绿色切削液的可行性研究

　　1  切削液的发展和现存难题

　　(1)切削液的发展

　　人们使用切削液，最早是从水开始的，后来使用简单的水基溶液(如石灰水、肥皂水等)和动植物油(如亚麻油)。直到二十世纪初，人们能够从原油中提炼出大量的润滑油以后，尤其是发明了各种润滑油添加剂以后，才真正开始了现代意义上的切削液的发展。

　　性能优良的切削液具有良好的润滑、冷却、清洗及防锈性能，对提高切削加工质量和效率、减少刀具磨损等有着显著效果。切削液发展到今天，在机械加工业中应用广泛，使用量很大，成为种类众多，门类齐全的工业产品，取得了巨大的经济效益。现在的切削液主要分为不含水的油基切削液和主要成分是水的水基切削液两大类。油基切削液润滑性能好，冷却性能较差，水基切削液则反之，但其成本低，操作环境安全、干净，没有油雾和着火的危险；随着水基切削液性能的不断提高，其使用范围逐渐扩大，出现了油基切削液向水基切削液过渡的趋势。

　　水基切削液中，乳化液是矿物油加入乳化剂溶于水后形成的乳状溶液；合成切削液完全不含油，是由各种添加剂溶于水形成的透明水溶液；而微乳化液也是矿物油溶于水形成的，但其油的含量远低于乳化液中油的含量，表面活性剂含量却高很多，使分散在水中的油滴微粒的直径比乳化液小。由于微乳化液特有的组成特点，使得它兼有乳化液和合成切削液两方的优点，润滑、冷却、清洗、防锈性能均较好，且其使用寿命比乳化液长4～6倍。因此，发达国家已走过了从乳化液向合成切削液，再向微乳化液发展的过程，微乳化液得到了广泛的应用。我国目前仍以乳化液为主，机械行业在80年代出现了研制生产和应用合成切削液的热潮，从90年代才比较普遍地注重微乳化液的研制和应用。

　　虽然最早使用的水和动植物油仍是现代切削液的重要组成部分，但赋予切削液时代特征，并几乎决定切削液性能优劣的是其各种添加剂。常用的添加剂种类有：油性剂、极压添加剂、表面活性剂、乳化剂和乳化安定剂、防锈剂、防霉杀菌剂、消泡剂、抗氧化剂等。

　　上述各种添加剂，每一种都能解决某一方面的问题，如在轻载荷切削条件下，油性剂可显著提高切削液的润滑性能，而在重载情况下，则需要极压添加剂来满足润滑要求。但要使切削液具有优良的综合性能，则必须同时添加上述各种添加剂。如微乳化液除使用大量表面活性剂外，还有油性剂和极压添加剂、防锈剂、防霉杀菌剂、消泡剂、pH值调整剂等多种添加剂。

　　(2)切削液存在的根本问题

　　1)切削液危害人体键康 

　　切削液对人体的危害首先是其添加剂的毒性，如常作为杀菌剂使用的苯酚类物质毒性很大；常用的效果较好的防锈剂是亚硝酸纳，而国际上普遍认为它与胺盐在某些条件下会形成致癌物质亚硝胺。其次是对皮肤的危害，因矿物油、表面活性剂的脱脂作用，或因防腐杀菌剂的刺激性，及无机盐、有机胺等碱性物质的作用，会使皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎。三是对呼吸器官的危害，这主要是使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的刺激性气味引起的；同时，这些油雾还会对眼睛产生一定的刺激。如甲醛有极强的杀菌力，常在切削液中充作杀菌剂，但它对人的眼鼻有强烈的刺激性，接触皮肤还会导致组织坏死。

　　美国Gen色ral Moter汽车公司通过专门的综合调查，比较了直接接触切削液的机床操作工、不直接接触切削液的装配工及从未在机床上工作的人，结论是机床操作工患呼吸系统疾病(咳嗽、呼吸困难、慢性支气管炎、鼻炎的较多，并且矿物油常引起气喘、咳嗽和鼻炎，而合成切削液会引起支气管炎。

　　2)切削液危害环境 

　　切削液对环境的危害主要是其废液对水资源的污染问题。矿物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期滞留在水和土壤中。美国环保局指出：油对水生物有极性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性(即不会导致生物死亡，但破坏其正常的生态)。水中含油量超过lOppm，就会使海洋植物死亡，含油300ppm可使淡水鱼死亡。就算排放的废液经过严格的矿物油回收处理，其在水中的长期积累也不容忽视。切削液的添加剂对环境的污染也是多方面的。如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一；在水基切削液中常用磷酸钠作防锈剂，而研究证明，磷酸盐的积累会使河流、湖泊因营养富化而出现赤潮。 

　　还有切屑中带有残存切削液的问题。切削加工中使用的切削液，或多或少总会存留在切屑上，大量堆积的切屑带有的切削液会污染土壤，切屑再生利用时切削液有毒有害成分也会污染环境。 

