BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Báo cáo tổng kết khoa học, kỹ thuật Đề tài: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA CHO DẦU GIA CÔNG KIM LOẠI Chủ nhiệm đề tài: ThS. TRẦN THẮM 7640 01/02/2010 HÀ NỘI 12 - 2009 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp Bộ, HĐ số 140.09.RD/HĐ-KHCN BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Báo cáo tổng kết khoa học, kỹ thuật Đề tài: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHỤ GIA CHO DẦU GIA CÔNG KIM LOẠI Chủ nhiệm đề tài: ThS. TRẦN THẮM Các cán bộ tham gia thực hiện đề tài: 1. Nguyễn Công Bắc- Thành viên 2. Nguyễn Thị Huyền Châu - Thành viên 3. Th.s. Nguyễn Công Long - Thành viên 4. Trần Ngọc Hương - Thành viên 5. Th.s.Phạm Thị Thúy Nga - Thành viên HÀ NỘI 12-2009 Tài liệu này được chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài cấp Bộ, HĐ số 140.09.RD/HĐ-KHCN 1 MỞ ĐẦU Hiện nay trên thế giới, dầu gia công kim loại được sử dụng rất nhiều để phục vụ cho các công việc như: Cắt, phay, mài, taro, kéo dãn dây điện, gia công thép hình Chúng được sản xuất bởi hai thành phần chính đó là dầu gốc và phụ gia. Dầu gốc thông thường chiếm 80 ÷ 90% thể tích và chủ yếu là dầu gốc khoáng, một số trường hợp đòi hỏi chất lượng cao thì dầu gốc tổng hợp được sử dụng chủ yếu trên cơ sở Glycol. Phụ gia thường chiếm tỷ lệ 10 ÷ 20% thể tích. Ở nước ta có một số cơ sở sản xuất dầu gia công kim loại nhưng chất lượng chủ yếu phục vụ cho gia công cơ khí đơn giản như phay, bào, tiện, doa còn trong các lĩnh vực sản xuất thép ống, gia công vỏ hộp, sản xuất dây đồng, nhôm thì hầu như chưa đ áp ứng được mà phải nhập của nước ngoài với giá thành cao do nguyên nhân sau: Xà phòng của Trietanolamin (TEA) với axit Olêic làm phụ gia tạo nhũ thì dầu gia công kim loại dễ bị hỏng trong quá trình sử dụng do vi sinh vật phân huỷ hợp phần hữu cơ và chỉ sử dụng được với dầu gốc parafinic. Xà phòng của TEA với Linear AlkylBenzenSulfonic Acid (LAS) làm phụ gia tạo nhũ thì thời gian sử dụng dầu gia công kim loại kéo dài hơn nhiều so với xà phòng của TEA vớ i axit olêic nhưng pH của sản phẩm cuối cùng lại là môi trường axit (pH ~6) lại không thuận lợi cho bề mặt kim loại sau gia công (dễ bị gỉ) và phụ gia này chỉ dùng với dầu gốc naphtenic. Chính vì những lý do trên mà đề tài sử dụng xà phòng hỗn hợp của TEA với axit olêic và LAS làm phụ gia tạo nhũ cho dầu gia công kim loại. Khi sử dụng phụ gia này hy vọng khắc phục được hai nhược điểm trên và có thể sử dụng cả dầu gốc parafinic và naphtenic để pha chế sản phẩm. 2 PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU I.1. Dầu gia công kim loại I.1.1. Mô tả chung về quá trình gia công kim loại [6] Trong gia công kim loại cần phân biệt quá trình cắt gọt kim loại và sự xử lý, tạo hình cho kim loại. Trong quá trình cắt gọt, kim loại bị gọt bỏ gây nên