MỘT SỐ BÀN LUẬN VỀ DẦU CẮT GỌT KIM LOẠI PHA NƯỚC - FULL VERSION (30/10/2022)

Lời nói đầu: Trong mục này mình sử dụng rất nhiều thuật ngữ chuyên ngành cho mảng dầu cắt gọt, một số thuật ngữ nếu dịch sang tiếng Việt thì mình cũng không biết dịch thế nào nên mong mọi người thông cảm. Thêm vảo đó, trong bài viết này sử dụng một số từ ngữ chuyên về Hoá, nhìn nhận một sản phẩm như là một đối tượng nghiên cứu của Hoá Keo, do đó người đọc nên có một số kiến thức nền về Hoá Keo để có thể nắm được nội dung của bài viết. Bài viết cũng thích hợp cho các bạn sinh viên học ngành hoá - có đam mê về hoá công nghiệp và ứng dụng của Hoá keo.

Bài viết có tham khảo một số hình ảnh từ quyển "Dầu cắt gọt kim loại" của Jerry P. Byers tái bản lần thứ ba và hình ảnh trích từ bài báo của Professor De-Hao Tsai https://bit.ly/3H9kPCp

Writer: Steven Nguyen

Figure 1: Hình ảnh mô phỏng sự khác nhau về kích thước hạt của 03 loại dầu cắt gọt pha nước

Sự phân biêt dầu neat oil và water-based MWF thì rất dễ dàng hầu như ai cũng đều có thể phân biệt. Tuy nhiên, khi đi sâu phân tích về dầu cắt gọt pha nước, sẽ có một số khái niệm thường bị nhầm lẫn ở đa số đơn vị pha chế dầu nhờn. Cụ thể là gì? Trong nội dung bài viết này tác giả sẽ đề cập để mọi người có thêm một ý niệm về sự nhầm lẫn này và cùng nhau thảo luận nhé.

 

1. PHÂN LOẠI DẦU CẮT GỌT THEO CÁCH CHÚNG TA ĐANG ĐƯỢC TRAINING

 

Thông thường, có 03 loại dầu cắt gọt là soluble oil, semi-syn và fully-syn và có một vài cách để phân biệt như sau:

 

- Phân loại dựa vào kích thước hạt nhũ (phản ánh bởi khả năng cho ánh sang truyền qua): dầu soluble oil sẽ có màu trắng sữa, dầu semi-syn có màu từ trong mờ đến trong suốt và dầu fully-syn thì 100% trong suốt như nước (Xem Figure 1)

 

- Phân loại vào hàm lượng “dầu gốc khoáng”: soluble oil chứa từ 70-85% dầu gốc khoáng, semi-syn chứa khoảng 15-30% hoặc 30-50% dầu gốc khoáng, và dầu gốc fully-syn chứa 0% dầu gốc khoáng.

Figure 2: Dầu cắt gọt semi-syn (hàm lượng dầu thấp) 

2. DẦU CẮT GỌT FULLY SYNTHETIC PHA NƯỚC CÓ THẬT SỰ TRONG SUỐT?

 

Nếu phân biệt dầu fully-syn không chứa dầu gốc khoáng, thì nghĩa là dầu cắt gọt tổng hợp có thể chứa dầu gốc tổng hợp (PAO, tri-esters hoặc mono- và di-esters). Nói đến đây sẽ có vấn đề để bàn luận rồi đây. Việc sử dụng PAO hoặc esters vào trong công thức dầu cắt gọt tổng hợp có thể hoàn toàn nhũ hoá các loại dầu này trở thành dạng vi nhũ hay không? Hay khi hoà tan chúng vào nước vẫn sẽ tạo ra hệ nhũ tương trắng sữa?

 

Trước khi đi sâu vào bàn luận vấn đề này, đề nghị mọi người lục lại tất tần tật các tài liệu training của hãng (AFTON cũ, LUBRIZOL, ITALMATCH) hay các sách khác có liên quan. Đọc lại thật kỹ cách mà hãng hay sách giới thiệu về 03 loại dầu cắt gọt pha nước nhé.

 

Theo chương 7 “The chemistry of Metal working fluid” được viết bởi Neil M. Canter trong quyển “Dầu cắt gọt kim loại” của Jerry P. Byers tái bản lần thứ ba, dầu cắt gọt tổng hợp pha nước được chia nhỏ thành 02 loại như sau:

 

- Solution synthetic fluid

- Emulsified synthetic fluid 

 

2.1. Solution synthetic fluid

 

Solution synthetic fluid có tác dụng làm mát và chống gỉ, thường dùng chính cho quá trình mài. Chúng tan 100% trong nước để tạo thành một dung dịch đồng nhất và không tồn tại bề mặt phân cách giữa chất tan (solution synthetic fluid) và dung môi (nước). Nghĩa là khi hoà tan vào nước chúng tạo thành “một dung dịch thật”, do bản chất bên trong chúng không chứa mineral oil.

