一种冷挤压用润滑油及其制备方法与流程

本发明属于金属加工技术领域，尤其涉及一种冷挤压用润滑油及其制备方法。

背景技术

在金属的冷挤压过程中，坯料与挤压模具之间由于接触而产生摩擦，摩擦使模具磨损，工件表面划伤，甚至发生粘模，既缩短了模具寿命，又影响了挤压件质量，同时增加了变形力和变形功。摩擦还会引起金属变形不均匀，严重时产生裂纹。为减少摩擦的不良影响，在坯料与模具之间加润滑剂是一种有效的方法。

目前对于碳钢和合金钢领域，传统工艺通常采用磷化皂化处理，获得冷挤压润滑层。磷化处理即将经过去油清洗、表面洁净的坯料放置于磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁或磷酸二氢锌溶液中，使金属与磷酸盐相互作用，生成不溶于水且与坯料牢固结合的、能短时间经受200～300℃工作温度的磷酸盐膜层。为了加速磷化反应，往往加入少量硝酸盐、亚硝酸盐或氯酸盐等催化剂。一般在处理时都是将固体或液体的化学原料用水稀释成溶液状态以浸渍法或喷洒法来进行。

磷化处理后的坯料要经过皂化处理，即将磷化处理后用清水冲洗干净的坯料投入皂化处理液中，利用硬脂酸钠或肥皂与磷化层中的磷酸锌反应生成硬脂酸锌，在挤压中起润滑作用。

但目前的磷化-皂化处理的工序繁杂不便，而且污染环境。随着塑性成形向精密、高效、优质、低耗、清洁和柔性方向发展以及新材料、新工艺的出现，迫切需要研究新的润滑剂及润滑方式。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种冷挤压用润滑油及其制备方法，本发明中的冷挤压润滑油绿色环保，使用方便。

本发明提供一种冷挤压用润滑油，由复配添加剂和猪油脂制备得到：

所述复配添加剂由硅烷偶联剂、石墨烯和铜纳米线制备得到；

所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)；

所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml；

所述铜纳米线的直径为20～50nm；所述铜纳米线的长度为10～900nm。

优选的，所述所述石墨烯的厚度为1～5nm。

优选的，所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：1。

优选的，所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.2～3.2)。

优选的，所述硅烷偶联剂为kh-560硅烷偶联剂。

优选的，所述复配添加剂的添加量为1～10mg/ml猪油脂。

本发明提供一种冷挤压用润滑油的制备方法，包括以下步骤：

a)将硅烷偶联剂溶于水，得到硅烷偶联剂溶液；

b)将石墨烯和铜纳米线加入硅烷偶联剂溶液中，超声分散后搅拌，得到中间溶液；

所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)；

所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml；

所述铜纳米线的直径为20～50nm；所述铜纳米线的长度为10～900nm。

c)将所述中间溶液进行干燥，得到复配添加剂。

d)将复配添加剂与猪油脂混合，得到冷挤压用润滑油。

优选的，所述超声分散的时间为10～50min；

所述超声分散的频率为20khz。

优选的，所述步骤b)中搅拌的温度为50～100℃；

所述步骤b)中搅拌的时间为0.1～1小时。

优选的，所述干燥的温度为90～120℃；

所述干燥的时间为1～5小时。

本发明提供一种冷挤压用润滑油，由复配添加剂和猪油脂制备得到：所述复配添加剂由硅烷偶联剂、石墨烯和铜纳米线制备得到；所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)；所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml；所述铜纳米线的直径为20～50nm；所述铜纳米线的长度为10～900nm。本发明首次使用猪油脂作为润滑脂，绿色环保价格低廉，且耐高温，在350℃下才分解。铜纳米线直径在20～50nm之间，石墨烯厚度为2nm，分散均匀、结构稳定、尺寸可控；铜纳米线和石墨烯复配体系能够在一定程度上改善基础脂的抗磨减摩性能，在高负荷下效果尤其显著。在摩擦力作用下，复配体系和钢球表面作用形成了抗磨减摩性能良好的膜层；同时，铜纳米线和石墨烯的层状结构在摩擦副相对滑动过程中易定向排列，变摩擦副之间的运动为添加剂内部的层间滑移，减小了摩擦阻力，改善润滑油的减摩和抗磨性能，甚至达到一定的自修复效果性能，使润滑性能有了较大的提高。由于冷挤压时，模具要承受金属的巨大负荷，在金属流动过程中，还受极大的摩擦力和温度变化的作用。在连续工作条件下，变形热和摩擦热使模具温度达200℃～300℃。本发明解决了在冷挤压过程中的耐高温和摩擦问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中不同添加量复配添加剂在猪油脂中的分散情况；