　　针对切削液的安全、健康和环保问题，发达国家已制订了许多有关法律及标准，如美国劳动安全和保障国家机构规定，切削液油雾含量限制水平是5 mg／m3，现在则倾向于更严格：在不含有芳香烃(polyaromatic hydrocarbon)的切削液中限制为3mg／m3，对含有芳香烃的切削液则为0．5mg／m3；德国环保部门规定，某些切削液和带有残存切削液的切屑必须作为有毒有害废物处理。这些法规对切削液生产者、使用者，都增加了生产成本，不利于激烈的市场竞争，因此有关切削液安全、健康与环保问题成为本领域的研究热点和重点，大家都努力寻找解决此类问题的方法。 

　　(3)解决问题的途径 

　　1)干切削 

　　最彻底解决切削液上述问题的方法是采用干切削技术，即在切削加工中不使用任何切削液。它不但能解决切削液健康与环保的问题，还可以省去切削液使用和废液处理的费用，是最理想的解决问题的方法。现代切削技术、刀具材料及刀具设计技术的发展，为干切削的实施创造了条件：一是刀具材料的发展使刀具(片)承受更高的切削温度，因而减少了对冷却的要求；二是涂层技术的发展可减小刀具一工件表面之间的摩擦，减小了切削力，降低了对切削液润滑作用的依赖；三是合理加工方式与刀具设计及制造能力的提高，使切屑排出容易，减小了对切削液排屑作用的依赖。 

　　干切削已成功地用于铸铁、铝材料的切削加工，对钢、镁等材料的加工也在实验和应用之中。

　　2)传统切削液的替代品 

　　研究最多的是液氮冷却，即将液氮作为切削液直接喷射到切削区。氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回大气中，没有任何污染物，对人体无害，从健康和环保方面看，是一种很好的切削液替代品。美国和印度等国的一些学者对液氮冷却切磨削加工进行了大量的实验研究，并初步得到了应用。日本等国一些学者研制出低温喷气系统，将液氮冷却过的低温空气喷射到切削区而起冷却作用，效果也不错。 

　　3)绿色切削液 

　　上述不污染环境的切削加工方法大都集中在无传统切削液的加工上，从目前发展情况来看，上述加工方法虽然各有其特点和优势，但使用范围还很有限，并且都面临切屑形成过程中润滑性差的问题，有时不得不使用一些润滑剂；另一个不容忽视的问题是工件及机床的锈蚀。 

　　从目前情况看，在很长一段时间内，大多数切削加工还离不开传统切削液。因此，在保证切削液综合性能的基础上，人们正在大力推广应用低毒、低污染的绿色切削液，而无毒无污染的绿色切削液则是追求的远景目标。 

　　2 绿色切削液的可行性 

　　绿色切削液是指切削液在使用中对人和环境无害，其废液经处理所含油成分回收后，水可安全排放，残留废油和添加剂在自然界可完全降解，不会对环境造成任何污染。 

　　植物油是可再生的资源，在自然中可完全降解，对人和环境没有危害性。国外已用它代替矿物油来研制油基切削液。与矿物油相比，植物油的应用受到其氧化和水解的不稳定性及老化性能的制约，但挥发性低，加入一定的抗氧化剂等添加剂后，性能能很好地满足某些加工要求，有广阔的应用前景。另外一种代替矿物油的方法是采用酯类油，现在国内外生产的各类酯类油中，生物降解率就可达90～100％，但价格较高。经过进一步研究发展，肯定能研制出完全降解的价格适当的产品，因此它是现在各国争先研究的重点内容。 

　　很多切削液添加剂已实现了无毒、无污染或低毒、低污染。如有机硼酸酯是一种新型的极压添加剂，它大部分由带羟基的物质(如醇)与硼化剂(如硼酸)反应而成，其特点是无毒，极压润滑性良好，并兼有防锈性和抗菌、杀菌功能，因此受到了越来越广泛的重视。钼酸盐能在金属表面形成Fe—MoO4一 Fe2O3钝化膜，是性能良好的防锈剂，且几乎没有毒性和对环境的危害性。欧洲许多国家在积极研究切削液中常用添加剂的可降解性和降解处理途径，一些自然型极压添加剂已在水基切削液中广泛应用。对于油雾问题，现在已可通过选择基础油(如氢化裂解的基础油)和酯类添加剂来抑制油雾的产生，并通过排烟、通风设备避免对工人的危害。 

　　经过多年不懈的努力，长寿命、低毒、低污染高性能切削液已经投入使用，最大对人体无害的可降解生物型切削液正在研制之中，我们相信，待以时日，对人和环境友好的绿色切削液一定能出现。 

　　3 结论 

　　(1)切削液存在的根本问题是其使用时对人和环境的危害，及其废液对环境的污染问题。 

　　(2)干切削、液氮冷却、绿色切削液等都是解决切削液健康、环保问题的方法，但对人和环境友好的绿色切削液是最符合目前切削加工发展状况的解决方法。 

　　(3)低毒、低污染切削液已推广使用，绿色切削液也能研制功能。

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