Tài liệu Nghiên cứu sản xuất dầu bôi trơn cho quá trình cán kéo dây kim loại

Bé c«ng th−¬ng ViÖn hãa häc c«ng nghiÖp viÖt nam B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu khcn Tªn ®Ò tµi: Nghiªn cøu S¶N XUÊT DÇU B¤I TR¥N CHO QU¸ TR×NH C¸N KÐO D¢Y KIM LO¹I §Ò tµi nghiªn cøu KHCN cÊp Bé TS. §inh V¨n Kha 7636 01/02/2010 Hµ Néi, 12/2009 Bé c«ng th−¬ng ViÖn hãa häc c«ng nghiÖp viÖt nam B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu khcn Tªn ®Ò tµi: Nghiªn cøu S¶N XUÊT DÇU B¤I TR¥N CHO QU¸ TR×NH C¸N KÐO D¢Y KIM LO¹I §Ò tµi nghiªn cøu KHCN cÊp Bé Chñ nhiÖm ®Ò tµi: TS. §inh V¨n Kha C¸n bé tham gia: ThS. §inh V¨n Nam KS. Hµ V¨n Léc ThS. D−¬ng ThÞ H»ng KS. Bïi Ph¹m NguyÖt Hång KS. NguyÔn ¸nh Thu H»ng Hµ Néi, 12/2009 MỤC LỤC Mở đầu .................................................................................................................... 2 Phần 1. Tổng quan .................................................................................................... 3 1.1. Quá trình cán kéo kim loại.................................................................................. 3 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cán kéo kim loại .......................................... 5 1.2.1. Ảnh hưởng của ma sát ..............................................................................................5 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt tới quá trình cán kéo kim loại ...............................................7 1.2.3. Áp suất và nhiệt độ khi cán kéo kim loại .................................................................7 1.2. 4. Các quá trình mài mòn và ăn mòn...........................................................................9 1.3. Chất lỏng cán kéo kim loại......................................................................................10 1.3.1. Giới thiệu về chất lỏng cán kéo kim loại................................................................10 1.3.2. Yêu cầu đối với chất lỏng cán kéo kim loại...........................................................11 1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về chất lỏng cán kéo kim loại...........13 1.3.4. Dầu thực vật dùng cho pha chế chất lỏng gia công kim loại................................ 15 Phần 2. Các phương pháp nghiên cứu, kiểm tra và đánh giá .....................................19 2.1. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................19 2.2. Các phương pháp kiểm tra đánh giá ..................................................................19 2.2.1. Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý .....................................................19 2.2.2. Các phương pháp đánh giá tính năng tác dụng......................................................20 Phần 3. Kết quả và thảo luận ...................................................................................23 3.1. Nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu dầu gốc .........................................................23 3.1.1. Các dầu gốc có độ nhớt từ thấp đến trung bình .....................................................23 3.1.2. Dầu gốc có độ nhớt cao ..........................................................................................25 3.1.3. Các loại dầu thực vật...............................................................................................26 3.2. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia cho dầu cán kéo kim loại pha chế............................30 3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia ức chế oxy hóa........................................................30 3.2.2. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia ức chế ăn mòn kim loại ..........................................31 3.2.3. Lựa chọn phụ gia tạo nhũ và làm bền nhũ .............................................................32 3.2.4. Lựa chọn phụ gia cực áp EP cho pha chế dầu cán kéo..........................................33 3.3. Pha chế dầu cán kéo kim loại ............................................................................32 3.4. Phân tích, đánh giá các mẫu dầu cán kéo pha chế ..............................................35 3.4.1. Phân tích các tính chất hóa lý .................................................................................35 