sự biến dạng và đứt gẫy thành những mảnh nhỏ. Lượng nhiệt đáng kể sinh ra do chuyển hóa năng lượng trong quá trình gia công và do ma sát giữa bề mặt kim loại, phôi mạt kim loại và dụng cụ cắt gọt. Còn trong quá trình xử lý và tạo hình cho kim loại như cán kéo kim loại, uốn ống, vuốt ống, dưới tác dụng của ngoại lực, phôi kim loại được tạo hình nhờ biến dạng dẻo nhưng vẫn giữ nguyên thể tích. Chi tiết kim loại qua gia công áp lực có cơ lý tính tốt hơn. Các quá trình này xuất hiện ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp: công nghiệp ô tô, máy bay, đồng hồ, thiết bị điện, điện tử…90% sản phẩm kim loại và hầu hết kim loại trong công nghi ệp xây dựng đều qua giai đoạn gia công. Mục đích của quá trình gia công kim loại là tạo ra một hình dạng mới. Thường quá trình dẫn đến sự tiếp xúc của hai vật rắn với nhau: dụng cụ và vật gia công. Sự tiếp xúc này gắn với sự biến dạng dẻo của kim loại (quá trình biến hình kim loại) hoặc tạo ra một hình dạng mới bằng cách cắt gọt vật liệu theo ý muốn (quá trình cắt gọt kim loại). Việc tạo dạng mới bằng các quá trình gia công kim loại luôn kèm theo ma sát lớn, nhiệt độ cao và sự mài mòn của dụng cụ. Nhiệm vụ của chất bôi trơn trong quá trình gia công kim loại là làm giảm lực ma sát, làm mát, giải tỏa nhiệt do ma sát gây ra, giảm số lượng và kích cỡ các điểm hàn dính, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Khi lực ma sát giảm, có thể giảm trở lực biến dạng của kim loạ i, từ đó giảm tổng lực tác dụng của kim loại lên dụng cụ và giảm công tiêu hao, giảm độ mài mòn dụng cụ, nâng cao tuổi thọ dụng cụ. I.1.2. Các kiểu chất bôi trơn trong quá trình biến hình kim loại Các chất bôi trơn lỏng, các dịch huyền phù, past, mỡ, các chất bôi trơn và che phủ rắn là những chất bôi trơn được chọn cho các quá trình biến hình kim loại. Các kim loại khác nhau, các quá trình biến hình khác nhau sẽ sử dụng các chất bôi trơn 3 khác nhau. Các quá trình biến hình kim loại gồm cán, đùn, vuốt (như vuốt ống, uốn ống, kéo dây), rèn và gia công tấm kim loại. Thường thường, các quá trình gia công nóng gồm các quá trình làm biến dạng cả khối. Chúng được gọi là các quá trình gia công kim loại loại 1. Các quá trình gia công kim loại loại 2 gồm các nguyên công nguội như cán, vuốt và đùn. Hình I.1: Các kiểu chất bôi trơn trong quá trình gia công kim loại Chất bôi trơn được sử dụng trong một quá trình biến hình kim loại nào đó trước hết phải là giảm ma sát, yếu tố này nói chung, có ảnh hưởng đến tuổi thọ, công cụ, sự dịch chuyển êm nhẹ của kim loại, đến lượng tiêu hao năng lượng, đến sự gia tăng nhiệt và đến chất lượng bề mặt. Thường hệ số ma sát càng thấp thì mức độ tiêu hao về lực và công su ất đòi hỏi càng giảm. Ví dụ, việc bôi trơn tốt trong rèn dập sẽ làm giảm mài mòn khuôn và hạ thấp được lực rèn dập, chống xước khuôn và dễ lấy sản phẩm