切削液之環(huán)保

1、環(huán)保呼聲高漲，囧途中的切削液路在何方 1. 切削液面臨的壓力 在制造領(lǐng)域，切削液是一類量大面廣的消耗性輔助材料。它在制造過程中起著潤滑、冷卻、清洗、防銹等多種有益的作用，在改善加工質(zhì)量、提高加工效率、減少刀具損耗、便于排除切屑等方面效果顯著；與此同時，它又面臨著多重壓力。1）性能壓力：高速、高效、強(qiáng)力、重負(fù)荷、高精度等詞匯常用來描述現(xiàn)代加工技術(shù)的進(jìn)步，這些新工藝都對切削液的內(nèi)在品質(zhì)、供液方法、供液壓力和流量寄予更高的期望；與此同時，新的機(jī)械工程材料（如新型鋁合金、鎂合金、鈦合金等）和切削工具材料（如新型硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、復(fù)合涂層、金剛石、立方氮化硼）的應(yīng)用，都對

2、切削液的性能提出更多特殊的要求。 2）經(jīng)濟(jì)壓力：近十年來，一方面，國際油價上漲，使切削液的直接成本上升；另一方面，各國的勞動保障和環(huán)境保護(hù)法規(guī)日趨嚴(yán)厲；企業(yè)需要增加勞保開支和廢液處理費(fèi)用，導(dǎo)致使用切削液的間接成本增加，切削液面臨日益增長的經(jīng)濟(jì)壓力。3）環(huán)境壓力：切削液屬油脂化工產(chǎn)品，其生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用都受到嚴(yán)格的管制。使用切削液產(chǎn)生的耗散物及廢棄物會對勞動衛(wèi)生和生態(tài)環(huán)境均構(gòu)成一定的危害。近來不斷曝光的溢入河道、注入地下的工業(yè)廢水污染事件，都有切削液的身影。當(dāng)今環(huán)保呼聲高漲，囧途中的切削液路在何方？2. 解決切削液生態(tài)環(huán)境問題的三條路線 其一是徹底摒棄切削液，采用干

3、式切削技術(shù)，其中包括冷風(fēng)切削、吹氧切削、液氮切削等；其二是采用半干式切削技術(shù)，主要指微量切削液加工技術(shù)。其三是改造傳統(tǒng)切削液，將其負(fù)面影響降低到最小程度，使之成為環(huán)境友好的，并能被保護(hù)生態(tài)環(huán)境的法規(guī)所接受。這三條路線互為補(bǔ)充，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。1） 干式切削干式切削在加工過程中不使用切削液，可徹底避免切削液的負(fù)面影響，同時也放棄了切削液所能帶來的好處。干式切削面臨的主要問題是切屑形成過程中潤滑性差，導(dǎo)致刀-屑、刀-工界面上摩擦劇烈，能耗大，發(fā)熱多，加上冷卻不力，因而刀具損耗快、工件熱變形等等；另一個不容回避的問題是機(jī)床與工藝裝置的銹蝕以及工件的短期工序間防銹問題。用干式（包括冷風(fēng)、液氮）

4、切削后，通常需要增加機(jī)床和工件的防銹處理以及之后的清洗處理，特別是在高溫、潮濕的地區(qū)和季節(jié)。其結(jié)果是減少了切削液卻增加了防銹液、清洗液；從總體上看，有時并不能有效地達(dá)到減輕環(huán)境負(fù)荷的目的。此外，加工過程中的沖洗、排屑等方面的問題也需要特殊處理。干式切削的發(fā)展依賴于刀具材料、工件材料、機(jī)床技術(shù)和切削技術(shù)的進(jìn)步。從目前的技術(shù)進(jìn)展情況來看，干式切削還只能在一小部分加工領(lǐng)域中應(yīng)用，有較大的局限性。2）半干式切削 半干式切削主要指微量切削液加工技術(shù)，是一種技術(shù)上的折衷，既能部分保留濕式切削的利點(diǎn)，又可減輕其負(fù)面影響，已經(jīng)在一些加工領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果，是目前綠色加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，有廣

5、闊的應(yīng)用前景；但也存在著油霧污染問題以及在某些加工場合潤滑冷卻不足之類的煩惱。 3）環(huán)境友好切削液傳統(tǒng)切削液受到的環(huán)境壓力將會愈來愈嚴(yán)酷，進(jìn)行改良和創(chuàng)新勢在必行。不僅要繼續(xù)提高切削液的加工性能，更應(yīng)該積極著眼于研究開發(fā)和推廣應(yīng)用低毒、低污染的環(huán)境友好型切削液，其遠(yuǎn)景目標(biāo)是開發(fā)、應(yīng)用無毒、無污染的綠色切削液（Green Cutting Fluid）。這是解決問題的根本途徑，是實(shí)現(xiàn)綠色制造的重要步驟，目前的研究十分活躍，任重而道遠(yuǎn)。以下重點(diǎn)討論此話題。 3. 環(huán)境友好切削液 1）含義 環(huán)境友好切削液(Environmentall

