冲头润滑颗粒珠析

　　Analysis of the powdered plunger lubricants for die cas

　　广州市鑫煜铸造设备材料制造有限公司 董事长

　　苏州压铸协会 副理事长 修毓平

　　北美压铸协会 NADCA 加拿大会员

　　1992年美国和日本先后公布了冲头润滑颗粒珠的发明专利，1996年1-2月在北美《Die Casting Engineer》期刊上首次发表了一篇由工学博士THOMAS H. CAMEL 和 HAROLD G. MUNSON撰写的系统评价冲头润滑颗粒珠的论文，题目为“POWDERED PLUNGER LUBRICANTS FOR DIE CASTING”。他们通过实验检测和现场试用(选用的是2200T的Buhler机和600T的UBE机，压射冲头和料管的材料组合为铍青铜/钢)，得出结论，认为使用冲头珠新技术可以改进生产管理，降低废水处理成本，减少烟雾，降低着火的风险，减少因气孔导致的废品，提高充型过程金属的流动性，降低冲头磨损，噪音与震动，减少润滑剂的用量和成本，没有使用方面的障碍。此后，西风东渐，使用冲头珠的热情在我国不断高涨。由于国内没有从事过这方面的研究，对新技术的热情和偏爱使人们更愿意忽略该论文结论中的另一段忠告：“从油基润滑剂向新型冲头珠成功转变的多数临界参数是应用技术，冲头润滑颗粒珠的正确选用是成功的关键。目前许多问题还处于探索阶段，要通过进一步研究以确定全部必要的工艺条件，这是必须的一步”。论文作者已经很坦率地告诉读者，这项新技术还有许多方面尚不成熟，需要深入研究。而我们的一些厂家认为要抓住这个难逢的商机，没有研究基础也要上马。那些对冲头珠赞美的论述被完整地用在了国产冲头珠对技术特征的描述中，千篇一律，一字未改。如今十几个年头过去了，冲头珠的推广应用并未出现一枝独秀的局面，大家依然根据自己的经验和条件，继续选择适宜自身发展的不同类型冲头润滑剂。据不完全统计，压铸企业对冲头珠的利弊和应用前景，目前仍然是众说纷纭，莫衷一是。由于对冲头珠的研究国内一直未见报道，国外除专利文献介绍外，系统研究论文也十分鲜见。为了减少对冲头珠应用的盲目性，笔者认为有必要对其中的一些问题进行梳理，特提出个人的看法，畸轻畸重，供同行指教扶正。

　　目前，冲头润滑剂大致分成三大类。一类是液体润滑剂，包括油基润滑剂和水基润滑剂;一类是润滑脂，系膏状，已较少使用;还有一类是熔体润滑剂，它在室温时呈固体状态，进入料管熔融成可流动的液体状态，即目前使用的润滑颗粒珠。如何选择最有效的冲头润滑剂?要回答这个问题其实有难度。原因有二：一是对各类冲头润滑剂的质量至今没有全球认可的一致性实验结果和评价标准。二是压铸厂家对冲头润滑剂的用量及成本更为关注。只要不产生有害烟雾，用量少，冲头运动精确，可重复性高，即视为最有效的产品。众所周知，压铸过程中的压射力，充型速度等主要工艺参数是由压射机构完成的。因此压射机构特别是冲头动作的可靠性在很大程度上影响铸件的质量和生产效率。尽管影响压射机构工作状态的因素很多，但良好的冲头润滑对实现既定工艺(该快则快，该慢则慢)，减少停机时间，节约金属材料，提高产品质量等方面发挥重要作用。其实理想的冲头润滑最基本的要求就是当冲头在料管内反复高速运动时始终保证精确的压射速度，同时冲头和料管的有效使用寿命长。有时，压铸工作者试图用低品质过量的润滑剂来充满料管与冲头的间隙，以为这样可以使润滑效果更好。其实，过量的润滑剂不仅因聚集可能导致着火，还可能被挟裹入型腔使铸件产生气孔和色斑。如果是真空压铸，还可能给真空阀的维护带来麻烦。至于能否形成有效的润滑薄膜则更无从考虑。笔者认为：评价冲头润滑剂有两个基本的衡量标准：一是要认清它是如何影响你的生产工艺?二是要认清它是如何影响你的压射系统的使用寿命?如果这两方面的答案都是正面的，对你来说就是较好的。

　　冲头润滑颗粒珠作为一种熔体润滑剂，它的主要成分是蜡质材料，故也被称为蜡丸，但这决不是一般的固体石蜡丸。看看美国某公司给出的专利生产的冲头润滑颗粒珠成份(%)如下：

　　其中高熔点蜡是其主要成分，目前能担此重任的最佳选择是聚乙烯蜡类，这是一类高质且高价格的热塑性高分子润滑材料，特点是受热后软化熔融，冷却后再恢复，反复多次而化学结构基本不变。由于熔点比一般的固体石蜡，硬蜡及微晶蜡要高，因此在铝合金压铸工艺要求料管温度至少需要160ºC的条件下，能保证被熔化的蜡丸至少有40%粘附在冲头和料管表面形成润滑膜。据该公司宣称，所列举的三例效果均好.其体积用量约是油基或水基冲头油的1/6，同时可防止铝液粘附在料管上。其公布的市场价格约合RMB35-45/KG。至于不含石墨的乳白色蜡丸，其效果同样较好，但因高熔点蜡的比例更高，因此市场价格更高些。然而令人不解的是国内目前出售的自产冲头珠价格很低，甚至有些只卖RMB11/KG左右。但是对其性能的介绍，一点不输给高端产品。究其原因，无非是大量采用廉价的低熔点蜡或回收的混合蜡，同时添加过量的低价无机粉状润滑剂，如滑石粉等。这样组成的蜡丸能作为冲头润滑剂使用吗?从科学的立场上分析，答案当然是否定的。因为它不可能在高温高速的冲头工作环境下实现有效润滑，相反劣质蜡丸形成的烟雾成为对人体和环境的无形杀手，其大量残存的无机粉料和部分烟气随铝合金液卷入型腔，造成铸件内部和表面缺陷。这种形似而实不至的偽蜡丸是商业利益强奸科学的怪胎，与我国向现代化压铸业发展的局面很不协调。应该引起同业界的重视。

