水基金屬切削液的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 

 

 

一、 基金屬切削液的現(xiàn)存問(wèn)題:

     金屬切削液是指用于金屬切削加工的冷卻潤(rùn)滑液。其作為機(jī)械加工重要的配套材料，是大多數(shù)加工中的生產(chǎn)要素之一，主要通過(guò)冷卻、潤(rùn)滑、清洗和防銹等作用，改善工件表面質(zhì)量，提高加工精度，延長(zhǎng)刀具壽命，提高工件表面的防蝕能力。水基金屬切削液于上世紀(jì)40年代問(wèn)世，由于其具有油基液的冷卻特性及低廉的成本而得到了迅速發(fā)展。到目前為止，水基液在金屬切削領(lǐng)域的應(yīng)用有了長(zhǎng)足的發(fā)展。水基金屬切削液在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)走過(guò)了從乳化液向合成液、再向微乳化液發(fā)展的過(guò)程。微乳化液已得到了的發(fā)展和應(yīng)用。在我國(guó)，切削液目前仍以乳化液為主，機(jī)械行業(yè)在上世紀(jì)80年代出現(xiàn)了研制生產(chǎn)和應(yīng)用合成液的熱潮，從90年代才比較普遍地注重微乳化液的研制和應(yīng)用。因起步較晚，微乳化液性能沒(méi)有國(guó)外的優(yōu)異。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保及職業(yè)安全意識(shí)的增強(qiáng)以及相關(guān)知識(shí)的積累，各國(guó)出臺(tái)了一系列法規(guī)、條例對(duì)化學(xué)液的使用進(jìn)行規(guī)范和限制，迫使綠色切削液成為水基金屬切削液發(fā)展的必然趨勢(shì)。

     水基金屬切削液給人類(lèi)創(chuàng)造巨大效益的同時(shí), 對(duì)人類(lèi)的身體健康構(gòu)成了較大威脅，直接接觸切削液的操作工人和在機(jī)床上工作的工人患呼吸系統(tǒng)疾病的較多。此外，未經(jīng)有效處理的水基切削液廢液對(duì)環(huán)境還會(huì)造成嚴(yán)重污染。如切削液中防銹劑磷酸鈉的積累會(huì)使河流、湖泊因富營(yíng)養(yǎng)化而出現(xiàn)赤湖；防腐殺菌劑生物降解性差，對(duì)魚(yú)類(lèi)等水生物有毒性；礦物油、表面活性劑等脫脂作用會(huì)使人體皮膚干燥、脫脂，甚至引起開(kāi)裂、紅腫、化膿等；而氯化石蠟則是海水污染物之一。

     而我國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售的水基切削液仍以乳化液為主。從宏觀角度考慮，該類(lèi)產(chǎn)品大量地消耗能源，COD化學(xué)耗氧量排放超標(biāo)，嚴(yán)重污染環(huán)境。從使用角度考慮，對(duì)環(huán)境不友好的各類(lèi)添加劑會(huì)對(duì)操作者產(chǎn)生各類(lèi)健康危害的問(wèn)題。目前我國(guó)僅機(jī)械工業(yè)廢切削液的日排放量已近億噸，面臨著巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)壓力。隨著人類(lèi)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)和國(guó)際社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的日益重視，人們?cè)絹?lái)越重視切削液對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。盡管對(duì)環(huán)境無(wú)污染的干切削技術(shù)得到成功的應(yīng)用，但其應(yīng)用范圍非常有限。今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，切削液的使用仍不可避免。因而，在不影響切削液使用性能的前提下，研究和開(kāi)發(fā)對(duì)人體無(wú)害、廢液對(duì)環(huán)境無(wú)(或低)污染的環(huán)保型水基切削液具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

 二、 保型水基金屬切削液的研究進(jìn)展

     1.基礎(chǔ)油用量的減少及替代水基切削液中使用的基礎(chǔ)油多為精制礦物油。精制礦物油歷史悠久、工藝成熟、價(jià)格低廉，但其生物降解能力僅能達(dá)到40％。大量礦物油的使用無(wú)疑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了不良的影響。未處理的乳化液含油量通常高達(dá)20000mg／L，coD高達(dá)18000mg／L，BOD達(dá)9300m∥L。而這類(lèi)未經(jīng)處理的切削液直接排入河流通常會(huì)引起魚(yú)苗發(fā)育畸形，魚(yú)肉有異味；還會(huì)抑制藻類(lèi)的呼吸和光合作用等。因此，近年來(lái)，人們逐漸開(kāi)始采用礦物油含量較少且綜合性能較好的微乳化型切削液或者不含礦物油的切削液以減緩對(duì)環(huán)境的危害并減少?gòu)U液管理的費(fèi)用。其中，合成酯抗氧化能力強(qiáng)，傾點(diǎn)低于一25℃，在28天內(nèi)可降解超過(guò)60％。隨著對(duì)切削液使用性能和環(huán)境衛(wèi)生要求的不斷提高，合成酯作為礦物油的有效替代成分在切削液中的使用越來(lái)越廣泛。目前應(yīng)用較多的是硬酯酸甲酯、硬酯酸丁酯、棕櫚酸甲酯、棕櫚酸異辛酯、米糠油酸甲酯、新戊二醇二油酸酯、三羥甲基丙烷油酸酯、二聚乙二醇酯、聚氧基亞烷基二醇酯、四油酸酯、四硬脂酸酯、新戊基多元醇酯等，這些合成型酯類(lèi)可有效減少摩擦和功率消耗。此外，植物油也具有很好的生物降解能力，且揮發(fā)性低。但是其應(yīng)用受到了其氧化和水解的不穩(wěn)定性及老化性能的制約，加入一定的抗氧化劑等添加劑后，性能能很好地滿足某些加工的要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。目前采用得較多的是菜籽油。