ra khỏi khuôn. Ngoài ra nó còn làm cho sự dịch chuyển của vật liệu trong khuôn được dễ dàng và đóng vai trò như một lớp cách nhiệt ngăn giữa vật liệu rèn và bề mặt khuôn. Tuy nhiên, trong nguyên công cán, hệ số ma sát giữa trục lăn và phôi cán không quá cao cũ ng không quá thấp. Rõ ràng là ma sát thấp sẽ làm giảm lượng tiêu hao năng lượng, giảm lượng nhiệt phát sinh và giảm mài mòn trục lăn. Nhưng ma sát quá thấp lại gây ra hiện tượng trượt mà có thể làm hỏng bề mặt phôi cán và có ảnh hưởng xấu đến quá trình biến hình. Các chất bôi trơn lỏng, các dịch huyền phù, past, mỡ, các chất bôi trơn và che phủ rắn là những chất bôi trơn được chọn cho các quá trình biến hình kim loại. Vì kim loại được gia công có th ể rất khác nhau về thành phần, từ những kim loại hầu như tinh khiết (như nhôm, berili, đồng, magiê, niken, titan) đến các hợp kim rất phức tạp (như thép không gỉ) nên chất bôi trơn được sử dụng cho quá trình biến dạng kim loại rất khác nhau. Chúng có thể là chất lỏng, nửa rắn hoặc rắn, cũng như có thể là hỗn hợp của chúng. Chất bôi trơn sử dụng thông thường nhất trong quá trình này là các dầu khoáng, d ầu khoáng cộng với các dầu béo (các dầu hỗn hợp), Chiều dày của phôi Chiều sâu lớp cắt Kim loại Mặt sạch Bề mặt mới Vùng nhiệt độ cao nhất Mặt nghiêng Dụng cụ cắt gọt 4 nhũ tương, các dầu tổng hợp, các dịch huyền phù graphit, các ester, các axit béo, các hợp chất béo, lanolin, mỡ sáp, sáp parafin, các polyme và nhiều loại khác. Phụ gia được dùng cho các chất bôi trơn biến hình kim loại trước hết gồm các tác nhân chịu cực áp (như các chất béo và dầu đã được sunfo hóa hoặc đã được sunfoclo hóa) và các hóa phẩm dùng trong pha chế các chất nhũ tương, các axit béo hoặc các hợp chất béo. Các chất bôi trơn trong quá trình tạo hình kim loại đóng một vai trò quan trọng trong nhiều quá trình s ản xuất. Chúng ảnh hưởng đến năng suất, đến sự an toàn cho công nhân, đến tiêu hao năng lượng và đến vấn đề môi trường. Vấn đề phức tạp của việc bôi trơn trong các quá trình biến hình kim loại có thể minh họa bằng quá trình cán nhôm mà trong đó có cán nóng và cán nguội. Nói chung, các lá nhôm hoặc hợp kim nhôm được tạo ra bằng cách cán nóng các thỏi lớn thành các tấm có chiều dày khoảng 3 đến 17 mm rồi sau đó được làm mỏng tiếp bằng cán nguộ i. Nhũ tương dầu - trong nước được sử dụng nhiều nhất để làm chất bôi trơn và chất làm mát cho công nghệ cán nóng. Các nhũ tương như vậy chứa khoảng 2 - 5% phần cốt dầu. Phần cốt dầu có thể gồm 80 - 90% dầu naphtenic hoặc parafinic, 15- 20% các chất tạo nhũ kiểu anion hoặc kiểu không ion và 5 -10% các chất hợp phần. Các chất hợp phần có thể gồm nhiều hợp chất củ a các nhóm phụ gia sau đây: các phụ gia chịu tải (tribo), các chất ức chế oxy hóa, các tác nhân thấm ướt, các chất chống vi khuẩn và các chất chống tạo bọt. Chúng có thể gồm dẫn xuất