Figure 3: Solution synthetic fluid concentrate (bên phải) và dung dịch đã pha loãng với nước (trái)

 

Một ví dụ điển hình cho dầu cắt gọt tổng hợp này gồm: Nước + NaNO₂công thức cơ bản nhất của dầu cắt gọt tổng hợp, thích hợp để mài các vật liệu làm bằng Fe và hợp kim của chúng.

 

Figure 4: Công thức cơ bản của Solution synthetic fluid khuyến cáo bởi BASF

 

2.2. Emulsified synthetic fluid 

 

Emulsified synthetic fluid được pha chế từ hỗn hợp chất nhũ hoá, chống gỉ, cực áp chứa S kết hợp với dầu gốc tổng hợp như PAO hoặc esters để tạo thành concentrate. Sau khi hoà tan vào nước, chúng sẽ tạo thành hệ nhũ có kích thước macro tương tự như Soluble Oil (hay gọi là dầu sữa). Thông thường PAO sẽ rất ít được dùng, và thực tế là đa số formulators sẽ thích sử dụng esters hơn để tăng cường bôi trơn cho hệ ở điều kiện cực áp theo mô hình boundary lubrication. 

 

Sản phẩm này thích hợp cho quá trình cắt gọt hơn so với Solution synthetic fluid do bên trong được tăng cường bôi trơn bằng các loại esters, chứa nhóm chức phân cực dễ dàng hấp thụ lên bề mặt kim loại và cung cấp lớp film bảo vệ tại điều kiện cực áp. 

 

3. CÁC THÔNG SỐ CỦA DẦU CẮT GỌT PHA NƯỚC - DẦU SỮA

 

3.1. Các thông số cơ bản

 

- pH tan trong nước. Thường các gói phụ gia cắt gọt sẽ thiết kế pH > 9.0 cho sắt thép inox, và pH > 8.5 cho nhôm và hợp kim nhôm.

 

- Hệ số hiệu chỉnh của khúc xạ kế. Thông thường đối với dầu sữa, chỉ số này thường ~ 1.0, với dầu bán tổng hợp và tổng hợp thì giá trị này sẽ > 1.0, thường là từ 1.3 đến 3.0 tuỳ thuộc vào từng blenders và formulators.

 

- Khả năng nhũ hoá. Các dầu sữa yêu cầu khả năng tạo nhũ 100% trong nước máy mà không bị tách dầu. 

 

- Tỉ lệ pha tối thiểu: thông thường dầu sữa được khuyến cáo với tỉ lệ pha 5%, dầu bán tổng hợp và tổng hợp từ 7-15%. Ngoài ra, còn có một số loại dầu đặc biệt có thể được khuyến cáo dùng với tỉ lệ pha thấp hơn nữa, và sẽ được bàn trong mục 3.2 tiếp theo.

 

- Độ bền nhũ theo IP263, yêu cầu dầu sau khi pha trong nước cứng 200ppm không tách dầu và cream vẫn nằm trong giới hạn cho phép.

 

3.2. Các thông số chuyên sâu

 

- Break Point (BP) được hiểu là tỉ lệ pha dầu với nước thấp nhất mà vẫn bảo vệ được kim loại không bị ăn mòn. Tiêu chuẩn này chỉ áp dụng cho Fe và hợp kim. Thông thường các gói dầu cắt gọt (ví dụ Polartech 7600 của Italmatch) được thiết kế để đạt BP = 5%, để giảm giá trị của BP xuống còn 2-2.5%, các formulators cần phải tăng cường thêm các chất chống gỉ cho sản phẩm để đạt được mục đích này. Thông thường BP đạt 2.5% thường gặp ở các khách hàng chuyên cung cấp dầu sữa cho nhà máy thép cho các quá trình: cán ống, cán tấm.

- Ăn mòn tấm nhôm (5052, 6061...) là kết quả được đo từ việc ngâm tấm Al hợp kim vào trong dung dịch dầu cắt gọt pha nước để đánh giá khả năng ăn mòn bằng độ xuống màu của tấm nhôm. Thông thường, các gói như Polartech 7600 thích hợp dùng cho gia công nhôm hợp kim, trừ các loại nhôm 4000 series.

