本发明属于金属加工液领域，尤其是涉及一种具有高硬水稳定性和高硬水防锈性的半合成金属加工液。
背景技术：
金属加工液，是指在金属加工过程中所使用的润滑冷却介质，是金属加工过程重要的配套材料。金属加工液具有润滑、冷却、防锈和清洗等作用，能有效延长刀具的使用寿命，防止金属零件和机床锈蚀，并带走加工过程中产生的热量，有效清除零件和刀具表面的切屑和粉尘，从而改善加工质量，提高生产效率。
在金属加工液的使用过程中，由于水分蒸发等富集作用，加工液体系的水质硬度会逐渐累加，ca2+、mg2+的增多会与加工液中阴离子乳化剂、防锈剂和缓蚀剂等形成大量皂盐，导致加工液破乳变质，防锈缓蚀性降低，造成工件和机床锈蚀，并析出“黄袍”黏附在工件、刀具和机床表面，严重影响工件的加工精度，并大大缩短加工液的使用寿命。
上述问题虽可通过提升加工液使用浓度或用乙二胺四乙酸钠盐、碳酸钠、碳酸氢钠等将稀释用水软化后再使用来解决。但加工液的使用周期变长后，随着加工过程中水分的蒸发，会富集更多的ca2+、mg2+，从而形成一种恶性循环，并不能真正从根本上解决这一问题。此外，软化稀释用水时软化剂的添加量过大将导致切削液泡沫过多，同时会对工件及机床表面造成点蚀，而添加量过小则起不到软化的作用。
因此，研究开发具有高硬水稳定和高硬水防锈性的半合成金属加工液具有十分重要的意义。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明旨在提出一种抗硬水半合成金属加工液，以克服现有技术的缺陷，硬水稳定性好、防锈性能优异，工作环境安全、无味，对人体皮肤及呼吸道无刺激性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种抗硬水半合成金属加工液，包括以下重量份的各组分：基础油25-60份、乳化剂3-20份、防锈剂3-20份、腐蚀抑制剂2-6份、碱值储备剂5-30份、水8-40份。水的加入量以使所述具有高硬水防锈性能的乳化加工液能够维持稳定乳化状态、并达到具有良好的流动性能为准，本领域技术人员可根据需要进行调整和添加。
优选的，所述基础油为40℃时粘度为35～45mm2/s环烷油和/或40℃时粘度在5～10mm2/s的白油。粘度在35-45mm2/s环烷油与本发明中所用的乳化剂、防锈剂和腐蚀抑制剂具有良好的相容性，并具有优异的抗硬水性，可显著提高硬水稳定性；粘度在5—10mm2/s的白油可以更有效地与防锈剂、润滑剂发生协同作用，提高其性能。
优选的，所述乳化剂为聚异丁烯丁二酸酐、脂肪醇聚氧乙烯醚、妥尔油二乙醇酰胺、妥尔油二异丙醇酰胺、石油磺酸钠、蒸馏妥尔油、醚羧酸中的一种或两种以上。聚异丁烯丁二酸酐、蒸馏妥尔油和醚羧酸为具有优异抗硬水性能的阴离子表面活性剂，钙皂分散能力出众，可在高硬度硬水中保持良好的乳化效果；石油磺酸钠兼具乳化与防锈的功能，脂肪醇聚氧乙烯醚、妥尔油二乙醇酰胺、妥尔油二异丙醇酰胺其亲油基结构与矿物油相似，能够镶嵌入油水乳化界面膜的缝隙，增加界面膜强度，降低界面能；复配乳化剂hlb值为8-11。
优选的，所述防锈剂为三元羧酸、二元妥尔油酸酯、二元酸、乙醇胺硼酸酯、二乙醇胺硼酸酯、三乙醇胺硼酸酯中的一种或两种以上；所述腐蚀抑制剂为酸性磷酸酯、膦酸酯、醇醚磷酸酯、苯骈三氮唑与甲基苯骈三氮唑中的一种或两种以上。三元羧酸具有良好硬水稳定性，二元妥尔油酸酯和二元酸具有良好的防锈性；硼酸酯可以与羧酸类防锈剂起到协同作用，复配防锈剂可显著提高加工液在高硬度硬水中的防锈性，并延长防锈时间。使用酸性磷酸酯、膦酸酯与醇醚磷酸酯在提高铝缓蚀的同时，也会提高金属的润滑性，同时兼具硬水钙皂分离的作用；苯骈三氮唑与甲基苯骈三氮唑可以与防锈剂起到协同作用，保护黑色金属的表面不被腐蚀。
优选的，所述碱值储备剂为氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丁醇胺、正丁胺、异丙醇胺、二甲基乙醇胺、二甲基己胺、二环己胺、正丙醇胺、二异丙醇胺、n-甲基二乙醇胺、二甘醇胺中的一种或两种以上；半合成金属加工溶液的ph值为8-10，此时碱值储备剂的添加量为5-25重量份。发明人发现，该类碱值储备剂可有效调节加工液的ph值和总碱度，并能在一定程度上增加乳液稳定性。若切削液ph＜8.0，防锈性能降低，易对金属造成化学腐蚀，且更易滋生腐败菌；而若ph＞10.0，易刺激操作者皮肤，同时，易腐蚀两性金属。