của axit oleic hoặc các chất béo khác, các ester của axit photphoric (như tricrezyn photphat), các etanolamin và các hợp chất khác. Trong cán nóng, chức năng qua trọng nhất của chất bôi trơn là làm mát, tuy nhiên nó cũng làm giảm lượng tiêu hao năng lượng, cải thiện chất lượng bề mặt của v ật được cán và làm mỏng tối đa vật liệu cán. Vì thế ma sát cũng là yếu tố quan trọng. Trong cán nguội, những thanh đã qua cán nóng được cán ở nhiệt độ môi trường thành tấm hoặc lá. Do nhôm có xu hướng bám sang trục lăn trong khi cán nguội (giống như trong quá trình cán nóng) nên chức năng đầu tiên của các chất bôi trơn dùng cho cán nguội là làm giảm được xu hướng này. Các phân đoạn chưng cất hẹp được tinh chế kỹ nhận đượ c từ các dầu thô gốc parafin thường được sử dụng nhất làm dầu gốc cho các chất bôi trơn này. Nhiệt độ nung trong công nghiệp nhôm 5 là khoảng 320 0 C, do vậy việc sử dụng các phân đoạn dầu khoáng gốc này sẽ rơi vào phân đoạn keroxin. Để tạo cho chất bôi trơn dùng trong cán nguội nhôm có được các đặc tính ma sát và khả năng mang tải thích hợp cần phải pha thêm các dầu gốc khoáng có độ nhớt thấp một tổ hợp phụ gia đặc biệt. Các phụ gia được sử dụng chủ yếu gồm các ancol béo, các axit béo và các ester béo. Các ancol béo đảm bảo cho chất bôi trơn có đượ c tính năng tốt hơn vì chúng không ảnh hưởng đến đặc tính ủ của nhôm. I.1.3. Các kiểu chất bôi trơn trong quá trình cắt gọt kim loại Có ba kiểu chất bôi trơn dùng trong cắt gọt kim loại: dầu nhũ tương và các sản phẩm gốc nước. Các dầu thường nhận được từ dầu mỏ, từ thực vật và động vật. Các chất nhũ tương đều chứa dầu, như dầu khoáng hoặc dầu hỗn hợp, tồn tại ở dạng hạt nhỏ lơ lửng được phân tán nhờ sự hỗ trợ thêm của các chất tạo nhũ. Các sản phẩm gốc nước cũng còn được gọi là các chất lỏng tan trong nước, các chất lỏng hóa học hoặc các chất lỏng tổng hợp; chúng không chứa dầu mà chỉ chứa các chế phẩm tan trong nước, ví dụ như dung dịch nước của Di, Tri, Tetraetylen glycol. Mặc dù đã có nhiều thay đổi trong việc pha chế các chất bôi trơn cho cắt gọt kim loại kể từ khi đưa chúng vào sử dụng nhưng những chức năng cơ bản của chúng vẫn không thay đổi. Chúng gồm: 1. Làm mát vật gia công và phôi để nâng cao tuổi thọ công cụ và cho phép nâng cao tốc độ cắt gọt, cũng như để làm giảm sự biến dạng và đạt được độ chính xác về kích thước; 2. Bôi tr ơn để làm giảm ma sát, cải thiện độ nhẵn bề mặt gia công, bảo vệ bề mặt sau gia công không bị gỉ, ăn mòn và các cặn bẩn không mong muốn, làm giảm mài mòn dao tiện và xu hướng gây rung ồn; 3. Bảo vệ an toàn cho người thao tác 4. Để thoát phôi khỏi vùng cắt gọt bằng cách rửa trôi. Tiện là nguyên công nhẹ nhàng nhất và nhiệt được giải phóng dễ dàng nhờ chất lỏng cắt gọt và nhờ phôi thoát ra liên tục. Chuốt là ngyên công khắc nghiệt nhất. Các răng cắt luôn tiếp xúc với chi tiết gia