環(huán)境友好半合成切削液的研制

方建華，陳波水，王九，吳江

（1.后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311;2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

環(huán)境友好半合成切削液的研制

方建華1，2，陳波水1，王九1，吳江1

（1.后勤工程學(xué)院軍事油料應(yīng)用與管理工程系，重慶 401311;2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045）

選用無毒或低毒性添加劑，在系統(tǒng)考察基礎(chǔ)油、緩蝕劑、表面活性劑以及油性劑、極壓抗磨劑和其他添加劑的配伍性能的基礎(chǔ)上，按照微乳液調(diào)配理論，研制了一種環(huán)境友好型水基半合成切削液，并對其抗磨減摩、防銹、生物降解等綜合性能進行了評價，實驗室結(jié)果表明:該切削液具有優(yōu)良的防銹性、抗腐蝕性、潤滑性和其他綜合性能。生物降解試驗表明研制的半合成切削液生物降解性能較好，生態(tài)毒性低，達到了設(shè)計要求，是一種理想的環(huán)境友好潤滑劑。

環(huán)境友好潤滑劑;抗磨減摩性;生物降解性;生態(tài)毒性

0 引言

近年來，隨著制造設(shè)備的進步，加工工藝和材料材質(zhì)的改進以及工廠管理水平的提高，對與金屬加工技術(shù)配套的金屬加工液提出了更新更高的要求。隨著人類環(huán)保意識和環(huán)保立法的不斷加強，人們越來越意識到金屬加工潤滑劑對人體和環(huán)境造成的危害。傳統(tǒng)礦物油基潤滑劑生物降解性能差、生態(tài)毒性高，加之石油資源不斷減少，相對來說比較環(huán)保的全合成、半合成金屬加工潤滑劑越來越受到人們的青睞。但大多數(shù)水及金屬潤滑劑仍然采用亞硝酸鹽、磷酸鹽和有機酚等為添加劑，這些添加劑具有一定的致癌性能，不但使用過程中會危害操作工人的身體健康，而且排放后污染水體，給環(huán)境造成了極大的危害［1－4］。

環(huán)境友好金屬加工潤滑材料是一類對人體和環(huán)境友好的金屬加工配套材料。綠色金屬加工是綠色機械制造的重要組成部分。綠色金屬加工的根本目標，是在完成機械零部件加工制造的同時，實現(xiàn)加工過程綠色化，即加工過程對人體無危害，對環(huán)境無污染。環(huán)境友好潤滑劑由于采用了綠色基礎(chǔ)液和綠色添加劑，因此在金屬加工過程中產(chǎn)生的噪聲小，加工車間油霧濃度低，對人體無危害，對環(huán)境無污染或低污染，其廢液經(jīng)處理后可再生利用或安全排放，殘留物質(zhì)對人體和自然界無危害或在自然界可完全降解。因此，它是綠色制造技術(shù)的重要組成部分［5－7］。

文章結(jié)合現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，采用無毒或低毒添加劑，研制了一種新型環(huán)境友好化學(xué)半合成型切削液，并對其綜合性能進行了評價。

1 半合成切削液的制備

半合成切削液中包括了油、水、表面活性劑、防銹緩蝕劑、油性劑、極壓劑、防霉殺菌劑等成分，制備方法為兩相混合法。將水溶性表面活性劑、防銹劑、助表面活性劑等溶于水相，油性劑、減摩劑等溶于油相。然后邊攪拌邊將油相加入到水相中，攪拌至透明后，加入消泡劑充分攪拌，即得到半合成切削液切削液濃縮液。

1.1 油相和水相

半合成切削液中基礎(chǔ)油含量較低，切削液中加有大量的表面活性劑、防銹劑、油性劑等，一定程度上會增加產(chǎn)品的黏度，尤其是HLB值較大的乳化劑對礦物油有明顯的稠化作用，甚至呈膏狀。因此，微乳化液應(yīng)選用黏度較低的潤滑油基礎(chǔ)油。同時為了保證運輸、儲存的安全，半合成切削液的閃點不宜太低。