3.4.2. Đánh giá tính năng tác dụng của các dầu pha chế trên máy bốn bi ......................38 3.4.3. Thử nghiệm tại cơ sở gia công kim loại.................................................................39 3.4.4. Đánh giá bề mặt kim loại sau khi sử dụng dầu cán kéo pha chế...........................42 3.5. Đơn pha chế và quy trình công nghệ sản xuất dầu cán kéo kim loại ....................44 Kết luận .................................................................................................................49 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................50 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, công nghệ luyện kim và gia công kim loại nước ta đã phát triển một cách vượt bậc. Nhiều nhà máy lớn trong lĩnh vực này với những công nghệ tiên tiến, năng suất cao đã và đang được xây dựng. Chất lỏng dùng trong gia công cán kéo kim loại là một nhóm hóa chất đặc biệt phục vụ cho công nghệ gia công kim loại hiện đại, là sản phẩm không thể thiếu trong khi cán, kéo, chuốt các loại dây, ống kim loại. Trong tình trạng mà mỗi một dây chuyền công nghệ được nhập vào, nhà sản xuất còn bị động với các dạng dầu mỡ và hóa phẩm đi kèm, thì nhu cầu về sản phẩm sản xuất trong nước là rất lớn. Ở Việt Nam số lượng và chủng loại chất bôi trơn cho quá trình gia công kim loại nói chung và dầu cán kéo nói riêng còn rất ít. Số lượng các sản phẩm của nước ngoài cũng còn hạn chế và không hẳn là loại chuyên dụng dành cho nguyên công cán kéo dây kim loại, hơn nữa giá thành lại rất cao. Việc nghiên cứu sản xuất chất bôi trơn cho quá cán kéo kim loại còn rất nhiều tiềm năng, nhất là trong điều kiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta, góp phần đáng kể vào việc hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất, hiệu quả của nguyên công cán kéo, chủ động được nguồn hàng, nâng cao tuổi thọ sử dụng của các thiết bị gia công kim loại cũng như tăng cường các tính năng cơ lý, tính thẩm mỹ cho các sản phẩm kim loại cần gia công, tạo hình. Đây cũng chính là mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu sản xuất dầu bôi trơn cho quá trình cán kéo dây kim loại”. 2 PHẦN 1 TỔNG QUAN 1.1. QUÁ TRÌNH CÁN KÉO KIM LOẠI Gia công kim loại là quá trình làm biến dạng kim loại bao gồm quá trình cắt gọt kim loại và tạo hình cho kim loại [1]. Trong quá trình này sẽ xảy ra sự tiếp xúc của hai vật thể rắn với nhau: dụng cụ và vật gia công. Sự tiếp xúc này gắn với hoặc sự biến dạng dẻo của kim loại hoặc tạo ra một hình dạng mới bằng cách cắt gọt vật liệu theo ý muốn. Quá trình cán kéo kim loại thuộc nhóm xử lý tạo hình kim loại, trong đó 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 lí tính tốt hơn. Quá trình cán kéo kim loại xuất hiện ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp: công nghiệp ô tô, máy bay, đồng hồ, thiết bị điện, điện tử, vv... 90% sản phẩm kim loại và hầu hết kim loại trong công nghiệp xây dựng đều qua giai đoạn gia công này. Cán kim loại là quá trình làm biến dạng kim loại hoặc vật liệu khác giữa các trục quay gọi là trục cán [2]. Trong quá trình cán, các trục cán quay theo hai chiều ngược nhau, nhờ có ma sát lăn mà ăn phôi kim loại vào khe hở giữa chúng, ép lên phôi, làm biến dạng kim loại theo chiều dọc (giãn dài) và bề dày là chính và một phần theo chiều rộng (giãn ngang). Khi cán có sự biến đổi kích thước của phôi cán theo các chiều khác nhau nhưng tổng thể tích là không thay đổi (hình 1). A B Hình 1. Mô phỏng quá trình cán kim loại A. Trước khi cán B. Sau khi cán Kéo sợi kim loại: Kéo là quá trình làm biến dạng dẻo khi phôi được kéo qua khuôn kéo có dạng của một ống trụ với một đầu ra hình chóp nón cụt. 3 Khi phôi kéo đi qua khuôn kéo thì bị biến dạng thành sợi dây hoặc thanh có tiết diện ngang là hình dạng và kích thước của lỗ khuôn kéo và có chiều dài tăng lên theo quá trình kéo. Sản phẩm kéo sợi là tạo ra những sợi dây, thanh kim loại hoặc ống tuyp có kích thước khác nhau. Thường thì khi kéo sợi kim loại được gia công từ kích thước lớn rồi các kích thước nhỏ dần [1]. Qua gia công kéo, nhìn chung độ bền kéo của kim loại được tăng lên. Người ta phân biệt ra kéo sợi nhanh và kéo sợi chậm, kéo sợi nhanh tốc độ từ 5 m/s trở lên còn kéo sợi chậm tốc độ < 0,5 m/s. Quá trình kéo được thể hiện ở hình 2. Khuôn kéo Thanh kim loại trước khi kéo Thanh kim loại sau khi kéo