图2为本发明实施例1中添加2.5mg复配添加剂的猪油脂的摩擦力-摩擦系数曲线；

图3为使用了本发明实施例1中润滑油产品的挤压工件的电镜图片。

具体实施方式

本发明提供了一种冷挤压用润滑油，由复配添加剂和猪油脂制备得到：

所述复配添加剂由硅烷偶联剂、石墨烯和铜纳米线制备得到；

所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)；

所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml；

所述铜纳米线的直径为20～50nm；所述铜纳米线的长度为10～900nm。

在本发明中，所述硅烷偶联剂优选为kh-560硅烷偶联剂，所述石墨烯的厚度优选为1～5nm，更优选为2～4nm，最优选为2～3nm；所述铜纳米线的直径优选为20～50nm，更优选为25～45nm，最优选为30～40nm；所述铜纳米线的长度优选为10～900nm，更优选为50～800nm，最优选为100～700nm，具体的，在本发明的实施例中，可以是200nm。上述长度范围的铜纳米线，在使用之前，能够保持铜纳米线的原有长度，在添加到润滑油中后，摩擦的过程中，铜纳米线会断裂成小段，易于填充到磨痕中，实现自修复功能。

在本发明中，所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)，优选为1：(1～1.5)，更优选为1:1；所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml，优选为1mg：(0.2～3.2)ml，具体的，在本发明的实施例中，可以是1mg：0.8ml、1mg：1.6ml或1mg：0.4ml。

本发明中的铜纳米线和石墨烯在在摩擦副相对滑动过程中易定向排列，变摩擦副之间的运动为添加剂内部的层间滑移，减小了摩擦阻力，改善润滑油的减摩和抗磨性能。

本发明对所述猪油脂的来源没有特殊的限制，采用常用的市售猪油脂即可。

优选为，所述复配添加剂的添加量为1～10mg/ml猪油脂，更优选为1.25～5mg/ml猪油脂，具体的，在本发明的实施例中，可以是5mg/ml猪油脂、2.5mg/ml猪油脂或1.25mg/ml猪油脂。

本发明提供了一种冷挤压用润滑油的制备方法，包括以下步骤：

a)将硅烷偶联剂溶于水，得到硅烷偶联剂溶液；

b)将石墨烯和铜纳米线加入硅烷偶联剂溶液中，超声分散后搅拌，得到中间溶液；

所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)；

所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml；

所述铜纳米线的直径为20～50nm；所述铜纳米线的长度为10～900nm。

c)将所述中间溶液进行干燥，得到复配添加剂。

d)将复配添加剂与猪油脂混合，得到冷挤压用润滑油。

本发明将硅烷偶联剂溶于水中，配置成硅烷偶联剂溶液，然后将所述硅烷偶联剂溶液的ph值调节至5.5，搅拌5～10min至完全水解。

在本发明中，所述硅烷偶联剂溶液的体积分数优选为0.5～2.0％，即，0.5～2.0ml硅烷偶联剂溶解于100ml的水中，更优选为1～1.5％。具体的，在本发明的实施例中，可以是0.5％、1.0％或2.0％。

得到硅烷偶联剂溶液后，本发明将石墨烯和铜纳米线加入硅烷偶联剂溶液中，进行超声分散，然后再进行搅拌，使铜纳米线与石墨烯被硅烷偶联剂包覆，得到中间溶液。

在本发明中，所述石墨烯、铜纳米线和硅烷偶联剂的种类、来源和用量与上文中石墨烯、铜纳米线和硅烷偶联剂的种类、来源和用量一致，在此不再赘述。

硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性。因此，当硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层，本发明利用硅烷偶联剂将石墨烯和铜纳米线包裹，提高了复配粒子的分散性。

所述超声分散的频率优选为20khz；所述超声分散的时间优选为10～50min，更优选为20～40min，最优选为30min。

所述搅拌的温度优选为50～100℃，更优选为60～90℃，最优选为70～80℃；所述搅拌的时间优选为0.1～1小时，更优选为0.2～0.8小时，最优选为0.5～0.6小时。