công trong suốt quá trình cắt gọt và cứ sau mỗi răng, dao cắt lại càng ăn sâu thêm vào vật gia công. Điều này làm cho chất lỏng cắt gọt khó vào đến phần mũi của dao trong thời gian máy hoạt động. Vì 6 vy cht lng ct gt dựng trong vic chut phi cú tớnh cht bụi trn v chng hn dớnh rt tt bo v dng c ct gt v m bo gia cụng chớnh xỏc. Hỡnh I.2: Ch lm vic khc nghit ca mt s quỏ trỡnh ct gt kim loi Hỡnh I.2 cho thy rng ch lm vic khc nghit tng thng i lin vi tc ct gt gim. Ch lm vic khc nghit ũi hi cht lng ct gt phi cú hot tớnh cao. iu ny cú ngha l di iu kin lm vic kh c nghit phi s dng cỏc cht lng ct gt cú cha ph gia m c bit l ph gia chu cc ỏp. Cỏc cht lng ct gt ngy nay thng cha nhiu loi húa phm c bit c tớnh toỏn sao cho cht lng cú c kh nng bụi trn, hot ng b mt, n nh v cỏc tớnh cht chng hn dớnh cn thit. Hỡnh I.3: Tớnh cht bụi trn, lm mỏt ca cỏc cht lng gia cụng kim loi nh hng ca iu kin lm vic n yờu cu i vi mt cht lng ct gt cú th túm tt nh sau: 1. Tc ct gt cao thng to ra nhit cao. Trong trng hp ny hot tớnh ca cht lng ct gt khụng ũi hi phi cao, nhng vic lm mỏt khu vc ct g t li tr thnh yu t quyt nh v do vy nhng du ct gt kim loi cú kh nng lm mỏt cao l cn thit. Nh ó bit, nc l mt trong nhng cht lm mỏt tt nht Rt cao Rt cao Thp Chuốt Ta rô Doa Tạo răng Cán Khoan Mài Tiện Thp Thp Rt cao Ch lm vic khc nghit Hot tớnh cht lng ct gt Tc ct gt Tính bôi trơn Nớc Nhũ Nhũ với phụ gia Dầu khoáng Dầu khoáng Với phụ gia Nhũ loãng Nớc với phụ gia Tớnh lm mỏt 7 nhưng lại là một chất bôi trơn rất kém. Do vậy, các sản phẩm gốc nước có chứa các tác nhân thấm ướt, các phụ gia chịu cực áp, các chất ức chế ăn mòn và một số hóa chất khác thường được chọn để làm chất lỏng cắt gọt dùng cho các nguyên công có điều kiện làm việc ít khắc nghiệt như tiện, phay, khoan … Hình trên cho thấy rằng một số chất lỏng cắt gọt kim lo ại có tính chất làm mát tuyệt hảo cũng có tính chất bôi trơn tốt. 2. Trong các nguyên công có tốc độ thấp hơn, mà thường đi liền với ma sát và mài mòn dụng cụ cao, như gia công răng, tarô hoặc chuốt thì bôi trơn là yếu tố quyết định còn yếu tố làm mát ít quan trọng hơn. Trong những trường hợp như vậy, do điều kiện làm việc khắc nghiệt nên người ta thường sử dụng các chất bôi trơn g ốc dầu có chứa phụ gia mà chủ yếu là các phụ gia chịu cực áp. I.2. Thành phần cơ bản của dầu gia công kim loại I.2.1. Dầu gốc Dầu thương phẩm bao gồm hai hợp phần là dầu gốc và phụ gia. Dầu gốc được sử dụng nhiều nhất là các phân đoạn dầu khoáng gốc dầu mỏ gọi là dầu gốc khoáng và được chế biến theo công nghệ truyền thống. Ngoài ra còn có thể dùng một số loại dầu gốc tổng hợp có nguồn gốc là sản phẩm của những phản ứng hóa học. I.2.1.1.Dầu gốc khoáng Dầu gốc khoáng bắt nguồn từ dầu mỏ là kết quả của các quá trình hóa học và vật lý hàng nghìn năm xác động thực vật. Ngay từ khi ra đời, dầu gốc khoáng đã thay thế các