Hình 2. Mô phỏng quá trình kéo kim loại Đối tượng của quá trình cán kéo kim loại là các vật liệu bằng kim loại hoặc hợp kim khác nhau; hợp kim sắt hoặc không phải là sắt, các loại thép không gỉ, các loại thép hợp kim cứng có Cr, Ni, Ti, đồng và các hợp kim đồng, nhôm và các hợp kim có nhôm… Đó là các vật liệu có độ cứng mềm và hoạt tính hoá học rất khác nhau. Trong khi gia công biến dạng cán kéo, bên cạnh hiện tượng biến dạng dẻo một loạt yếu tố xuất hiện xảy ra đó là: ma sát, mài mòn, sinh nhiệt, kẹt dính, bong tróc, biến đổi về màu sắc, trạng thái liên kết, độ bóng, sức bền vật liệu. Các yếu tố này sẽ có ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình cán kéo. Có hai đặc điểm trong gia công cán kéo kim loại cần chú ý là: - Sử dụng lực (cán, kéo) rất lớn. - Các mặt ma sát tiếp xúc với nhau rất chặt chẽ. 4 1.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CÁN KÉO KIM LOẠI 1.2.1. Ảnh hưởng của ma sát Ma sát là hiện tượng gắn liền với cán kéo kim loại [2]. Nếu không có lực ma sát thì không thể có quá trình cán, kéo, chuốt diễn ra. Trong quá trình cán kéo thì lực ma sát là sự tồn tại hiển nhiên khi có các bề mặt tiếp xúc với nhau, tác động lên nhau và chuyển dịch tương đối. Ma sát gồm ma sát khô, ma sát ướt và ma sát hỗn hợp. Trong gia công cán kéo kim loại có sự tiếp xúc khít khao giữa các bề mặt dưới tải trọng lớn, chất bôi trơn nằm giữa khe đó ở dạng cực mỏng (bề dày chỉ cỡ 1-20 phân tử), không choán toàn bộ bề mặt. Do đó, ma sát hỗn hợp hay ma sát giới hạn xảy ra khi giữa hai bề mặt tồn tại cả ma sát khô lẫn ma sát ướt là dạng ma sát chủ yếu xảy ra trong quá trình gia công cán kéo kim loại. Ma sát tĩnh và ma sát động [3] Ma sát tĩnh tồn tại khi các bề mặt tiếp xúc ở trạng thái nghỉ. Trong cán kéo kim loại, ma sát tĩnh xuất hiện khi hệ thống cán kéo ở trạng thái chưa làm việc. Ma sát động sinh ra khi có sự chuyển động của các bề mặt tiếp xúc với nhau. Hệ số ma sát tĩnh lớn hơn hệ số ma sát động. Ma sát động xuất hiện khi hệ cán kéo bắt đầu làm việc. Ma sát động gồm ma sát trượt và ma sát lăn. Ma sát trượt xảy ra khi hai bề mặt trượt lên nhau. Khi kéo sợi kim loại xuất hiện ma sát trượt giữa bề mặt phôi và bề mặt trong của lỗ khuôn kéo. Ma sát lăn là ma sát khi một vật lăn hoặc một trục lăn chuyển động trên một bề mặt vật khác, như ma sát giữa trục cán và phôi, giữa những con lăn graphit bôi trơn nằm giữa hai bề mặt tiếp xúc khi gia công. Hệ số ma sát lăn thấp hơn hệ số ma sát trượt do đó trong điều kiện có thể người ta tìm cách thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn. Ma sát lăn là dạng ma sát chủ đạo khi cán kim loại, là ma sát của trục cán lăn trên bề mặt tiếp xúc của phôi [1], [2]. Khi cán kim loại, hệ số ma sát 5 giữa các trục lăn và phôi không được quá cao (công suất tiêu hao nhiều) mà cũng không được quá thấp (lực ma sát không đủ lớn dẫn đến trơn trượt, phôi không lăn vào khe giữa các trục cán). Nếu như lớp chất lỏng bôi trơn dày, hiện tượng ma sát thủy động diễn ra với hệ số ma sát thấp, trục cán không ăn phôi, không thể làm chuyển động phôi qua khe cán được, quá trình cán không thực hiện được. Khi kéo dây, lực kéo tác động lên phôi gây ra một lực tác động lên thành khuôn điều đó cũng có nghĩa là khuôn tác động một lực theo chiều ngược lại lên phôi làm cho phôi biến dạng. Đồng thời với quá trình biến dạng của phôi là quá trình trượt của bề mặt phôi trên bề mặt thành lỗ khuôn. Lực ma sát xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc của phôi với bề mặt của thành lỗ khuôn là rất lớn và tăng theo độ lớn của lực kéo. Lực ma sát này cản trở việc chuyển động của dây đi qua khuôn, làm nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc tăng lên tới mức có những điểm riêng kim loại bị nóng chảy, có thể dẫn tới hiện tượng kẹt dính dây kim loại với khuôn kéo. Để chống lại hiện tượng ma sát và kẹt dính này cần thiết phải bôi trơn và làm mát. Khi gia công các kim loại ta tác động lực vào các đối tượng kim loại khác nhau để tạo ra những tấm, thanh hoặc sợi dây kim loại có dạng và kích thước rất khác nhau. Như vậy, ma sát trong khi gia công kéo sợi là rất phức tạp và phong phú vì vậy đòi hỏi phải có những chất lỏng, hợp phần dùng kéo sợi rất cụ thể theo nhu cầu của người sử dụng. Ma sát trong cán kéo kim loại vừa là yếu tố có lợi cũng là yếu tố cần hạn chế. Ma sát trong gia công