优选的，所述的抗硬水半合成金属加工液，还包括其他助剂0.1-25重量份；所述其他助剂包括润滑剂、抗菌剂和消泡剂中的一种或两种以上。
优选的，所述润滑剂、抗菌剂和消泡剂的重量份分别为3-20份、0.5-5份和0.1-0.5份。
优选的，所述润滑剂为蓖麻油合成酯、棕榈油合成酯、妥尔油酸酯、椰子油酸酯、异构十三醇、异构十四醇、油溶性嵌段聚醚中的一种或两种以上。蓖麻油合成酯、棕榈油合成酯、妥尔油酸酯与椰子油酸酯均为植物油基合成酯，同时具备高润滑性和防锈性；异构十三醇和异构十四醇拥有长碳链，可以起到一定的润滑作用，同时，其含有的亲水基团具有耦合作用，可显著提高加工液的稳定性；油溶性嵌段聚醚可以对防锈剂及抗磨剂起到搬运作用，增强加工液体系的防锈抗磨性能。
优选的，所述抗菌剂为六氢三嗪化合物、碘代丙炔基丁基氨基甲酸酯、乙二醇二羟甲醚、异噻唑啉酮衍生物、月桂胺二亚丙基二胺中的一种或两种以上，这些抗菌剂可有效抑制细菌、真菌的生长，并对人体和环境危害小；所述消泡剂为聚醚-硅氧烷共聚物或聚硅氧烷。消泡剂优选为聚醚-硅氧烷共聚物或聚硅氧烷，但是不限于聚醚-硅氧烷共聚物或聚硅氧烷，也可以是金属加工液中其他常用的消泡剂。
本发明的另一目的在于提出一种制备如上所述的抗硬水半合成金属加工液的方法，以制备上述抗硬水半合成金属加工液。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种制备如上所述的抗硬水半合成金属加工液的方法，包括以下步骤：
s1.将基础油及油溶性添加剂腐蚀抑制剂、润滑剂和乳化剂加入反应釜中，加热至40-60℃，搅拌溶解至得到澄清透明油状物a；
s2.将水与水溶性添加剂碱值储备剂和防锈剂加入搅拌桶中，搅拌至完全溶解为澄清透明液体b；
s3.在搅拌并同时保证澄清透明油状物a的温度为40-60℃的条件下，将澄清透明液体b加入澄清透明油状物a中，得混合溶液c；
s4.将混合溶液c持续搅拌并冷却到常温后，将抗菌剂和消泡剂加入在混合溶液c中；
s5.添加完毕后继续搅拌至体系均匀澄清，即得到具有高硬水稳定性的半合成金属加工液原液。
相对于现有技术，本发明所述的一种抗硬水半合成金属加工液具有以下优势：
(1)本发明所述的一种抗硬水半合成金属加工液，采用两种矿物油复配的形式，粘度在35-45mm2/s环烷油与本发明中所用的乳化剂、防锈剂和腐蚀抑制剂具有良好的相容性，并具有优异的抗硬水性，可显著提高硬水稳定性；粘度在5—10mm2/s的白油可以更有效地与防锈剂、润滑剂发生协同作用，提高其性能；两种油品复配，能明显提升金属加工液体系的高硬水稳定性和高硬水防锈性。
(2)本发明所述的一种抗硬水半合成金属加工液，采用加入油溶性嵌段聚醚作为增效剂和搬运剂的方式，它可以对防锈剂及抗磨剂起到搬运作用、将功能添加剂搬运到金属表面，以增强加工液体系对金属的防锈保护和抗磨保护。
本发明所述的一种抗硬水半合成金属加工液，具有高硬水稳定性，可在最大硬度2600ppm及以下的硬水中保持稳定，不会破乳失效；具有突出的硬水防锈性，可在最大110°dh及以下的硬水中保持良好的防锈性及腐蚀抑制性；具有高碱值储备，使用过程中ph值长期稳定，有利于乳液稳定、金属防锈和抑制腐败菌生长，循环使用寿命长，综合性价比高；安全环保性能好，本发明不含亚硝酸盐、苯酚类及醛类添加剂，不含s、cl极压添加剂，工作环境安全、无味，对人体皮肤及呼吸道无刺激性。
所述一种制备如上所述的抗硬水半合成金属加工液的方法与上述抗硬水半合成金属加工液相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
一种抗硬水半合成金属加工液，包括以下重量份的各组分：基础油25-60份、乳化剂3-20份、防锈剂3-20份、腐蚀抑制剂2-6份、碱值储备剂5-30份、水8-40份。
所述基础油为40℃时粘度为35～45mm2/s环烷油和/或40℃时粘度在5～10mm2/s的白油。