1.2 乳化劑的選擇

影響乳化劑的因素有很多，乳化劑的結(jié)構(gòu)和種類的影響最大。選擇適宜的乳化劑，不僅可以促進乳化液的形成，有利于形成細小的顆粒，提高乳化體的穩(wěn)定性，而且可以控制乳化體的類型（即O/W或W/O型）。表面活性劑的親水、親油平衡值——HLB值是制取乳化體的重要因素，乳化劑的HLB值表示其同時對水與油的相對吸引作用。HLB值小表示親油性強，反之，則表示親水性強，HLB值在3～6的物質(zhì)適宜于作W/O型乳化劑;HLB在8～l8的物質(zhì)適宜于作O/W型乳化劑。選擇乳化劑時，通?？上扔嬎阌拖嗨枰腍LB值，然后用一系列有相應(yīng)HLB值與化學(xué)類型的乳化劑來試驗。當油相為一混合物時，所需HLB值也像乳化劑HLB值一樣，具有加和性，只有使乳化劑所能提供的HLB值與油相所需要的HLB值吻合，才能得到性能良好的穩(wěn)定的乳化體。

1.3 防銹緩蝕劑的選擇

為了保護機床、刀具及工件不受乳液的侵蝕，要在切削液中加入防銹緩蝕劑，以期在金屬表面形成保護膜，或者形成鈍化膜。

防銹添加劑主要有水溶性防銹劑和油溶性防銹劑兩大類。水溶性添加劑有亞硝酸鈉、苯并三氮唑、硼酸、三乙醇胺、磷酸鹽、鉻酸鹽、植酸、苯甲酸鈉、鉬酸鈉和無水碳酸鈉等。它們與金屬發(fā)生作用，并在金屬表面生成不溶性的致密的氧化膜，阻止金屬的電化學(xué)腐蝕。這類防銹劑多是電解質(zhì)，用于乳液時，用量不宜過大，以免發(fā)生電解現(xiàn)象而破壞乳液。油溶性防銹劑主要有磺酸鹽、高分子羧酸及其金屬皂鹽類、酯醇類、胺類、磷酸酯等。它們是極性很強的化合物，能優(yōu)先吸附在金屬表面或與表面化學(xué)反應(yīng)生成保護膜，抑制氧及水對金屬的接觸，因此，它會與極壓劑在金屬表面的吸附發(fā)生競爭，使乳液的極壓性下降。

亞硝酸鈉有致癌作用，在西方發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家已為禁用產(chǎn)品。二乙醇胺的含量也不應(yīng)超過1%，因其在空氣中容易氧化成致癌物質(zhì)。常用的環(huán)境友好型緩蝕劑如脂肪酸衍生物、胺類、咪唑啉類及三唑類。

1.4 油性劑和極壓劑的選擇

為了保護刀具，提高加工質(zhì)量，此類添加劑是半合成切削液中不可缺少的組分。這類添加劑主要有動植物油脂，聚合脂肪酸及其皂，脂肪醇及多元醇，硫化油脂，酮類，胺類等有機物。它們是具有極性基的分子，能在金屬表面形成定向吸附膜，在金屬加工中，此膜能減少工件、切削、刀具之間金屬的直接摩擦，降低工件表面粗糙度，提高工件精度并延長刀具使用壽命。

極壓劑是含硫、磷、氯等元素的化合物，這些化合物在高溫下與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成剪切強度低的金屬固體保護膜，防止金屬的磨損和燒結(jié)，故可用于極壓潤滑摩擦狀態(tài)。

國內(nèi)廣泛使用氯化石蠟、硫化脂肪油、硫化棉子油、亞磷酸二丁酯、磷酸三乙酯，ZDDP等作為極壓劑。常常是兩種以上的添加劑復(fù)合使用比單獨使用會得到良好的效果，這樣可使油品的性能更加全面。因為不同類型的極壓抗磨劑具有不同的特點和使用范圍，可互補不足。