cán kéo kim loại cần phải chú ý các điểm sau đây: - Ma sát xuất hiện trong đó là dạng ma sát hỗn hợp. - Ma sát động bao gồm cả ma sát trượt và ma sát lăn. Cần phải hiểu về hiện tượng ma sát đang diễn ra trong quá trình cán kéo để khống chế lực ma sát trong bằng cách sử dụng cách bôi trơn và chất bôi trơn thích hợp. 6 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt đến quá trình cán kéo kim loại Sự biến đổi năng lượng khi cán kéo kim loại thể hiện ở công gây ra sự chuyển động của trục cán, phôi kéo sự biến dạng của vật liệu mà còn thể hiện ở sự sinh ra một lượng nhiệt rất lớn [1], [2]. Nhiệt sinh ra làm cho trục cán, khuôn kéo, vật liệu được cán kéo nóng lên. Tại những điểm cục bộ nhiệt sinh ra lớn đến mức nóng chảy kim loại gây ra hiện tượng dính, kẹt, bong tróc, làm xấu bề mặt sản phẩm. Lượng nhiệt này cũng tác động trở lại đến cấu trúc tinh thể, các lực liên kết trong nội tại của kim loại được gia công làm biến đổi chất lượng sản phẩm. Nhiệt sinh ra cũng lại ảnh hưởng đến ngay cả các quá trình hóa học liên quan tới dầu gia công và kim loại, như xúc tiến việc tạo ra hoặc mất đi lớp oxit kim loại trên bề mặt gia công, giúp cho sự hình thành các hợp chất bề mặt do phản ứng giữa phụ gia và kim loại trên bề mặt. Các hợp chất bề mặt hình thành lại tác động lên chính quá trình gia công. Nhiệt sinh ra trong quá trình cán kéo là rất lớn vì vậy việc làm mát trở nên một công việc quan trọng khi gia công cán kéo kim loại. Các chất lỏng gia công kim loại sẽ có mặt để tải nhiệt ra khỏi bề mặt gia công. Ngoài ra chúng còn có tác dụng như một tác nhân nhiệt luyện. 1.2.3. Áp suất và nhiệt độ khi cán kéo kim loại Khi gia công kim loại xuất hiện áp lực tác dụng lên phôi kim loại và những chất nằm giữa hai bề mặt tiếp xúc chuyển động với nhau. Tại các mặt tiếp xúc khi cán kéo có những điểm lồi lõm cục bộ, làm cho các bề mặt không hoàn toàn tiếp xúc với nhau. Người ta nhận thấy rằng bề mặt tiếp xúc thực giữa vật liệu và dụng cụ (trục cán, khuôn kéo) có thể chỉ bằng 5% bề mặt biểu kiến vì vậy áp suất cục bộ rất lớn, có thể lên tới 1.000-3.000 N/mm2, áp lực dầu trong khuôn kéo tác dụng lên thành khuôn có thể lên tới 3.000 bar [1], [3]. Trong điều kiện áp suất như vậy, nhiệt độ ở những điểm cục bộ có thể lên rất cao có khi đạt tới 1000oC và hơn thế nữa làm cho kim loại chảy ra gây nên hiện tượng hàn dính giữa phôi cán và trục cán giữa phôi kéo và lỗ khuôn kéo, 7 gây nên hiện tượng kẹt, tróc ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt của sản phẩm gia công. Áp suất lớn, nhiệt độ cao có ảnh hưởng đến các quá trình lý hóa của các chất nằm trên (hoặc giữa) các bề mặt tiếp xúc như chuyển trạng thái, tương tác phản ứng. Tuy nhiên phải xét nhiệt độ, áp suất trong mối quan hệ nhiệt lượng với áp lực nghĩa là quan hệ cục bộ và toàn bộ. Ví dụ có những điểm cục bộ mà áp suất lên tới 106N/m2 kết quả là độ nhớt tăng rất cao. Mặc dù vậy dầu ở điểm đó vẫn ở trạng thái lỏng vì cũng tại ở đó, nhiệt độ tăng mạnh làm cho dầu lỏng ra. Sự chênh lệch áp suất lại có tác dụng thuận lợi cho việc bôi trơn khi gia công kim loại: do khuôn kéo là một hình trụ có đầu chóp nón cụt cho nên trong quá trình kéo sợi, chất lỏng bôi trơn làm mát được hút vào khuôn kéo nhờ sự chênh lệch áp suất lối vào khuôn kéo với áp suất bên trong lòng khuôn. Khi cán kéo kim loại, lực có tác dụng làm biến dạng, thắng ma sát nhưng nó cũng có tác dụng gạt, đẩy hoặc làm văng chất bôi trơn ra khỏi bề mặt ma sát. Để khắc phục điều này cần xem xét đến tính dính bám của chất bôi trơn [2]. Khi kéo sợi, nếu đường kính lỗ kéo càng nhỏ, áp suất tác dụng lên thành khuôn càng lớn thì xu hướng dầu bị đẩy ra khỏi bề mặt phôi càng tăng do đó tính dính bám của chất bôi trơn là rất quan trọng. Khi cán kim loại, áp suất tác động lên bề mặt lại gạt những chất bôi trơn ra khỏi bề mặt tiếp xúc (bề mặt trục cán, phôi cán) làm chúng mất tác dụng bôi trơn và tác dụng ngăn cách. Như vậy chất bôi trơn cần thiết phải có khả năng bám dính bề mặt ma sát [1], [2], [4]. Có một số biện pháp duy trì chất bôi trơn trên các bề mặt này: 8 - Dùng các chất bôi trơn làm mát có tính hoạt động bề măt để chúng bám chắc vào bề mặt. - Dùng chất mang như lớp phosphat hóa, lớp oxalat là những chất bám chặt vào bề mặt đồng thời lại mang theo chất bôi trơn làm mát. - Dùng phụ gia chịu áp. Tùy mức độ chịu áp suất mà phân