所述乳化剂为聚异丁烯丁二酸酐、脂肪醇聚氧乙烯醚、妥尔油二乙醇酰胺、妥尔油二异丙醇酰胺、石油磺酸钠、蒸馏妥尔油、醚羧酸中的一种或两种以上。
所述防锈剂为三元羧酸、二元妥尔油酸酯、二元酸、乙醇胺硼酸酯、二乙醇胺硼酸酯、三乙醇胺硼酸酯中的一种或两种以上；所述腐蚀抑制剂为酸性磷酸酯、膦酸酯、醇醚磷酸酯、苯骈三氮唑与甲基苯骈三氮唑中的一种或两种以上。
所述碱值储备剂为氢氧化钠、氢氧化钾、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丁醇胺、正丁胺、异丙醇胺、二甲基乙醇胺、二甲基己胺、二环己胺、正丙醇胺、二异丙醇胺、n-甲基二乙醇胺、二甘醇胺中的一种或两种以上；半合成金属加工溶液的ph值为8-10；优选的，碱值储备剂为5-25重量份。
所述的抗硬水半合成金属加工液，还包括其他助剂0.1-25重量份；所述其他助剂包括润滑剂、抗菌剂和消泡剂中的一种或两种以上。
所述润滑剂、抗菌剂和消泡剂的重量份分别为3-20份、0.5-5份和0.1-0.5份。
所述润滑剂为蓖麻油合成酯、棕榈油合成酯、妥尔油酸酯、椰子油酸酯、异构十三醇、异构十四醇、油溶性嵌段聚醚中的一种或两种以上。
所述抗菌剂为六氢三嗪化合物、碘代丙炔基丁基氨基甲酸酯、乙二醇二羟甲醚、异噻唑啉酮衍生物、月桂胺二亚丙基二胺中的一种或两种以上；所述消泡剂为聚醚-硅氧烷共聚物或聚硅氧烷。
一种制备上述抗硬水半合成金属加工液的方法，包括以下步骤：
s1.将基础油及油溶性添加剂腐蚀抑制剂、润滑剂和乳化剂加入反应釜中，加热至40-60℃，搅拌溶解至得到澄清透明油状物a；
s2.将水与水溶性添加剂碱值储备剂和防锈剂加入搅拌桶中，搅拌至完全溶解为澄清透明液体b；
s3.在搅拌并同时保证澄清透明油状物a的温度为40-60℃的条件下，将澄清透明液体b加入澄清透明油状物a中，得混合溶液c；
s4.将混合溶液c持续搅拌并冷却到常温后，将抗菌剂和消泡剂加入在混合溶液c中；
s5.添加完毕后继续搅拌至体系均匀澄清，即得到具有高硬水稳定性的半合成金属加工液原液。
采用上述制备方法，制备实施例1-6所述的抗硬水半合成金属加工液，实施例1-6各自的抗硬水半合成金属加工液的组成见表1。
表1实施例1～6抗硬水半合成金属加工液组成
以上实施例1-6中的所有涉及到的二元酸均为癸二酸，实施例1-5中的所有涉及到的三元酸均为巴斯夫l190。
对比例1为嘉实多的gs-j型号的商用乳化黑色金属加工液。
对比例2为奎克的bio3755型号的商用半合成黑色金属加工液。
性能检测：
对实施例1-6的抗硬水半合成金属加工液，以及对比文件1和对比文件2的加工液的硬水稳定性和硬水防锈性进行监测，检测方法如下：
(1)硬水稳定性
参照标准jb/t4323.2-1999配制不同硬度的人工硬水；
以不同硬度的人工硬水将待测加工液稀释至5％；
静置，观察金属加工液的硬水稳定性。
(2硬水防锈性
参照标准jb/t4323.2-1999配制不同硬度的人工硬水；
以不同硬度的人工硬水将待测加工液稀释至5％；
参照标准gb/t6144-2010，测定金属加工液的硬水防锈性。
实施例1-6与对比例1和2的硬水稳定性检测结果见表2，实施例1-6与对比例1和2的硬水防锈性能检测结果见表3-5。
表2实施例1-6及对比例1、2的硬水稳定性能对比
表3实施例1～6与对比例1、2铸铁浸泡防腐蚀性能对比
表4实施例1～6和对比例1、2铸铁叠片防锈性能对比
表5实施例1～6和对比例1、2铸铁单片防锈性能对比
从表2中可以看出，实施例1～4的硬水稳定能力和对比例1和对比例2相比明显高出，主要体现在在所示硬度的硬水下放置一周后，对比例1和对比例2均出现了明显的破乳和分层现象，而实施例1～4在更高的硬度
从表3～5中可以看出，实施例1～4在不同的防锈测试实验条件下，在高硬度水中所配置的溶液时，其对铸铁的防锈及防腐蚀能力均较对比例1和对比例2出色，而实施例5和实施例6对铸铁的防锈及防腐蚀能力虽不如实施例1-4出色，但是也取得了与对比例1和对比例2相当，甚至更高的对铸铁的防锈及防腐蚀能力。由此可以看到，此配方可以基本解决由于水硬度积累过高而产生的工件或机床锈蚀的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。