6、y  Friendly  Cutting  Fluid)指滿足使用性能和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)雙重要求的切削液。這里所指的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)包括：切削液及其耗散與廢棄產(chǎn)物的毒性（Toxicity）和生態(tài)毒性（Eco-toxicity）以及生物累積性（Bioaccumulation）、生物可降解性（Biodegradability）、資源可再生性（Resource  Renew-ability）等。簡言之，環(huán)境友好切削液既能滿足切削加工的使用要求，切削液本身及其耗散與廢棄產(chǎn)物對生物和生態(tài)環(huán)境又不構(gòu)成危害,  或在

7、一定程度上為生態(tài)環(huán)境所容許，資源可循環(huán)利用或容易再生【1】。 2）界定 如何界定切削液是不是環(huán)境友好的，目前還沒有統(tǒng)一說法。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)相繼建立了環(huán)境標(biāo)志組織，對環(huán)境友好的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)識。如歐洲的“生態(tài)標(biāo)志”、北歐四國（挪威、芬蘭、瑞典、冰島）的“白天鵝”、德國的“藍(lán)色天使”、法國的“NF 環(huán)境標(biāo)志”、美國的“綠色標(biāo)記”等。產(chǎn)品要獲得這些標(biāo)志都必須滿足相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)。我國也已經(jīng)開始切削液相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。2010 年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)清潔高效基礎(chǔ)制造工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究啟動。在這個項(xiàng)目支持下，由中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心、濟(jì)南庫倫

8、特科技有限公司、廣州機(jī)械科學(xué)研究院等單位開展了金屬切削液  有毒有害性評價導(dǎo)則的研究，并于 2012 年提交了金屬切削液 有毒有害性評價國家標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申請，同年 12 月獲得批準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號：20121362-T-469）。工作組由金屬加工企業(yè)（用戶）、切削液研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)共同組成；技術(shù)歸口單位為全國綠色制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會；預(yù)計(jì)完成時間 2014 年 12 月。3）研究方向 近二十年來，環(huán)境友好切削液的開發(fā)研究圍繞“無毒害、低污染、長壽命、高性能”蓬勃展開。上世

9、紀(jì)八十年代開始的亞硝酸鹽代用品的開發(fā)研究已經(jīng)取得了很大成績。在此基礎(chǔ)上，圍繞環(huán)境保護(hù)這一主題，切削液今后的開發(fā)研究方向可以歸納為限氯、減氮、少乳、抑菌、抗霧、再生等幾方面。 （1）限氯 氯化石蠟作為極壓抗磨添加劑用于切削液由來已久，有很好的加工效果和長期的使用實(shí)績。但是，1984年美國NTP（National Toxicology Program）用含氯5860的C12氯化石蠟和含氯4043的C23/24氯化石蠟進(jìn)行了大白鼠和小白鼠的終身經(jīng)口喂食試驗(yàn)。1986年發(fā)表的研究報告確認(rèn)，含氯5860%以上的C12氯化石蠟對大白鼠和小白鼠均呈陽性反應(yīng)；而含氯40

10、43的C23/24氯化石蠟的試驗(yàn)結(jié)果不確定。因此，將含氯60的C12氯化石蠟分類為可疑致癌物。后來的研究認(rèn)為這類物質(zhì)不會通過皮膚吸收。此后，國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Research on Cancer）將C10C12短鏈氯化石蠟劃歸入“可能有致癌性的物質(zhì)B類”；此外，如果含氯切削液的廢液在中規(guī)模燒卻設(shè)備中低溫?zé)齾s處理時，有產(chǎn)生強(qiáng)致癌物二悪英的懸念。因此，日本于2000年將含氯切削液從JIS標(biāo)準(zhǔn)中刪除；歐盟于2004年對含有短鏈氯化石蠟1%以上的金屬加工潤滑劑（包括切削液）實(shí)行管制使用。含硫添加劑或磺酸

11、鹽添加劑可以作為氯系添加劑的代用品。這類添加劑單獨(dú)或合并使用都可以達(dá)到或超過氯系添加劑的效果。（2）減氮 水基切削液中大量使用含氮化合物。其中烷基醇胺類物質(zhì)在維持切削液的堿性、防銹性、防腐敗性等方面都起著重要作用。但是，參考文獻(xiàn)【11】認(rèn)為，由于含氮化合物大都有高的親水性，難于與水分離，成為水體污染和富營養(yǎng)化的重要原因之一。此外，烷基醇胺類物質(zhì)還存在著安全衛(wèi)生隱患，如一乙醇胺的皮膚刺激和二乙醇胺的亞硝胺問題等。從長遠(yuǎn)來看，切削液中減少含氮化合物有正面的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。 （3）少乳 傳統(tǒng)的乳化切削液含有大量的礦物油（原液中含量約為6080%）。從其中分離來的油分散落在