biệt thành phụ gia chịu áp trung bình MP hoặc phụ gia chịu cực áp EP. Áp suất và nhiệt độ trong cán kéo là yếu tố đặc biệt quan trọng ảnh hưởng đến quá trình cán kéo và ảnh hưởng lên chất gia công kim loại. Vì vậy cần xét các yếu tố áp suất và nhiệt độ để lựa chọn chất lỏng bôi trơn thích hợp cho gia công cán kéo kim loại. Ngoài ra, khi lựa chọn cũng cần phải xét đến tương tác của chúng đối với bề mặt trong các điều kiện khác nhau. Chẳng hạn các phụ gia có các hợp chất có S gây ra biến sắc đối với kim loại đồng, hợp kim có đồng vì tạo ra sulfua đồng. Có thể đưa các chất chịu áp lên bề mặt kim loại bằng cách lựa chọn chất mang chúng như: dùng chất hoạt tính bề mặt, sử dụng chất mang dầu như các phosphat, oxalat hoặc tạo độ nhám của bề mặt. 1.2.4. Các quá trình mài mòn và ăn mòn Về lý thuyết thì sau quá trình cán kéo, vật có thể biến dạng theo các chiều khác nhau nhưng tổng thể tích thì không đổi. Tuy vậy vẫn phải kể ra một lượng nào đó của kim loại bị mất đi do mài mòn, do hiện tượng kẹt dính, bị bong tróc do bề mặt bị ăn mòn,... những sản phẩm này sinh ra làm bẩn bề mặt được gia công, trục cán, khuôn kéo, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, gây hư hỏng trục cán, khuôn kéo vì vậy nó cần được loại bỏ khỏi bề mặt sản phẩm, trục cán, khuôn kéo [4]. Sự mài mòn, xây xước: Trong quá trình chuyển động giữa hai bề mặt có độ gồ ghề, lồi lõm, một số điểm nhô lên bị biến dạng dẻo giúp cho vật gia công có bề mặt mới bóng hơn, một số điểm gồ ghề khác bị cắt đisinh ra các hạt kim loaị bị mài mòn. Các hạt này tồn tại trên hai bề mặt tiếp xúc ảnh hưởng đến sự mài mòn tiếp theo và đến sự bôi trơn của hai bề mặt tiếp xúc. 9 Những hạt rắn không chỉ gây nên mài mòn mà còn tạo ra các vệt xước trên khuôn kéo trục cán và trên bề mặt sản phẩm. Kẹt dính: Áp suất, nhiệt độ cao khiến cho kim loại bị chảy lỏng kết quả là sinh ra sự kẹt dính giữa bề mặt phôi gia công và bề mặt của khuôn kéo, trục cán. Bong tróc lớp kim loại đã dính vào nhau là kết quả tiếp theo của quá trình đó. Các sản phẩm của kẹt dính, bong tróc góp phần tạo ra những chất bẩn bề mặt khi cán kéo kim loại. Oxy hóa, ăn mòn, gỉ: Không khí, độ ẩm của không khí, các tác nhân ăn mòn sẵn có trong môi trường không khí và trong các chất tiếp xúc với bề mặt kể cả các chất bôi trơn-làm mát gây nên hiện tượng oxy hóa, ăn mòn bề mặt nói chung và hiện tượng gỉ nói riêng. Các sản phẩm oxy hóa, ăn mòn và gỉ tiếp tục tồn tại trên bề mặt tiếp xúc gây lên các tác dụng theo chiều hướng cả có lợi lẫn có hại mà tác dụng có hại là nhiều liên quan đến ma sát, mài mòn, độ sạch và chất lượng bề mặt gia công. Cặn bẩn kim loại: Khi cán kéo kim loại không phải toàn bộ kim loại được biến dạng mà có một phần bị tiêu hao do mài mòn, bong tróc. Phần kim loại này tạo ra chất bẩn trên sản phẩm và trên bề mặt trục cán khuôn kéo. Các chất bẩn này làm xấu chất lượng bề mặt sản phẩm, và khi chúng còn ở lại trên hệ thống thì tiếp tục gây những tác hại như mài mòn vì vậy cần phải được loại bỏ. Một trong những cách thuận lợi nhất là lôi cuốn, loại chúng theo các chất lỏng gia công kim loại. Các chất lỏng như dầu, nhũ tương đều có thể đảm đương tốt nhiệm vụ này một cách hiệu quả. 1.3. CHẤT LỎNG CÁN KÉO KIM LOẠI 1.3.1. Giới thiệu về chất lỏng cán kéo kim loại Nhiệm vụ của chất bôi trơn trong quá trình gia công kim loại nói chung và quá trình cán kéo nói riêng là giảm lực ma sát, làm mát, giải tỏa nhiệt do ma sát gây ra, giảm số lượng và kích cỡ các điểm hàn dính, chống ăn mòn, chống gỉ và từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm gia công. Khi lực ma sát giảm, có thể giảm trở lực biến dạng của kim loại, từ đó giảm tổng lực tác 10 dụng của kim loại lên dụng cụ và giảm công tiêu hao, giảm độ mài mòn dụng cụ, nâng cao tuổi thọ dụng cụ [1], [2]. Chất lượng sản phẩm gia công được thể hiện ở độ chính xác của hình dạng kích thước của sản phẩm, màu sắc, độ bóng, độ bền của sản phẩm,... Khi lựa chọn chất bôi trơn cần xem xét đến khả năng tương tác của chúng với kim loại; khả năng đóng vai trò của một tác nhân nhiệt luyện mà từ đó ảnh hưởng lên cấu trúc kim loại của sản phẩm hình thành. 