ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗРАБОТАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО - СОЖ НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

АННОТАЦИЯ

В статье исследованы влияние на поверхностное натяжение разработанных композиционных составов - СОЖ. Для  разработки нового состава композиционного смазочно-охлаждающего жидкости, отвечаюшим всем параметрам, факторам и требованием металлургических заводов, нами были проведены исследования нескольких составов. Были получены 4-х видов составов СОЖ. Среды них “К-СОЖ-4” не уступает Германскому СОЖ марки “OSCAR”. Разработанными нами композиционные смазочно-охлаждающие жидкости обладает высокими физико-химическими, антикоррозионными свойствами при концентрации 10%-водного раствора полностью защищает смазочно-охлаждающие жидкости от поражения как коррозионными, продлевая тем самым срок их эксплуатации. При выборах ингредиентов отходов производств достигли экономические эффективности и получили эмульгирующие, антикоррозионные, смазочно-охлаждающие жидкости. Хорошее смазывание обеспечивает плавное движение инструмента и уменьшает износ, а охлаждение предотвращает перегрев и деформацию заготовки. Улучшенные противоизносные, противозадирные и проникающие свойства разработанных композиционных СОЖ марки «К-СОЖ-4» увеличивают стойкость режущего инструмента в 1.5-2 раза, а отсутствие масел в составе избавляет от необходимости выполнять мойку деталей после обработки.

ABSTRACT

The article studies the effect of the developed composite compositions - coolants on the surface tension. To develop a new composition of the composite cutting fluid that meets all the parameters, factors and requirements of metallurgical plants, we conducted studies of several compositions. We received 4 types of cutting fluid compositions. Among them, "K-COOL-4" is not inferior to the German cutting fluid of the "OSCAR" brand. The composite cutting fluids developed by us have high physicochemical, anticorrosive properties at a concentration of 10% aqueous solution completely protects cutting fluids from damage by both corrosion, thereby extending their service life. When choosing ingredients of production waste, we achieved economic efficiency and received emulsifying, anticorrosive, cutting fluids. Good lubrication ensures smooth movement of the tool and reduces wear, and cooling prevents overheating and deformation of the workpiece. Improved anti-wear, anti-seize and penetrating properties of the developed composite cutting fluids of the K-SOZH-4 brand increase the durability of the cutting tool by 1.5-2 times, and the absence of oils in the composition eliminates the need to wash the parts after processing.

Ключевые слова: смазочно-охлаждающая жидкость, поверхностное-активное вещество, состав, химический реагент, соапсток, триэтаноламин, поверхностное натяжение, плотность, водородный показатель.

Keywords: cutting fluid, surfactant, composition, chemical reagent, soapstock, triethanolamine, surface tension, density, hydrogen index.

Введение. В настоящее время при всех видах механической обработки металлов в зоне контакта инструмента с заготовкой действуют мощные силы трения и выделяется большое количество тепла. Это приводит к ухудшению качества обработки поверхностей, ускоренному износу инструментальной оснастки и оборудования, изменению свойств и структуры обрабатываемого металла из-за перегрева. Чтобы избежать негативных последствий, при токарной и других видах металлообработки рекомендуется применение СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость). В самом термине заложены основные назначения использования СОЖ - смазывать и охлаждать. Современные технологии обработки материалов, оборудование высокой мощности позволяют проводить интенсивные процессы резания, выдавливания, прокатки, штамповки, сверления, шлифования и другие. Подводимая высокая мощность, высокие статические и динамические нагрузки вызывают разогрев деформируемых материалов, что может приводить к снижению качества обработки, к порче инструмента, оснастки и оборудования [1-2].

Цель исследования является разработки нового состава композиционного смазочно-охлаждающего жидкости, отвечаюшим всем параметрам, факторам и требованием металлургических заводов.

СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость) предназначены для смазки поверхностей трения, охлаждения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки, облегчения процессов деформирования металла, своевременного удаления из зоны резания стружки и продуктов износа инструмента, а также для временной защиты изделий и оборудования от коррозии. Благодаря этому СОЖ в значительной мере определяют экономичность и надежность работы многочисленной и разнообразной металлообрабатывающей техники, а именно: увеличивают стойкость режущего инструмента, улучшают качество изделий, снижают силы резания и потребляемую мощность [3].

В связи с этим нами были разработана эффективные составы композиционные смазочно-охлаждающие жидкости на основе местного и вторичного сырья.

Методика эксперимента. При исследовании поверхностных явлений на границе газ – жидкость наиболее часто используется метод, основанный на измерении поверхностного натяжения этой границы раздела, позволяющий, несмотря на его простоту, получить достаточно надежные данные [4].

Сталагмометрический  метод или метод Харкинса (метод счета капель).

Суть метода заключается в том, что определяется вес капельки, которая отрывается от капилляра и удерживается силами поверхностного натяжения. В данном методе используется прибор сталагмометр. Он состоит из калиброванной бюретки, которая завершается толстостенным капилляром с отшлифованным концом. Капилляр – это самый важный элемент, т.к. капилляр должен равномерно смачиваться жидкостью.

Она (рис. 1.) представляет собой капилляр 1 диаметром 1-2 мм, нижний конец которого загнут вверх, а верхний переходит в шар 2 емкостью 1-2 мл, снабженный двумя метками. Выше верхней метки имеется кран 3. Сверху на капилляр надевают резиновый шланг с зажимом 4.

Рисунок 1. Пипетка Доннана

Ход работы. Сталагмометр закрепляем в штативе так, чтобы измеряемый капилляр был строго вертикален. В качестве стандартного раствора используем воду. Устанавливаем с помощью зажима скорость падения капель с интервалом: одна капля за 10–15 с. Набираем исследуемую жидкость в сталагмометр чуть выше верхней метки, после того как уровень жидкости опустится до верхней метки, начинаем счет капель и заканчиваем его после прохождения уровнем жидкости нижней метки. Количество капель, истекающих из капилляра от верхней метки до нижней, собираем в предварительно взвешенный бюкс. После каждого измерения проводим взвешивание бюкса с жидкостью и контролируем правильность измерений по сходимости веса жидкости в бюксе при параллельных измерениях. С каждой жидкостью проводим не менее трех параллельных измерений. По окончании работы сталагмометр промываем дистиллированной водой [5].

Результаты исследований и их обсуждение. Применяли сравнительный метод для определения поверхностного натяжения жидкости. Он заключается в том, что подсчитывают число капель n₀ эталонной жидкости, поверхностное натяжение σ₀ которой известно, и число капель n_х испытуемой жидкости с поверхностным натяжением σ_x. Поверхностное натяжение испытуемой жидкости вычисляют по уравнению [6]:

где ρ₀ и ρ_X – плотность эталонной жидкости и испытуемой жидкости соответственно; 72,75 – поверхностное натяжение воды при 20 ⁰С, дин/см.

Методы, которые используются в настоящее время, позволяют определить значения поверхностного натяжения с точностью до 0,01 мН/м и в редких случаях до 0,001 мН/м. При выборе метода по определению поверхностного натяжения должно учитываться следующее: точность результатов, нетрудоёмкость при проведении исследования и результаты должны быть пригодны для корреляции.

Основную роль играют: явление адсорбции, смачивания, изменение межфазного поверхностного натяжения и т.д. Концентрация химического реагента влияет на поверхностное натяжение.

В таблице 1 показаны результаты сравнительного анализа поверхностного натяжения водного раствора разработанного композиционного СОЖ с составами процентными (10%) водными растворами и аналогично Германского производства СОЖ  «ОСКАР».

Таблица 1

Результаты определения поверхностного натяжения сталагмометрическим методом

В лабораторных экспериментах определили поверхностное натяжения разработанных составов смазочно-охлаждающих жидкостей. Из четырёх образцов самым оптимальным составом было выявлено 4-состав. В 4-составе выявлено, что поверхностное натяжения 10% -ного водного раствора СОЖ составляет 27,90 Н/м и были лучшие результаты по сравнению с Германским СОЖ «ОСКАР», которые приведены в таблице 1 и рисунке 2.