 

- Zeta potential (thế Zeta hay ZP). Thông thường hệ đa phân tán như nhũ và huyền phù đều tồn tại lớp điện tích kép bao quanh hệ keo. Lớp điện tích kép này tồn tại giúp hệ keo ổn định trong môi trường theo thời gian (phần này nếu ai muốn tìm hiểu chuyên sâu hơn thì tìm hiểu thêm về Hoá Keo, trong khuôn khổ bài viết tác giả không thể giải thích quá chi tiết về Hoá Keo được). ZP là thế tồn tại trong lớp điện tích kép này, và thường được đo thông qua thiết bị Zeta Potential Analyzer. Nếu một hệ keo có giá trị thế Zeta > + 30 mV hoặc < - 30 mV thì được xem là một hệ keo bền. 

Figure 5: Hình ảnh biểu thị sự ảnh hưởng của ZP vào pH của hệ keo bạc.

 

- Độ ổn định của pH theo thời gian. Dầu cắt gọt sau khi pha nước sẽ tạo thành hệ nhũ dầu phân tán trong nước. Các hoạt chất tan trong nước sẽ bắt đầu khuyếch tán từ dầu ra nước và bắt đầu quá trình hydrate hoá (nghĩa là quá trình điện ly sẽ xảy ra). Thông thường quá trình điện ly sẽ tạo ra OH-, chính OH- này giúp pH của hệ dầu cắt gọt luôn > 8.5. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào mỗi công thức, mỗi formulator mà mỗi loại dầu có một độ kiềm tổng khác nhau. Như thể hiện ở Figure 6, cả 02 loại dầu cắt gọt đều được thiết kế với pH 9.0, tuy nhiên Fluid 2 có độ kiềm tổng cao hơn so với Fluid 1 thể hiện bằng việc giá trị số mL acid cho vào nhiều hơn để đưa pH của hai hệ về cùng một giá trị pH ~ 4.5. Thông thường giá trị này rất ít đơn vị cung cấp và cũng rất ít được quan tâm bởi các đơn vị pha chế dầu cắt gọt. Do đây là một thông số "ẩn" của một loại dầu cắt gọt và phải được đánh giá thông qua quá trình chuẩn độ acid-base, nên thường rất dễ bị bỏ qua. Tóm lại: thông số độ kiềm tổng của dầu cắt gọt càng cao thì khả năng bảo vệ kim loại (chống gỉ) bởi các tác nhân ăn mòn sẽ tốt hơn trong thời gian dài.

Figure 6: Đồ thị biểu hiện độ kiềm tổng của hai loại dầu cắt gọt khác nhau (chuẩn độ acid-base)

4. POLYALKYLENE GLYCOLS (PAGs) VÀ KHẢ NĂNG BÔI TRƠN CỦA HỆ DẦU CẮT GỌT

PAGs là một loại dầu gốc hữu cơ cấu trúc từ những nhóm EO và PO. Tuỳ thuộc vào độ phân bố % của EO và PO trong cấu trúc, PAGs sẽ tan trong nước hay tan trong dầu. Nhiều EO hơn, nghĩa là sản phẩm PAGs tan nhiều trong nước, tạo được nhiều liên kết hydro với nước hơn, nhưng bôi trơn kém. Nhiều PO hơn thì PAGs dễ tan trong dầu, cloud point thấp, không tạo được liên kết hydro với nước (tham khảo: https://bit.ly/3FuVUeS)

Tuỳ thuộc vào cấu trúc của PAGs (tỉ lệ EO và PO, phân tử lượng) mà tính chất vật lý của PAGs sẽ thay đổi. Do đó, formulator có thể xem xét lựa chọn thông qua các giá trị được nhà cung cấp công bố như: phân tử lượng, tỉ lệ EO/PO, cấu trúc PAGs, clound point, foaming, viscosity... Không có một tiêu chuẩn nào cho dầu cắt gọt tổng hợp, quan trọng là việc lựa chọn PAGs phải đáp ứng được một số tiêu chí như:

- Giá thành sản phẩm doanh nghiệp muốn 

- Cloud point của thành phẩm là bao nhiêu

- Độ tạo bọt

- Khả năng tróc sơn

- Độ bôi trơn cao hay thấp thích hợp cho cắt gọt hay mài. 

PAGs vs Sulfurized Fatty Acid EP và Phosphate Ester

Trước khi thiết kế một công thức dầu cắt gọt, formulators thường sẽ hoạch định ra những giới hạn và mục tiêu của sản phẩm thiết kế, từ đó sẽ lựa chọn những phụ gia phù hợp để đưa vào công thức của mình. Có rất nhiều phụ gia bôi trơn cho dầu tổng hợp như: Self-emulsifier polymeric ester, PAGs, mono- and di-esters (ví dụ TMPTO, FAMEs), Phosphate ester (ví dụ Polartech PE 3080), Sulfurized fatty acid (DAILUBE GS 520),... mỗi phụ gia đều có ưu và nhược điểm khác nhau. Do đó, sẽ rất khó lựa chọn hoặc sẽ không thể thành lập được công thức nếu như những mục tiêu sản phẩm và giới hạn của sản phẩm chưa được thiết lập.