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, bao gồm cả quá trình cán kéo kim loại. Các kim loại khác nhau, các quá trình biến hình khác nhau sẽ sử dụng các chất bôi trơn khác nhau. Nhìn chung, mọi chất lỏng bôi trơn cho quá trình gia công kim loại dù thế hệ mới hay cũ đều gồm thành phần cơ bản là: chất nền (có thể là dầu khoáng, dầu tổng hợp, dầu động thực vật hoặc nước) và các phụ gia cơ bản như: phụ gia chống hàn dính, phụ gia cực áp (đối với những trường hợp nguyên công khắc nghiệt), phụ gia tạo nhũ (đối với trường hợp sử dụng ở dạng nhũ hóa với nước), phụ gia ức chế ăn mòn. Ngoài ra còn một số phụ gia khác như: phụ gia chống khuẩn, phụ gia chống tạo bọt, phụ gia tăng chỉ số độ nhớt. Có ba kiểu chất bôi trơn dùng trong quá trình cán kéo kim loại: dầu, nhũ tương và các sản phẩm gốc nước. Nhũ tương dầu trong nước được sử dụng nhiều nhất để vừa làm chất bôi trơn vừa làm chất làm mát. Nhũ tương thường chứa từ 2-5% khối lượng dầu bôi trơn. Dầu này có thể là dầu khoáng, dầu tổng hợp hoặc dầu động, thực vật và các phụ gia (phụ gia tạo nhũ, phụ gia tribology, chất ức chế ăn mòn, chất chống khuẩn, phụ gia cực áp,...). 1.3.2. Yêu cầu đối với chất lỏng cán kéo kim loại Để đảm bảo được các vai trò như đã phân tích ở trên, chất lỏng cán kéo kim loại phải đảm bảo được các yêu cầu sau [4], [9]: 11 - Tính năng bôi trơn tốt để quá trình cán kéo diễn ra thuận lợi, phôi được ăn vào trục cán, biến dạng và thoát ra dễ dàng, dây được kéo qua khuôn dễ dàng và đều đặn, không bị cào xước, kẹt dính do đó năng suất của máy được nâng cao mà chất lượng sản phẩm cũng được ổn định; - Tính dính bám tốt. Đây là một yêu cầu đặc biệt đối với chất lỏng cán kéo như đã đề cập ở trên. Chất lỏng muốn thực hiện được việc bôi trơn trong điều kiện của ma sát giới hạn trong gia công cán kéo thì bắt buộc phải có khả năng bám dính; - Khả năng dẫn nhiệt, làm mát tốt. Tác dụng làm mát giúp cho việc khống chế nhiệt độ quá trình gia công có ảnh hưởng có lợi cho chất lượng sản phẩm. Việc bôi trơn và làm mát tốt tạo điều kiện kéo dài tuổi thọ khuôn kéo, tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm; - Chống ăn mòn và chống gỉ tốt. Các chất này phải không gây ăn mòn, gỉ khi tiếp xúc với phôi kim loại, khuôn kéo, trục cán trong khi gia công và khi đã hình thành sản phẩm. Điều này là cần thiết đối với chất lượng sản phẩm và tuổi thọ của thiết bị gia công, tránh tổn phí để xử lý chống mòn gỉ sau gia công; - Có khả năng làm sạch nhanh chóng, dễ dàng. Các chất này phải có tác dụng làm sạch với sản phẩm cán kéo ra cũng như không để các chất bẩn dính lên các chi tiết của khuôn kéo, bề mặt trục cán. Bản thân các chất này không tạo ra những cặn bẩn và có thể loại bỏ dễ dàng khi rửa sản phẩm bằng các dung môi rẻ tiền, dễ kiếm; - Tính an toàn với con người và thân thiện với môi trường; - Không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm như làm biến sắc, biến đổi cơ lý tính sản phẩm theo chiều hướng xấu. Khả năng cải thiện chất lượng sản phẩm như tăng độ bóng, độ cứng, độ bền của sản phẩm là các tính năng tác dụng mong muốn. Ngày nay người ta sử dụng những chất gia công kim loại góp phần tạo ra sản phẩm có độ chính xác cao về hình dạng kích thước, màu sắc và độ 12 bóng của bề mặt mà còn có biến đổi về chất lượng bên trong sản phẩm như tác dụng nhiệt luyện làm cho sản phẩm có độ bền cao hơn, độ cứng, đàn tính, độ chịu lực kéo dãn, lực phá hủy. 1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về chất lỏng cán kéo kim loại 1.3.3.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài Các nghiên cứu của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng về các sản phẩm bôi trơn cho quá trình biến hình kim loại và đặc biệt các chất bôi trơn chuyên dùng cho quá trình cán kéo không được phong phú như các sản phẩm bôi trơn khác như dầu động cơ, chất lỏng thủy lực, dầu phanh,.... Gần đây, hướng nghiên cứu của nước ngoài về pha chế dầu bôi trơn cho quá trình gia công kim loại thiên về sử dụng dầu tổng hợp và các sản phẩm tan trong nước làm chất nền [10]. US Patent 7008909 đưa ra một loại dầu cán kéo kim loại được pha chế từ este tổng hợp có mạch nhánh ở vị trí α. Este này đồng thời tác dụng như phụ gia cực áp EP. Sản phẩm pha chế có tính bôi trơn tốt và độ bền thuỷ phân cao, do đó, kéo dài tuổi thọ của sản phẩm trong sử dụng [11]. US Patent 6448207 nghiên cứu sử dụng nước, các sản phẩm tan trong nước để pha chế chất lỏng gia công kim loại (etylenglycol, sterat kim loại, cacbonat, chất hoạt động bề mặt và chất ức chế ăn mòn) [12]. US Patent 6258759 sử dụng