1.5 防霉殺菌劑的選擇

微乳化液容易滋長微生物，使加工液變質(zhì)，使用壽命變短。常用的殺菌劑有甲醛釋放劑、酚類化合物、水楊酸類、雜環(huán)化合物等。

1.6 其他

半合成切削液中使用的輔助添加劑還有消泡劑、偶合劑、pH值調(diào)節(jié)劑、金屬離子掩蔽劑等。消泡劑常用的為硅油類，其不溶于水，分散于水中，不能加多，否則體系易渾濁。偶合劑用來增加體系的穩(wěn)定性，其性能取決于自身的親水－親油之間的平衡。體系pH值應(yīng)保持在8～10之間，pH過低易滋生細菌霉變;pH過高，鋁腐蝕嚴重。金屬離子掩蔽劑能絡(luò)合水中的鈣鎂離子。這些添加劑如何使用，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

2 半合成切削液配方篩選

首先設(shè)計了一個探索性配方，各組分的比例完全是根據(jù)資料選擇的，目的是試圖得到一個微乳體系，結(jié)果見表1。

表1 半合成切削液配方1

按表1的組分比例試配，未能成功，主要原因是乳化劑用量過多、體系分層、不穩(wěn)定。

在表1的基礎(chǔ)上降低乳化劑用量，感受到微乳化的相變過程，見表2。

表2 半合成切削液配方2

試樣放置幾天后，溶液變稠，稀釋液不是很穩(wěn)定。可能是油的量過多。

要得到穩(wěn)定透明澄清的微乳液需要注意的方面很多，水－油－表面活性劑體系中的膠團間的平衡和締合相變化是相當復(fù)雜的，通過不斷嘗試調(diào)整配方各組分比例，以期找到那個使體系穩(wěn)定透明的“點”。同時，為了滿足鋁合金切削的各項性能要求，嘗試著向體系中添加各種添加劑。

在配方2的基礎(chǔ)上降低油的含量，經(jīng)過多次試驗得到一個穩(wěn)定時間長、性能較好的配方，如表3所示。

表3 半合成切削液配方3

3 性能考察（見表4）

表4 配方3的性能測試結(jié)果

從表4可以看出，研制的半合成切削液具有優(yōu)異的性能。將該配方調(diào)制的切削液稀釋成5%的工作液，用四球摩擦試驗機，參照GB 3142－90方法，試驗條件為轉(zhuǎn)速1500 r/min，室溫，時間10 s，通過計算機輸出的切削液摩擦力矩－時間－摩擦系數(shù)曲線取平均值方式測定潤滑液的摩擦系數(shù)。試驗結(jié)果表明，研制的半合成切削液的工作液最大無咔咬負荷（PB值）為750 N，燒結(jié)負荷（PD值）為2500 N。試驗后，摩擦系數(shù)曲線見圖1。

圖1 切削液摩擦力矩－時間－摩擦系數(shù)曲線

從圖1可以看出，研制的切削液工作液的平均摩擦系數(shù)為0.1023，表明該切削液具有較好的潤滑性能。

為了更好地檢驗所研制的切削液的使用性能，將切削液配制成5%的工作液，在M7675A/B高速雙端面磨床上進行現(xiàn)場實驗，加工工件為20CrMnTi材質(zhì)、直徑為150 mm汽車變速箱齒輪，結(jié)果表明所研制的切削液具有優(yōu)良的潤滑、清洗和防銹性能，加工精度達到5級。

4 生物降解和生態(tài)毒性試驗

生物降解性能按CEC L－33－A－93法進行，結(jié)果表明切削液的生物降解率為96.3%，表明所研制的半合成切削液具有較好的生物降解性能。

根據(jù)浙江大學(xué)環(huán)境工程系檢測，研制的半合成磨削液的BOD（生化耗氧量）為1.06 g/L，COD（化學(xué)耗氧量）為0.902 g/L，完全達到國家排放標準。

