и улучшает проникновение в труднодоступные места.
• Через инструмент — подача через каналы внутри режущего инструмента (сверла, фрезы, резцы). Обеспечивает эффективное охлаждение режущей кромки.
• Импрегнированием — пропитка абразивного инструмента (шлифовальных кругов) СОЖ перед обработкой.

Состав и свойства

Основные компоненты СОЖ:

• Основа — вода (для водосмешиваемых) или масло (для масляных). Вода обладает высокой теплоемкостью, но низкой смазывающей способностью и вызывает коррозию. Масла обеспечивают смазывание, но хуже отводят тепло.
• Присадки — вещества, улучшающие эксплуатационные свойства:
• Противозадирные и противоизносные (содержат серу, фосфор, хлор, цинк) — образуют на поверхности трения прочные пленки, предотвращающие схватывание и износ.
• Ингибиторы коррозии (амины, нитриты, бензоаты) — защищают детали и оборудование от ржавления.
• Эмульгаторы (ПАВ) — обеспечивают образование и стабильность эмульсии.
• Биоциды — подавляют рост бактерий и грибков, предотвращая закисание и неприятный запах СОЖ.
• Антипенные присадки — снижают пенообразование, особенно при высоких скоростях подачи.
• Смачиватели — улучшают растекание жидкости по поверхности.

Ключевые свойства СОЖ:

• Охлаждающая способность — определяется теплоемкостью, теплопроводностью и испаряемостью. У воды она в 2–3 раза выше, чем у масел.
• Смазывающая способность — способность снижать трение и износ. Максимальна у масляных СОЖ с противозадирными присадками.
• Моющая способность — способность удалять стружку, абразивную пыль и продукты износа из зоны резания.
• Коррозионная активность — способность вызывать или предотвращать коррозию металлов.
• Стабильность — устойчивость к расслоению, окислению, разложению микроорганизмами.
• Экологичность — токсичность, биоразлагаемость, воздействие на кожу и дыхательные пути оператора.

Применение

СОЖ применяются в различных отраслях промышленности:

• Металлообработка — точение, фрезерование, сверление, растачивание, нарезание резьбы, шлифование, хонингование.
• Обработка давлением — штамповка, волочение, прокатка, прессование. СОЖ снижают трение, предотвращают налипание металла на инструмент и улучшают качество поверхности.
• Деревообработка — охлаждение и смазка режущего инструмента при обработке древесины и композитов.
• Стекольная и керамическая промышленность — охлаждение и смазка при резке, шлифовке и полировке.
• Электронная промышленность — охлаждение при пайке, резке полупроводниковых пластин.

Критерии выбора

Выбор СОЖ зависит от:

• Материала заготовки — для стали, чугуна, алюминия, титана, нержавеющей стали, цветных металлов требуются разные составы. Например, для алюминия используют нейтральные или слабощелочные СОЖ, для титана — высокоэффективные с противозадирными присадками.
• Типа операции — для черновой обработки (высокие нагрузки) нужны масляные или эмульсионные СОЖ, для чистовой — синтетические или полусинтетические.
• Режимов резания — скорость, подача, глубина резания. При высоких скоростях и подачах требуется интенсивное охлаждение.
• Требований к качеству поверхности — для получения высокого класса чистоты применяют СОЖ с хорошей моющей способностью и смазыванием.
• Экологических и санитарных норм — предпочтение отдается малотоксичным, биоразлагаемым составам с низким содержанием летучих органических соединений (ЛОС).
• Совместимости с оборудованием — СОЖ не должны вызывать коррозию станков, разрушать уплотнения и шланги.

Эксплуатация и утилизация

СОЖ в процессе эксплуатации подвергаются загрязнению стружкой, маслами, продуктами износа, микроорганизмами. Для поддержания свойств проводят:

• Контроль концентрации — рефрактометрическим или титриметрическим методом.
• Фильтрацию — удаление механических примесей через фильтры (сетчатые, бумажные, магнитные).
• Корректировку pH — добавление щелочных компонентов для предотвращения коррозии.
• Биоцидную обработку — добавление биоцидов для подавления микрофлоры.

Отработанные СОЖ являются опасными отходами (III–IV класс опасности). Их утилизация включает:

• Разделение на масло и воду — с помощью сепараторов, центрифуг, коагулянтов.
• Обезвреживание — нейтрализация, биологическая очистка.
• Сжигание — масляной фазы в специальных печах.
• Захоронение — на полигонах для промышленных отходов (только после предварительной обработки).

В Российской Федерации обращение с отработанными СОЖ регулируется Федеральным законом «Об отходах производства и потребления» и санитарными правилами СП 2.2.2.1327-03.

Интересные факты

• Первые эмульсии для металлообработки были запатентованы в США в 1870-х годах.
• В 1960-х годах в СССР были разработаны СОЖ на основе синтетических жирных кислот (СЖК), что позволило снизить зависимость от импортных масел.
• Современные нано-СОЖ с добавлением наночастиц (оксида алюминия, диоксида кремния, графена) могут повышать стойкость инструмента на 30–50% по сравнению с традиционными составами.
• В некоторых случаях (например, при обработке титановых сплавов) применяют криогенные СОЖ — жидкий азот или углекислоту, что позволяет полностью исключить нагрев детали.

Источники

1. Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки металлов резанием: Справочник / Под ред. В. А. Голубева. — М.: Машиностроение, 1995.
2. Смазочно-охлаждающие жидкости / В. В. Березин, В. И. Клауч, В. А. Логинов и др. — М.: Химия, 1989.
3. Технология машиностроения / Под ред. А. М. Дальского. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.
4. Смазочно-охлаждающие жидкости: состав, свойства, применение / А. А. Гуревич, Е. А. Гуревич. — М.: Спектр, 2012.
5. ГОСТ 20799-88. Масла индустриальные. Технические условия.
6. СП 2.2.2.1327-03. Гигиенические требования к организации технологических процессов, производственному оборудованию и рабочему инструменту.