nước, chất hoạt động bề mặt, silicon, phụ gia ức chế ăn mòn kim loại trong thành phần chất lỏng cắt gọt kim loại [13]. US Patent 6204225 sử dụng dầu thực vật làm chất nền, chất hoạt động bề mặt loại không ion, phụ gia ức chế ăn mòn kim loại, phụ gia chống tạo bọt [14]. US Patent 6242391 lại sử dụng các dung môi ancol làm chất nền, các muối brom, flo làm phụ gia chống hàn dính, ngoài ra còn có phụ gia ức chế gỉ, phụ gia chống khuẩn [15]. Việc sử dụng dầu tổng hợp và các sản phẩm tan trong nước làm chất nền là hướng nghiên cứu mới tuy nhiên nếu triển khai thực hiện ở nước ta sẽ làm giá thành sản phẩm tăng rất cao vì nước ta chưa có nền công nghiệp hóa 13 dầu nên các nguyên liệu này đều phải nhập ngoại. Vì vậy, hướng sử dụng các dầu gốc khoáng vẫn trong thời gian tới vẫn là hướng nghiên cứu chính. 1.3.3.2. Các nghiên cứu trong nước về dầu cán kéo kim loại Ở Việt Nam số lượng và chủng loại chất bôi trơn cho quá trình gia công kim loại còn rất ít. Một số sản phẩm đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tế chủ yếu được sản xuất từ Công ty phụ gia và các sản phẩm dầu mỏ APP (với các chất lỏng gia công kim loại APP Avitol 3, Avitol 2, dầu kéo dây đồng DTK 2), Công ty cổ phần hóa dầu Petrolimex (với 2 sản phẩm là PLC Cutting oil, Rolling oil). Các sản phẩm này đều được khuyến cáo dùng cho các quá trình gia công kim loại nói chung mà không phân biệt rõ loại hình gia công và loại kim loại (ngoại trừ sản phẩm APP DTK 4). Các chất lỏng gia công kim loại sản xuất tại Việt Nam gần đây cũng được chú ý nghiên cứu hơn, đặc biệt là sản phẩm dùng cho cán kéo dây đồng. Tuy nhiên đa phần các sản phẩm này vẫn có một hạn chế chung, khó khắc phục là sau khi gia công từ 1÷2 tháng bề mặt đồng bị đổi màu từ vàng sáng sang vàng sẫm. Điều này có thể là do tác động của môi trường tác động lên bề mặt dây đồng làm biến đổi chất lượng dây hoặc có thể do màng dầu bảo vệ trên bề mặt đồng không đủ dày và không đảm bảo chất lượng để tạo ra một lớp bảo vệ hiệu quả. Các sản phẩm của các hãng nước ngoài nhập vào thị trường Việt Nam hoặc có sản xuất tại Việt Nam gồm có các loại dầu Bestril của hãng Brugarolas (Tây Ban Nha), của Shell, BP, Castrol, Mobil. Các sản phẩm này được chia làm hai dòng: loại sử dụng ở dạng tạo nhũ với nước và loại không tạo nhũ với nước. Các sản phẩm này chủ yếu dùng dầu gốc khoáng làm chất bôi trơn nền [8]. Các loại sản phẩm này có giá thành rất cao. Như vậy, việc nghiên cứu sản xuất chất bôi trơn cho quá trình gia công kim loại nói riêng và cán kéo kim loại nói chung còn nhiều tiềm năng, nhất là trong điều kiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta, góp phần đáng kể 14 vào việc hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất, hiệu quả của nguyên công cán kéo, chủ động được nguồn hàng, nâng cao tuổi thọ sử dụng của các thiết bị gia công kim loại cũng như tăng cường các tính năng cơ lý, tính thẩm mỹ cho các sản phẩm kim loại cần gia công, tạo hình. 1.3.4. Dầu thực vật dùng cho pha chế chất lỏng gia công kim loại Dầu thực vật gần đây đã được nghiên cứu sử dụng làm dầu bôi trơn đặc biệt ở Tây Âu và Mỹ. Một số sản phẩm thương mại đã có sẵn trên thị trường như Sunyl của Lubrizol, Biostar của Caltex. Dầu thực vật có nhiều ưu điểm so với dầu gốc khoáng và dầu gốc tổng hợp [5], [6], đó là: - Khả năng bôi trơn tốt hơn hẳn dầu khoáng do có độ phân cực cao tạo khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại. Hơn nữa chúng có tính chất nhiệt nhớt tuyệt hảo (VI từ 150 – 200) và điểm chớp cháy cũng rất cao. - Dầu thực vật có nguồn cung cấp rất dồi dào, được tái tạo và giá cả hợp lý. Chúng cao hơn dầu khoáng từ 1-1,2 lần trong khi dầu tổng hợp lại cao hơn dầu khoáng từ 5-15 lần. - Có khả năng phân hủy sinh học cao hơn hẳn so với dầu khoáng và dầu tổng hợp - Các nhóm chức trong dầu thực vật như nhóm hydroxy, epoxy lại rất hữu ích cho tính năng tác dụng của dầu bôi trơn. Khả năng giảm ma sát của các dầu có mạch cacbon dài và thẳng từ 10 cacbon trở lên là rất tốt và đã được chứng minh. Dầu Jojoba có khả năng chống mài mòn rất tốt, tương đương với tricresyl photphat là phụ gia chống mài mòn thường được sử dụng cho dầu động cơ. Có 3 xu hướng sử dụng dầu thực vật cho pha chế dầu bôi trơn: - Thứ nhất là sử dụng dầu tinh chế không qua biến tính hóa học làm thành phần chính và có kết hợp sử dụng các phụ gia. Cách