根據(jù)浙江大學(xué)生物學(xué)院用研制的半合成切削液對動物所做的病理診斷，經(jīng)統(tǒng)計處理表明，工作液涂抹動物皮膚后，動物表現(xiàn)正常，體重?zé)o變化，局部皮膚無紅腫、潰瘍、滲出等現(xiàn)象;經(jīng)光鏡和顯微照片觀察，實驗動物的皮膚、肝臟和腎、心、腦、肺細胞均無異常，由此可知，研制的切削液對人體無毒性。

以德國的Wassergefahrdungklasse（WGK）為基礎(chǔ)進行檢測，表明研制的半合成切削液的急性水毒性極限（EL50）或（LL50）均不小于119μg/g，屬于無毒性切削液。

由于研制的半合成切削液的水污染指數(shù)值（WEN）為0.58，屬于無污染潤滑劑，使用后可直接排放，對環(huán)境和人體無危害。

5 結(jié)論

研制的半合成型切削液具有優(yōu)良的綜合性能，而且無毒，可生物降解，是性能優(yōu)異的環(huán)境友好金屬加工潤滑劑。

由于切削液的性能考察目前沒有專用方法，實驗室模擬臺架試驗只能作參考，所以這里只以四球機為評價手段進行簡單試驗，產(chǎn)品主要在實際生產(chǎn)中應(yīng)用，現(xiàn)場使用表明，該切削液使用性能優(yōu)越。另外，在生理生態(tài)毒性試驗中，所有指標的評價尚不具備條件，只對皮膚刺激性進行了考察。

［1］陳波水，方建華，李芬芳.環(huán)境友好潤滑劑［M］.北京:中國石化出版社，2006.

［2］羅新民.金屬加工用油產(chǎn)品與應(yīng)用［M］.北京:中國石化出版社，2006.

［3］周耀華，張廣林.金屬加工潤滑劑［M］.北京:中國石化出版社，2002.

［4］方建華.環(huán)境友好潤滑劑的過去、現(xiàn)在和將來［J］.合成潤滑材料，2005（2）:21－23.

［5］方建華，陳波水.環(huán)境友好磨削液的研制［J］.潤滑油，2008，23（1）:25－27.

［6］邱金華，羅新民，歐陽波.水基金屬加工潤滑添加劑的使用［J］.合成潤滑材料，2005（4）:29－32.

［7］申士強，張建華.水溶性金屬加工液添加劑的制備及其性能研究［J］.潤滑與密封，2004（4）:51－57.

The Development of Environmentally Friend ly Micro－Emulsion Cutting Fluid

FANG Jian－h(huán)ua1，2，CHEN Bo－shui1，WANG Jiu1，WU Jiang1
（1.Dept.of Military Oil Application and Administration Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China;2.College of Materials Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China）

A type of new environmentally friendly water basemicro－emulsion cutting fluid was developed with nontoxic or low－toxic additives by studying the combinations of base oil，corrosive inhibitors，surfactants，oiliness agent，extreme pressure＆anti－wearagent，and other agents.Its anti－wear and friction－reducing properties，anti－rust ability and biodegradability were evaluated.The results showed that the cutting fluid possesses excellent rust－inhibiting property，corrosion resistance，lubricity and other comprehensive properties.The biodegradability test showed that the cutting fluid has excellent biodegradability aswell as low eco－toxicity，and it is a perfect environmentally friendly cutting fluid.

environmentally friendly lubricant;anti－wear and friction－reducing properties;biodegradability;eco－toxicity

TE626.39

A

1002-3119（2012）01-0018-04

國家自然科學(xué)基金資助項目（50975282），重慶市科技攻關(guān)項目（CSTC，2011AC6041）。

2011－06－20。

方建華（1971－），男，博士，畢業(yè)于解放軍后勤學(xué)院油料應(yīng)用專業(yè)，主要從事環(huán)境友好潤滑劑及添加劑的研究，已公開發(fā)表論文多篇。