　　从润滑理论分析，金属材料相互接触并产生滑动时，主要润滑状态被划分为三类：即厚膜润滑或流体动力润滑区;薄膜润滑或弹性流体润滑区;和边界润滑或极压润滑区。一区的特征是摩擦面被连续润滑油膜隔开，油膜厚度远大于两表面粗糙度之和，摩擦阻力由润滑油的内摩擦所决定。二区的特征是因接触压力变大或润滑剂粘度和滑动速度下降，使油膜变薄，出现摩擦阻力由油膜的剪切和表面微突体的相互作用决定。三区的特征是摩擦表面靠得极近，流体动压的作用和润滑油的整体流变性能已无足轻重，起主要作用的是边界润滑剂薄層的特性与固体表面之间的相互作用。

　　压铸冲头在料管内的相对运动表面间隙一般在0.051-0.127mm之间，且正常工况下接触压力很小，油模完全可以将两个表面隔离，油膜厚度约为表面粗糙度的10倍，因此是处于厚膜润滑即流体动力润滑区。如果冲头和料管都很直且平行，那么两摩擦表面不直接接触，产生的摩擦为润滑剂分子间的内摩擦，摩擦系数很小，通常为0.001-0.02，从而减低了磨损，改变了摩擦的性质。这种厚膜润滑的流体完全符合雷诺方程，相对运动速度快。润滑膜的厚度取决于接触压力，润滑剂的粘度，接触表面的温度和相对滑动的速度等因素。接触压力越大，润滑剂膜越薄;润滑剂粘度越大，润滑剂膜在相同接触压力下不易被挤出，膜就比较厚;接触面温度高，润滑剂粘度变小，容易被挤出，膜也较薄。相对滑动速度高，润滑剂内部压力升高，可以使润滑剂保持比较厚的膜。目前使用的典型冲头油是以矿物油为基，矿物油为非极性烃类有机化合物(CnH2n+1)，当与冲头和料管表面接触时，由于本身没有永久偶极，只是依靠分子内部电子与原子核的不对称运动而产生的瞬间偶性与金属相吸引，粘附在金属表面，形成润滑油膜，因此对金属表面的吸附力及其分子本身的内聚力都很弱，膜的强度很低，润滑性能很差。通常在冲头油中要添加各种活性剂，极压剂，防氧化剂，油性剂，粘度改进剂以及含有氧元素的极性有机化合物如脂肪酸钠皂，酸类(R-O-H)等。此时形成的物理吸附膜的强度和润滑性能大大高于非极性分子的物理吸附。在高温时，润滑油中的极性添加剂可以与金属表面发生化学反应，出现化学吸附。而化学吸附膜比物理吸附膜的热稳定性好，膜的厚度可以很大，具有较高的熔点和低的剪切强度，且形成的吸附膜是不可逆的。优质的冲头油之所以被压铸业广泛使用，正是因为它加入了一些适合在高负荷，高滑速和高温的条件下工作的添加剂。优质蜡丸中同样要考虑添加一定数量的高价位活性剂，才能适应冲头润滑的需要。这是低价位劣质蜡丸根本不可能做到的。此外，抗污染性是反映工艺润滑剂不使产品脏化的能力。由于润滑剂中的机械杂质，酸碱含量，硫含量，灰分及碳残留，添加剂等，都有可能被卷入型腔，导致铸件表面污染斑，油迹斑，腐蚀斑等。一般优质冲头油基础油的灰分不大于0.01%, 而蜡丸中的各种蜡质原料其灰分至少在0.1-0.5%，加之蜡丸加工工艺决定了其中无机润滑材料的分散不可能非常均匀，其在料管内的残留和污染也是不容忽视的。

　　评价润滑剂的物理性能指标很多，目前主要有密度，针入度，滴点，闪点，着火点，倾点，凝点，水分，沉淀物，机械杂质和黏度等。化学性能指标主要有酸值，碱值，中和值，碘值，硫氰值，皂化值，酯化值，含皂量，使用后的残碳，灰分和焦值，抗污染性，氧化度，过氧值，羟基值，羟值，乙酰值和蒸发度，防锈性和防腐蚀性，耐热安定性，抗氧化安定性等。围绕上述评价指标针对油基和水基冲头油的系统研究已持续了多年，至今还在不断改进和完善。例如对耐热稳定性的研究，它集中体现了润滑剂对热分解或热叠合的抵抗性能，是压铸冲头润滑的重要使用性能指标。热稳定性很难用添加剂改善，主要取决于润滑剂分子结构。如合成润滑油的耐热性就好，超高度精制的石蜡基油与环烷基油的热分解温度均达到了343-371ºC，可以很好地满足冲头润滑的要求。而针对冲头润滑颗粒珠的系统研究工作尚处在起步阶段，如蜡丸的润滑机理，热稳定性都是使用者关注的焦点。期待着专业人士在该领域的研究与创新，更希望压铸同仁以稳健的科学精神，选好和用好冲头润滑颗粒珠这项新技术。

　　(本文经东南大学吴炳尧教授和加拿大多伦多市政府资深技术顾问连豹博士审阅并对专业知识进行了必要的补充和删改)