này phù hợp 15 với các loại dầu tương đối bền oxy hóa và có điểm đông thấp như các loại dầu giàu oleic (đã được áp dụng ở Tây Âu và Mĩ); - Thứ hai là sử dụng hỗn hợp dầu thực vật được biến tính hóa học tạo ra các sản phẩm bán tổng hợp. Cách này được áp dụng đối với các loại dầu có hàm lượng lớn các axit không no với nhiều nối đôi trong mạch; - Thứ ba là kết hợp sử dụng dầu thực vật và dầu khoáng cho pha chế dầu Hai xu hướng sau đặc biệt phổ biến ở các nước có nguồn dầu thực vật đa dạng như Ấn Độ, Malaysia,... Dầu thực vật có một số điểm khác cơ bản đối với dầu gốc khoáng: - Phân tử lượng cao hơn so với dầu gốc khoáng có cùng cấp độ nhớt - Mức độ không no của các triglyxerit giúp cải thiện đáng kể tính chất nhiệt độ thấp nhưng lại làm giảm độ bền oxy hóa và một số tính chất bôi trơn khác - Thành phần hóa học khá đồng nhất và được phân loại theo các axit béo có chứa nhiều nhất trong dầu. Các axit này được chia thành no (axit myristic, lauric, palmitic, stearic,...), không no một nối đôi (axit oleic, eruxic), không no nhiều nối đôi (linoleic, linolenic) và các thành phần đặc biệt (có nhóm hydroxyl, epoxy). Dầu có hàm lượng axit oleic cao thì có tính chất nhiệt độ thấp tốt hơn dầu no và ổn định oxy hóa hơn hẳn dầu không no nhiều nối đôi. Ở Việt Nam việc sử dụng dầu thực vật cho pha chế dầu bôi trơn còn khá mới mẻ, có một vài nghiên cứu về sử dụng dầu thực vật biến tính làm phụ gia cho dầu còn việc nghiên cứu sử dụng chúng làm hợp phần chính cho dầu bôi trơn thì chưa được đầu tư nghiên cứu một cách hệ thống. Từ các đánh giá, nhận định trên, nhóm đề tài lựa chọn ra 4 loại dầu thực vật (dầu lạc, dầu thầu dầu, dầu đỗ tương, dầu hạt cao su) để từ đó thử nghiệm pha chế chúng thành một hợp phần chính cho dầu cán kéo kim loại pha chế. Đây là những loại dầu sẵn có ở Việt Nam. 16 - Dầu lạc: Diện tích trồng lạc ở nước ta là 300 ha, tập trung ở các tỉnh Bắc Giang, Nghệ An, Tây Ninh, Long An, Đồng Nai, Sông Bé. Hằng năm thu hoạch được gần 200 nghìn tấn, trong đó 70 nghìn tấn dùng để ép lấy dầu. Axit béo chủ yếu trong dầu lạc là axit oleic, axit linoleic 13-30 %. Thành phần cơ bản của dầu lạc được nêu dưới đây: Axit Linoleic, % kl: Axit Oleic, % kl: Axit no, % kl: 13-27 53-71 3-6 - Dầu đậu tương: Cây đậu tương được trồng chủ yếu ở các tỉnh phía Nam (Đồng Nai, Đồng Tháp) và một vài vùng ở các tỉnh phía Bắc. Diện tích trồng đậu tương khoảng 10 nghìn ha, năng suất cây trồng còn thấp, trung bình 800 kg hạt/ha. Hàm lượng dầu trong hạt đậu tương khoảng 20-22% [6]. Axit béo chủ yếu trong dầu đậu tương là: axit oleic, axit linoleic. Thành phần cơ bản của dầu đậu tương được nêu dưới đây: Axit Linoleic, % kl: Axit Oleic, % kl: Axit Linolenic, % kl: Axit no, % kl: 35-60 20-50 2-12 12 - Dầu thầu dầu: Dầu thầu dầu là nguyên liệu chính để sản xuất dầu phanh và chất thấm ướt cho ngành dệt nhuộm và thuộc da. Từ rất lâu, dầu thầu dầu đã được ứng dụng để sản xuất dầu bôi trơn và đặc biệt là mỡ bôi trơn chất lượng cao. Có rất nhiều tài liệu nói về dầu thầu dầu biến tính được ứng dụng làm phụ gia trong các chế phẩm bôi trơn. Thầu dầu được trồng nhiều ở các tỉnh Phú Thọ, Bắc Giang, Hòa Bình, Thanh Hóa. Năng suất cây trồng tương đối thấp, khoảng 1000-1200 kg/ha. Hàm lượng dầu trong hạt là 5060%. Thành phần chính của dầu thầu dầu là axit rixinoleic, chiếm 80-90%. Thành phần cơ bản của dầu thầu dầu được nêu dưới đây: Axit Linoleic, % kl: 3-9 Axit Oleic, % kl: 0-8 Axit Rixinoleic, % kl: 17 86-94 Axit no, % kl: 1-3 - Dầu hạt cao su: Cây cao su được trồng nhiều ở các tỉnh Đồng Nai, Sông Bé, Tây Ninh, Đắc Lắc, Kom Tum. Tổng diện tích trồng cao su gần 200.000 ha. Lượng mủ cao su khai thác được từ 50.000 đến 60.000 tấn. Bên cạnh mủ cao su, hằng năm còn thu được 15.000-20.000 tấn dầu bằng cách ép hoặc trích ly hơi nước hạt cao su. Trung bình cứ 6 tấn quả khô ép được 1 tấn dầu. Dầu hạt cao su là một chất lỏng có màu vàng hổ phách, không tan trong nước. Đây là loại dầu thực vật có sản lượng lớn và được sử dụng nhiều nhất trong việc sơn phủ và bôi trơn. Gần đây, sản phẩm đi từ dầu hạt cao su đã được ứng dụng thành công trong dung dịch khoan của giếng khoan dầu khí. Một ưu điểm lớn của dầu này là giá thành tương đối rẻ. Thành phần cơ bản của dầu hạt cao su được nêu dưới đây: Axit Linoleic, % kl 30-40 Axit Oleic, % kl 17-30 Axit Linolenic, % kl 20-25 Axit no, % kl 20 18