 2.保型添加劑的開(kāi)發(fā)

     隨著公眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)及環(huán)保法律法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格的要求，切削液的成分發(fā)生了較大的變化。以往曾被普遍采用的亞硝酸鹽、鉻酸鹽、短鏈氯化石蠟已經(jīng)被禁止使用，而二乙醇胺、甲醛釋放型殺菌劑等的使用也受到了較大的限制。國(guó)內(nèi)、外正在著手研究以上這些物質(zhì)的替代物。目前合成潤(rùn)滑劑在同一分子中具有多種活性基團(tuán)，從而具有多功能性。如羧酸鏈烷醇胺酯，其中不僅有活性基團(tuán)一COOH，還有防銹、抗菌、消泡性能優(yōu)良的鏈烷醇胺，從而具有防銹性、消泡性、抗菌性、潤(rùn)滑性。此外，含N、S雜環(huán)化合物，含N低分子量聚合物也較常見(jiàn)到。有機(jī)硼酸酯是一種新型多功能環(huán)保型添加劑，其無(wú)毒，極壓潤(rùn)滑性好，并兼有防銹、抗菌、殺毒等功能，是一種特殊的表面活性劑，因此受到了許多學(xué)者的關(guān)注。隨著脂肪酸咪唑啉硼酸單酯和三酯、含硫硼酸酯、油酸二乙醇酰胺硼酸酯、復(fù)合硼酸酯防銹劑以及有機(jī)硼化合物SW一2等此類(lèi)硼酸酯化合物合成及應(yīng)用的成功，硼酸酯類(lèi)添加劑在切削液中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前利用多種無(wú)毒添加劑的協(xié)同效應(yīng)，如有機(jī)胺、硼酸鹽、苯并三氮唑等復(fù)配成的高效防銹添加劑已取得好的效果。鉬酸鹽也是防銹性能優(yōu)良且無(wú)毒的防銹劑，添加到切削液中，可在工件金屬表面生成Fe—MOO4一Ee203鈍化膜，獲得良好的緩蝕效果；此外，鉬酸鹽還能提高切削液的擠壓抗磨性能。但鉬酸鹽價(jià)格昂貴，影響了其使用的廣泛性。為了推廣應(yīng)用，人們目前正在研究鉬酸鹽和其它有機(jī)、無(wú)機(jī)緩蝕劑配伍使用時(shí)的協(xié)同效應(yīng)。另外，環(huán)己六醇六磷酸酯是一種環(huán)保型水基金屬防銹劑，是從糧食中提取的天然無(wú)毒化工品，與金屬接觸時(shí)極易在金屬表面形成致密的鈍化保護(hù)膜，有效抑制金屬腐蝕，適合于鋼鐵及各種有色金屬的工序間及長(zhǎng)期防銹處理，而加工成本僅為傳統(tǒng)工藝萬(wàn)方數(shù)據(jù)的2／3。近年來(lái)，由于切削液中常用的酚類(lèi)化合物、甲醛類(lèi)、含氯和含苯化合物等殺菌劑的限制使用，許多新型無(wú)毒殺菌劑也被開(kāi)發(fā)出來(lái)。如日本選用油酸、硬脂酸、月桂酸等羧酸配成的銅鹽具有一年以上的抗腐蝕能力。美國(guó)開(kāi)發(fā)的檸檬酸銅也有較好的抗菌效果。我國(guó)近年來(lái)利用硼酸酯、表面活性劑和鰲合劑復(fù)配成的防腐劑也具有較強(qiáng)的抗菌能力。

 三、 水基切削液的發(fā)展趨勢(shì)

      隨著機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，切削技術(shù)和切削工藝的不斷創(chuàng)新對(duì)切削液的性能提出了更高要求。為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求，水基切削液的發(fā)展出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)。

 1. 高性能、長(zhǎng)壽命、低污染、多功能切削液的開(kāi)發(fā)