再将中间溶液进行干燥，得到片状固体即为复配添加剂，将片状的添加剂进行研磨，得到复配添加剂粉体，可直接添加到猪油脂中使用。

所述干燥的温度优选为90～120℃，更优选为100～110℃；所述干燥的时间优选为1～5小时，更优选为2～4小时。所述干燥优选为在烘箱中烘干。

得到复配添加剂后，本发明在60～80℃的水浴条件下，将所述复配添加剂与猪油脂混合，在超声纳米粉碎机中进行搅拌粉碎，得到冷挤压用润滑油。

所述复配添加剂和猪油脂的相对用量关系与上文中复配添加剂和猪油脂的用量关系一致，在此不再赘述。

所述搅拌粉碎的温度优选为50～80℃，更优选为60～70℃；所述搅拌粉碎的时间优选为1～5小时，更优选为2～4小时，最优选为2～3小时。

本发明提供一种冷挤压用润滑油，由复配添加剂和猪油脂制备得到：所述复配添加剂由硅烷偶联剂、石墨烯和铜纳米线制备得到；所述石墨烯与铜纳米线的质量比为1：(0.5～2)；所述石墨烯的质量与硅烷偶联剂的体积之比为1mg：(0.1～3.5)ml；所述铜纳米线的直径为20～50nm；所述铜纳米线的长度为10～900nm。本发明首次使用猪油脂作为润滑脂，绿色环保价格低廉，且耐高温，在350℃下才分解。铜纳米线直径在20～50nm之间，石墨烯厚度为2nm，分散均匀、结构稳定、尺寸可控；铜纳米线和石墨烯复配体系能够在一定程度上改善基础脂的抗磨减摩性能，在高负荷下效果尤其显著。在摩擦力作用下，复配体系和钢球表面作用形成了抗磨减摩性能良好的膜层；同时，铜纳米线和石墨烯的层状结构在摩擦副相对滑动过程中易定向排列，变摩擦副之间的运动为添加剂内部的层间滑移，减小了摩擦阻力，改善润滑油的减摩和抗磨性能，甚至达到一定的自修复效果性能，使润滑性能有了较大的提高。由于冷挤压时，模具要承受金属的巨大负荷，在金属流动过程中，还受极大的摩擦力和温度变化的作用。在连续工作条件下，变形热和摩擦热使模具温度达200℃～300℃。本发明解决了在冷挤压过程中的耐高温和摩擦问题。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种冷挤压用润滑油及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

先将0.5mlkh-560硅烷偶联剂溶于100ml水中，将其配成0.5％的溶液。然后将ph调至5.5，搅拌5min完全水解。

然后将0.625mg铜纳米线(铜纳米线的长度200nm，直径是30nm)和0.625mg石墨烯加入到配置好的100ml水解后的硅烷偶联剂溶液中，然后进行超声分散30min，在80℃下用搅拌器搅拌0.5h，使铜纳米线与石墨烯被硅烷偶联剂包覆；

在100℃的烘箱中干燥2h；干燥完成后为片状固体，研细，所得的粉体即为复配添加剂。

在60℃的水浴锅中，将实施例1中的复配添加剂添加至100ml猪油脂中，在超声波纳米粉碎机中60℃下搅拌粉碎2h，得到冷挤压用润滑油。

图1中，从左至右依次为添加了1.25mg、2.5mg和5mg实施例1中的复合粉体的猪油脂，可以看出不同比例的铜纳米线石墨烯复配添加剂在猪油脂中分散均匀，未有团聚。

图2为添加了2.5mg实施例1中的复配添加剂的猪油脂在垂直载荷为10n下测得的摩擦力-摩擦系数曲线，由图2可以得出，摩擦力平均为0.998n，摩擦系数平均为0.099，润滑效果显著，改善了润滑效果。

图3为将添加了2.5mg实施例1中的复配添加剂的猪油脂涂抹在5crnimo合金试样表面，进行摩擦测试后的金相图。a图为经过冷挤压的工件的外观图，b图为该试样在扫描电镜下的局部放大图，通过图中可以看出，可以看出其表面只存在少量的划痕和犁沟，器件形质量较好，说明此润滑剂有良好的效果。

实施例2

先将2.0mlkh-560硅烷偶联剂溶于100ml水中，将其配成2.0％的溶液。然后将ph调至5.5，搅拌5min完全水解。

然后将1.25mg铜纳米线(铜纳米线的长度200nm，直径是30nm)和1.25mg石墨烯加入到配置好的100ml水解后的硅烷偶联剂溶液中，然后进行超声分散30min，在80℃下用搅拌器搅拌0.5h，使铜纳米线与石墨烯被硅烷偶联剂包覆；

在100℃的烘箱中干燥2h；干燥完成后为片状固体，研细，所得的粉体即为复配添加剂。

在60℃的水浴锅中，将1.25mg实施例2中的复配添加剂添加至100ml猪油脂中，在超声波纳米粉碎机中60℃下搅拌粉碎2h，得到润滑油产品。

实施例3

先将1.0mlkh-560硅烷偶联剂溶于100ml水中，将其配成1.0％的溶液。然后将ph调至5.5，搅拌5min完全水解。

然后将2.5mg铜纳米线(铜纳米线的长度200nm，直径是30nm)和2.5mg石墨烯加入到配置好的100ml水解后的硅烷偶联剂溶液中，然后进行超声分散30min，在80℃下用搅拌器搅拌0.5h，使铜纳米线与石墨烯被硅烷偶联剂包覆；

在100℃的烘箱中干燥2h；干燥完成后为片状固体，研细，所得的粉体即为复配添加剂。

将2.5mg实施例3中的复配添加剂添加至100ml猪油脂中，在超声波纳米粉碎机中搅拌粉碎2h，得到润滑油产品。

对实施例1～3中的润滑油的黏度进行测定，用来检测润滑油的高温稳定性。量取100ml油样注入250ml蒸馏烧瓶中，在300℃条件下加热30min后，将氧化后油品(氧化油)转移出来，进行黏度测试。结果如表1所示。

表1实施例1～3中润滑油在40℃运动黏度测定结果

表1中可以看出这3种油品氧化前后黏度变化很小，其中实施例一的黏度较氧化前略有降低，实施例二和实施例三氧化后的黏度均略有增加，但变化幅度均非常小。这说明高温对润滑油的黏度大小影响非常小，几乎可以忽略不计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。