Đối với PAGs, khả năng bôi trơn ít bị phụ thuộc vào nước cứng. PAGs giúp dễ dàng tạo được một dung dịch trong suốt hoặc trong mờ ở điều kiện nước cứng tương đối. Cơ chế bôi trơn của PAGs thể hiện ngay tại vị trí điểm tiếp xúc giữa dao và chi tiết, quá trình hoá lý diễn ra liên tục theo dòng nước làm mát phun vào quá trình gia công. Khi bề mặt dao tiếp xúc với bề mặt chi tiết, PAGs sẽ chuyển trạng thái từ water-soluble thành water-insoluble, và hỗ trợ bôi trơn cho bề mặt dao dao và chi tiết. Sự chuyển trạng thái này là do các liên kết hydro liên phân tử của các nhóm EO với -OH của nước là một liên kết yếu, khi được cung cấp năng lượng (nhiệt) sẽ dễ dàng bị cắt đứt. Khi liên kết hydro bị cắt đứt, PAGs trở nên khó tan trong nước. Một trong những điểm yếu của PAGs là sản phẩm sản xuất từ PAGs dễ dàng ăn mòn lớp sơn trên máy CNC, ngoài ra việc sử dụng PAGs với hàm lượng EO cao cũng gây vấn đề bọt cho các ứng dụng có áp lực phun lớn.

Sulfurized fatty acid (SFA) là những acid béo không no (chứa nối đôi) được phản ứng với các hợp chất chứa S, từ đó đưa polysulfide vào trong cấu trúc (Figure 7). Việc đưa S vào cấu trúc acid béo giúp dễ dàng tạo được hệ cực áp chứa S tan trong nước mà không cần phải sử dụng hệ Sulfurized Olefin như Dailube GS-440L, Dailube IS-30 hay Dailube IS-35 from DIC Japan (những chất cần phải tăng cường chất nhũ hoá để nhũ vào trong dầu cắt gọt tổng hợp). Do bản chất SFA là một acid hữu cơ, dễ dàng chuyển sang dạng muối carboxylate sau khi được trung hoà bởi kiềm (NaOH, KOH) hoặc alkanolamine (MEA, DEA, TEA), và hoạt động như một chất hoạt động bề mặt anion. Do khả năng tan trong nước, nên Sulfurized Fatty Carboxylate (dạng muối) dễ dàng chen vào bề mặt dao và chi tiết hơn so với hệ nhũ dầu trong nước, từ đó dễ dàng phản ứng trên bề mặt dao và chi tiết để cung cấp lớp film bôi trơn cho hai bề mặt này. Do bản chất là một CHĐBM anion, nên phụ gia này cũng thể hiện điểm yếu của CHĐBM anion đó là khả năng chịu nước cứng. Nếu nước quá cứng được sử dụng, phụ gia này dễ dàng tạo muối không tan với ion của Ca và Mg làm mất đi hoạt tính bôi trơn của sản phẩm trong lúc gia công.

Figure 7: Cấu trúc của Sulfurized fatty acid (trích từ: https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00445-2)

Thường các hoạt chất của Phospho là một hoạt chất đa tính năng như: chống gỉ, bôi trơn, hydrotrope do dầu cắt gọt neat oil hoặc water-based MWF. Một số sản phẩm đặc biệt của BASF như Irgalube 349 còn được dùng như một chất tăng cường FZG hiệu quả trên toàn thế giới cho các ứng dụng công nghiệp như: thuỷ lực, gear oil,... Quay trở lại với các ứng dụng cho dầu cắt gọt pha nước, việc sử dụng Phosphate Esters giúp tăng cường hoạt tính bôi trơn và chống gỉ cho hợp kim của Fe, Al, Zn và Mg, nhưng do Phospho là một thành phần rất cần thiết cho sự sống để tổng hợp lên thành tế bào là lớp kép phospholipid. Vì vậy, những sản phẩm sử dụng Phospho thường có khả năng kháng vi sinh vật khá kém, dễ dàng tạo mùi và gây gỉ nếu như người dùng không để ý đến việc chăm sóc dầu.

Tóm lại: dầu cắt gọt là một hệ phức hợp bao gồm chất nhũ hoá, chất chống gỉ, chất bôi trơn,... mỗi một phụ gia khi đưa vào sử dụng thì formulators cần phải hiểu được ưu và nhược điểm của từng chất để thiết kế một công thức phù hợp với yêu cầu về kinh tế lẫn kỹ thuật, đáp ứng nhu cầu của khách hàng.