Рисунок 2. Поверхностное натяжение разработанных композиционных составов и аналог Германский СОЖ.

Водорастворимые разработанные композиционные СОЖ характеризуются отличными охлаждающими свойствами и поэтому подходят для высокоскоростных режимов обработки металлов. Кроме того, они дают возможность получить рабочий раствор различной концентрации, что расширяет применяемость данного вида эмульгатора в металлообработке [7].

Например, одна и та же марка смазочно-охлаждающей жидкости может использоваться для черновой механической обработки в концентрации 2-5%, а при выполнении особо трудных операций (глубокого зенкования, сверления и пр.) - в повышенных концентрациях до 8%. Синтетические СОЖ с невысокой концентрацией 1,5-2,5% обычно выбирают для шлифовальных операций [8].

Далее нами были определены поверхностное натяжение выбранным 4-составом композиционного СОЖ на разных (5%, 8%, 10% и 12%) концентрациях.

Таблица 2

Результаты определения поверхностного натяжения сталагмометрическим методом с выбранным оптимальным составом

В таблице видно, что из разных концентраций выбрали 10%-ного состава СОЖ (рис. 3), которое поверхностные натяжения показало 26,75 Н/м. Это активно используется в качестве смачивателей. 

Рисунок 3. Изготовленные 10% ные разработанные композиционные составы СОЖ

Таким образом, разработанный композиционный СОЖ имеет смазочные, охлаждающие, промывочные и антикоррозионные свойства, а также при этом поверхности металла смывает всякие механические примеси и загрязнений.

Заключение. Для холодной обработки металлов давлением разработанные композиционный СОЖ на масляной основе со значительным содержанием различных присадок и смазочных добавок, придающих нужные эксплуатационные свойства - коррозионную устойчивость и износостойкость, хорошие противозадирные качества. Создаваемая защитная масляная пленка снижает трение, уменьшает дефекты и улучшает качество поверхности получаемой детали.

Список литературы:

1. Клушин М.И. Смазочно-охлаждающие жидкости для обработки металлов резанием: Рекомендации по применению // Под ред. М.И. Клушина. М.: НИИМАШ, 1979. 96 с.
2. Глушенков А.П. Прогнозирование технологической эффективности СОЖ по их функциональным свойствам // Известия вузов. Машиностроение. – 1978. – № 3. – С. 176-179.
3. Дубровский Ю.С. Техника применения смазочно-охлаждающих технологических сред в металлообработке // Ю.С. Дубровский, А.К. Маскаев. – Киев: Знание, 1986. – 20 с.
4. Фахрутдинов Б.Р. Изучение поверхностно-активных свойств неионогенных поверхностно-активных веществ/ Б.Р. Фахрутдинов, O.A. Варанавская, Л.К. Хватова, Е.А. Лебедев, И.Н. Дияров» // Журнал прикладной химии. - 2001. - Т. Т.74, Вып.8. - C. 1378-1381.
5. Абрамзон А.А., Гаевой Г.М. Поверхностно-активные вещества. Справочник, Химия, 1979. - 376 с.
6. Плохова С. Е. Саттарова Э. Д. Елпидинский А.А. Изучение поверхностных свойств композиционных реагентов. https://cyberleninka.ru/
7. Яблокова М.А., Бугров В.В., Хасаев Р.А. Современные технологии и оборудование для обезвреживания отработанных смазочноохлаждающих жидкостей // Известия СПбГТИ(ТУ). – 2014 – № 25. – С. 62– 66.
8. Кошенков В.Н., Плитман С.И., Корбакова А.И. Оценка индивидуального канцерогенного риска при контакте со смазочно-охлаждающими технологическими средствами // Медицина труда и промышленная экология. 2004. № 8. С.36-38.