      近年來(lái)，我國(guó)進(jìn)口數(shù)控機(jī)床、加工中心等制造設(shè)備越來(lái)越多，所需切削液若長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，因價(jià)格昂貴，將使生產(chǎn)成本大幅度上升。因此，研制高性能切削液以替代進(jìn)口產(chǎn)品已成當(dāng)務(wù)之急。目前，我國(guó)水基切削液的使用范圍越來(lái)越廣，且已開(kāi)始從乳化液向性能好、壽命長(zhǎng)的合成切削液、微乳化液過(guò)渡。在發(fā)達(dá)國(guó)家，微乳化液已普遍使用，并正在大力研究環(huán)保型切削液。

      此外，傳統(tǒng)水基切削液的加工材質(zhì)比較單一，許多產(chǎn)品的使用往往只針對(duì)某一種材質(zhì)。隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，單一產(chǎn)品、單一材質(zhì)的加工已經(jīng)比較少見(jiàn)。許多機(jī)械加工廠進(jìn)行的多是幾種材質(zhì)的混合加工作業(yè)。因此，開(kāi)發(fā)通用型切削液滿足新型加工的需要也是所有切削液生產(chǎn)廠商急需解決的問(wèn)題。

 2. 切削液用量和設(shè)備的科學(xué)調(diào)整

      傳統(tǒng)的水基切削液供液方法常采用澆注法，通常是將一定壓力、較大流量的切削液噴射覆蓋到切削區(qū)，以起到潤(rùn)滑、冷卻等作用。在加工條件發(fā)生變化時(shí)，如在更換工件材料或更換刀具類(lèi)型及幾何參數(shù)的情況下，通常也不會(huì)(或很少)調(diào)整切削液用量，這無(wú)疑造成了切削液無(wú)謂的大量浪費(fèi)，且無(wú)形中增加了廢液處理的費(fèi)用。因此在開(kāi)發(fā)高性能綠色切削液的同時(shí)，改進(jìn)供液方法，優(yōu)化供液參數(shù)和加強(qiáng)使用管理，延長(zhǎng)切削液的使用壽命，減少?gòu)U液的排放量同樣具有重要的意義。美國(guó)Thyssen制造公司正全力研究“最小潤(rùn)滑”加工技術(shù)，使切削液液體或氣霧通過(guò)刀具作用于加工區(qū)域，切削液的流量有CNC程序控制，效果十分理想。

 3. 切削液廢液處理的完善不合理的切削液排放會(huì)造成江河湖泊、大氣、土壤等環(huán)境污染，而且還會(huì)影響企業(yè)的安全生產(chǎn)與形象。目前切削液合理有效的處理方法之一就是建立切削液回收利用系統(tǒng)。通常是在同類(lèi)機(jī)床附近設(shè)置切削液站，通過(guò)管網(wǎng)向每臺(tái)機(jī)床的切削部位提供潔凈的切削液，排出的混進(jìn)了切屑、磨粒等雜質(zhì)的受污染切削液順著地溝或管道匯集到一起，流回切削液站進(jìn)行再處理。這一循環(huán)系統(tǒng)在國(guó)外機(jī)械加工企業(yè)已得到了普遍應(yīng)用，國(guó)內(nèi)的一些外資企業(yè)或合資企業(yè)中也有應(yīng)用。對(duì)于不能回收利用的水基切削液，則可采用生物技術(shù)，利用微生物分解切削液中的污染物等。企業(yè)應(yīng)具有廢棄切削液處理方面的專(zhuān)業(yè)人員。這些專(zhuān)業(yè)人員了解切削液的性能及其相應(yīng)的分類(lèi)與管理方法，同時(shí)熟悉國(guó)家、地方發(fā)布的有關(guān)切削液的一些法律法規(guī)或條例，為企業(yè)在切削液的使用、維護(hù)、選擇和處理等方面提供參考。

 四、 結(jié)語(yǔ)

      目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在努力探索減少或消除環(huán)境污染的切削加工方法，研究較多的是液氮冷卻、噴氣冷卻或干切削這些非傳統(tǒng)切削液的干式加工。但這種加工方式也各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，因此離全面取代

 水基切削液的濕式加工還相當(dāng)遙遠(yuǎn)，高性能綠色環(huán)保型水基金屬切削液的開(kāi)發(fā)仍具有重要的意義。在關(guān)注切削液給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響的同時(shí)，大力開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康負(fù)作用小、加工性能的切削液，使其朝著對(duì)人和環(huán)境無(wú)害的綠色方向發(fā)展；努力改進(jìn)供液方法，優(yōu)化供液參數(shù)和加強(qiáng)使用管理，減少?gòu)U液排放量；進(jìn)一步研究廢液的回收利用和無(wú)害化處理技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響緊密結(jié)合的現(xiàn)代制造模式中具有重要的意義。