chất bôi trơn cổ điển là dầu thảo mộc và mỡ động vật do giá thành rẻ hơn 3÷4 lần. Cũng vì lý do đó mà dầu gốc khoáng được sử dụng rộng rãi hơn dầu gốc tổng h ợp. Dầu gốc khoáng được sản xuất từ dầu mỏ bằng các quá trình tinh chế và chế biến chọn lọc. Bản chất của dầu thô và quá trình lọc dầu sẽ quyết định đến tính chất vật lý và hóa học của dầu gốc tạo thành. Phân đoạn dầu thô thích hợp cho sản xuất dầu gốc sẽ có các sản phẩm có nhiệt độ sôi khác nhau nhờ quá trình chưng cất chân không, chúng có s ố nguyên tử cacbon từ 21÷40, gồm các parafin mạch thẳng và mạch nhánh, naphten và aromatic. Ngoài ra còn có các thành phần không mong muốn như các hợp chất chứa S, N, O và nhựa asphanten. 8 Trong thực tế, dầu gốc khoáng là hỗn hợp của các phân tử đa vòng có đính mạch nhánh parafin. Số vòng ngưng tụ càng nhiều và mạch nhánh parafin càng ngắn thì tính nhiệt nhớt của hydrocacbon càng kém và càng không thích hợp để làm dầu bôi trơn. Trong dầu gốc các thành phần mong muốn là isoparafin và các phân tử có một hoặc hai vòng gắn với mạch nhánh parafin. Còn các thành phần không mong muốn như hydrocacbon có cấu trúc naphten, vòng aromat hoặc các chất dị vòng, vì chúng có tính nhiệt nhớt kém và ổn định oxy hóa thấp. Vi ệc phân loại dầu gốc khoáng thành dầu parafinic, naphtenic, hoặc aromatic tùy thuộc vào loại hydrocacbon nào chiếm ưu thế. Xem bảng 1.1 ta thấy sự khác nhau về tính chất vật lý, hóa học và dầu bôi trơn có cấu trúc khác nhau. Ba loại dầu này đều là dầu thương phẩm và được chọn có độ nhớt gần bằng nhau. Bảng I.1. Đặc tính vật lý và hóa học của các dầu gốc khoáng [6] Tính chất/thành phần hóa học Dầu parafin Naphten Aromat Độ nhớt động học ở 40 0 C, mm 2 /s 40 40 36 Độ nhớt động học ở 100 0 C, mm 2 /s 6,2 5,0 4,0 Chỉ số độ nhớt 100 0 -185 Tỷ trọng d 4 20 0,8628 0,9194 0,9826 Nhiệt độ chớp cháy, 0 C 299 174 160 Điểm anilin, 0 C 107 73 17 Nhiệt độ đông đặc, 0 C -15 -30 -24 Phân tử lượng 440 330 246 Chỉ số khúc xạ 1,4755 1,5068 1,5503 Phân tích qua đất sét % hợp chất phân cực % thành phần thơm % thành phần no 0,2 8,5 91,3 3,0 43 54 6,0 80 14 Loại nguyên tử cacbon (phân tích cấu trúc nhóm) % C A % C N % C P 2 32 66 19 37 44 41 36 23 [...]... trường của sản phẩm dầu gia công kim loại khi pha vào nước là pH . LIỆU I.1. Dầu gia công kim loại I.1.1. Mô tả chung về quá trình gia công kim loại [6] Trong gia công kim loại cần phân biệt quá trình cắt gọt kim loại và sự xử lý, tạo hình cho kim loại. Trong. g ốc dầu có chứa phụ gia mà chủ yếu là các phụ gia chịu cực áp. I.2. Thành phần cơ bản của dầu gia công kim loại I.2.1. Dầu gốc Dầu thương phẩm bao gồm hai hợp phần là dầu gốc và phụ gia. Dầu. của sản phẩm dầu gia công kim loại khi pha vào nước là pH<7 do đó dẫn đến bề mặt kim loại sau khi gia công thường bị gỉ. Ph ụ gia tạo nhũ cũng được sản xuất tại công ty phụ gia và các sản