12、地面后容易弄臟作業(yè)環(huán)境，覆蓋在液面上使切削液呈缺氧狀態(tài)，助長厭氧性細(xì)菌繁殖，其中的硫酸還原菌會分解切削液中的硫分而釋放出臭雞蛋味，導(dǎo)致乳化液提早腐敗變質(zhì)。使用微乳化切削液（約含礦物油1030%）替代乳化切削液可以在一定程度上減輕上述傾向。徹底的解決辦法是用不含油的切削液。比如，改用聚醚（Polyalkylene Glycol，PAG）等具有潤滑性的物質(zhì)來代替油類物質(zhì)。將難溶于水的PAG乳化或可 溶化可能得到 合成乳化液（ Synthetic  emulsion  fluid）或合 成微乳化液（ 

13、Synthetic micro-emulsion  fluid）；用溶于水的PAG可配制成合成溶(Synthetic  solution  fluid)?？扇苄訮AG在水中具有逆溶性，常溫下溶解度大，溶液透明；隨溫度升高其溶解度下降；若溫度高于其濁點(diǎn)，則PAG析出，在摩擦界面生成潤滑膜；而且PAG與脂肪酸、磷酸酯等類極壓劑有協(xié)同增效作用。 （4）抑菌 為了抑制微生物的生長繁殖，選擇抗菌能力強(qiáng)的切削液是需要首先考慮的問題。添加防腐殺菌劑可以在很大程度上解決微生物繁殖問題，但是有諸多副作用，尤其是對環(huán)境的負(fù)面

14、影響很大。因此，開發(fā)研究自身具有抗菌性能的切削液倍受重視。參考文獻(xiàn)【15】介紹了一些外國切削液企業(yè)的抗菌性切削液。其配方原則是避免使用能夠成為微生物營養(yǎng)源的物質(zhì)；使用具有抗微生物能力的水溶性化合物，如：環(huán)氧丙烷加成到胺化合物中形成的胺類衍生物、環(huán)氧化物加成型氨基酸化合物、羥基化動植物油脂，以及苯胺類、環(huán)烷基胺類、吡咯烷類物質(zhì)等。 （5）抗霧 油霧對工人健康和大氣環(huán)境的影響是一個嚴(yán)峻的社會問題。在高速切削加工中，切削溫度較高，會產(chǎn)生煙霧、油霧、油蒸汽或分解放出有害氣體，使車間空氣受到污染，作業(yè)環(huán)境惡化。尤其是使用油基切削液的場合更容易發(fā)生這些問題。長期在油霧環(huán)境下工作可能引起

15、呼吸器官損害。在使用乳化切削液、微乳化切削液的重負(fù)荷切磨削加工等場合，機(jī)床周圍也會發(fā)生霧狀氣氛。由于這種霧中的堿性物質(zhì)和表面活性劑的作用，有時會刺激操作者的呼吸器官粘膜（鼻腔等）。添加油霧抑制劑在一定程度上可以治標(biāo)。徹底的解決辦法是實(shí)現(xiàn)油霧的完全回收和綜合利用。 （6）再生 切削液的工作液使用一段時間后，會由于以下一些原因變成廢液： a.  微生物過量繁殖造成腐敗、發(fā)臭； b.  有效成分含量降低或失去平衡，出現(xiàn)分層、析出、沉淀，導(dǎo)致使用性能下降； c.  固體顆粒物過多，導(dǎo)致切削液變臟、變質(zhì)，嚴(yán)重影響加工效果。 上述原因可能單獨(dú)出現(xiàn)，也可能同時發(fā)生。 切削液變成廢液后，必須進(jìn)行處理，使其達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)才能排放到大自然。這是傳統(tǒng)模式、一次性使用。該過程即下圖中的（A）模式。 取代上述傳統(tǒng)模式的是廢液再生處理和循環(huán)利用模式。其要點(diǎn)在于：當(dāng)切削液變成廢液后，不是處理達(dá)標(biāo)后排放，而是采用物理、化學(xué)、生物等處理方法，使其恢復(fù)到工作液的原有狀態(tài)，重新返回到供液池重復(fù)使用。這一過程可循環(huán)多次，能大大延長切削液的壽命。該過程即下圖中的（B）模式。 采用模式（A）、（B）切削液用戶需要支付的費(fèi)用項(xiàng)目比較如下表。