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1. 前言
金屬加工過程中的摩擦和形變會釋放出大量熱量。 例如，切削時切屑和刀具溫度達到800℃,磨削時達到1200℃[1]，切削液的冷卻作用至關(guān)重要。表1比較了水基和油基切削磨削液的冷卻參數(shù)[2]。
表1 水、油冷卻性能比較
對比類型 | 熱導率 W/(m?K) | 比熱容 J/(kg?K) | 汽化熱 J/ kg | 運動粘度 （20℃，mm2/s） |
水 | 0.628 | 4184 | 2259360 | 1.0 |
油 | 0.126-0.210 | 1674-2092 | 167360-313800 | 20-300 |
根據(jù)表1，水的導熱系數(shù)是油的3-5倍，比熱也大1倍以上，水基切削磨削液的冷卻能力遠比油基的好，加之，在加工區(qū)域良好的滲透能力和清洗能力，水基切削液的應(yīng)用越來越廣泛，例如在加工中心，加工量大的粗加工序幾乎都是使用水基切削磨削液。
2. 水基切削磨削液的種類及其性能特點
國內(nèi)外對水基切削磨削液有不同的分類。1986年通過實施的ISO6743/7將水基切削磨削液分為從MAA到MAI共9類，日本JISK2241將其分為A1-A3三類，美國ASTM D2881-03則分為含石油制品液體和不含石油制品液體兩種。我國在1989年制訂的GB/T7631.5-1989等效采用ISO6743/7[3]，也按9類歸分。雖然不同標準的具體歸類有所不同，但從大類及業(yè)界共同觀點是將水基切削磨削液分為三類：乳化液(含礦物油量在50%以上，基本不含水)、半合成液或微乳化切削液(含油量一般少于25%)和合成液或化學溶液(不含礦物油)。也有資料[2]認為將化學溶液稱為合成液以及將微乳化液叫做半合成液是不正確的，因為和合成沒有任何關(guān)系，從化學觀點看，這個說法是正確的，也更準確，但業(yè)界目前仍然普遍流行乳化，合成和半合成的稱謂和分類。
乳化、合成、半合成這三類水基產(chǎn)品中，含油量不同，必然帶來組成和性能上的明顯差異，可從以下幾個方面對比分析。
2.1. 第二相尺寸[4]。
乳化液是油分布在水中形成的宏觀均勻體系。油粒尺寸一般在1-10微米;半合成液只含不到20%的礦物油卻含更多乳化劑，油粒尺寸比乳化液小得多，只有0.05-1微米;而合成液被認為是真溶液，是均勻的單相體系，尺寸是原子級的，即就是為了防銹等而添加的添加劑，形成的也是膠體溶液，粒子尺寸在0,05微米以下。第二相尺寸差異影響到液體外觀。可見光波長在0.4-0.7微米，顯然，乳化液中的油粒能反射太陽光，故外觀呈乳白色;半合成液中油粒散射太陽光，呈現(xiàn)藍色半透明;合成液中因太陽光直接穿過而顯現(xiàn)透明狀態(tài)。
2.2. 防銹性能
乳化液含油量高，油粒尺寸大，加工后在工件和機床上殘留一層油膜，起到防銹作用。加之，乳化液中很多帶極性的潤滑和防銹添加劑都是油溶性的，它們也會隨同油一起析出，極性添加劑的吸附力強，極性端吸附在金屬表面，能排開表面水膜同時疏水端向外，形成新的低能量的表面，較難被水潤濕，配合油膜一起提供良好的防銹性。合成液不含油，防銹能力較差，且表面張力小(約4x10-4N/cm),潤濕穿透能力強，對機床防銹漆膜有侵蝕作用。半合成液的防銹性能介于乳化液和合成液之間。
2.3. 潤滑能力
乳液中油粒尺寸大，在摩擦接觸區(qū)域，油相容易從乳液中析出，起到潤滑作用，潤滑能力高。乳化液潤滑能力好，不僅在于含油量高及油粒尺寸大，還在于很多潤滑劑如形成有機吸附膜的油性抗磨劑或者憑借化學反應(yīng)形成無機膜的極壓潤滑劑，大都是油溶性的，因此，乳化液潤滑能力的實現(xiàn)手段相當豐富，容易滿足苛刻加工的潤滑要求。另外，有些加工工序?qū)Ψ磻?yīng)性強的極壓劑敏感，例如鋁合金加工，在這種情況下，采用較大油粒尺寸，較高油含量和油性劑就成為潤滑實現(xiàn)的重要手段。
2.4. 廢液處理
乳化液廢液處理方法相對簡單容易，通過破乳去除大部分油及溶于油的多種有機物。乳化液大都采用陰離子乳化劑，陰離子乳化劑在pH大于7才有明顯乳化作用，破乳時，添加無機酸如硫酸、鹽酸或者弱堿強酸鹽如AlCl3,FeCl3等降低pH，或者添加陽離子乳化劑，使陰離子乳化劑失去作用，達到破乳。對于半合成和合成液，由于含有大量的水溶性添加劑，顯著增加了廢液處理困難。據(jù)介紹，廢液處理成本高在美國是乳化液回歸成為用戶主要選擇的重要原因。
根據(jù)以上分析，乳化液有潤滑、防銹和廢液處理性能好的突出優(yōu)點。相對乳化液，半合成液和合成液使用方面的不足之處也值得注意。例如，半合成液含油少，但為了達到細小的油粒尺寸，卻含有比乳化液更多的乳化劑(表面活性劑)，降低了表面張力，使得合成液和半合成在使用過程中容易產(chǎn)生泡沫，而泡沫又對冷卻和潤滑不良影響。再如，使用過程中不可避免地存在外來油品泄漏如液壓油、齒輪油和軸承油的泄漏等，合成液和半合成液的設(shè)計思路是不含油或者含油量少油粒尺寸小，但外來泄漏的油品卻不可避免地被乳化進來，和合成液和半合成液的產(chǎn)品設(shè)計思路不符，對應(yīng)用造成比乳化液更大的不利影響。當然，合成液具有透明、冷卻沖刷性能好的優(yōu)點，適合用在磨削加工上，這也是業(yè)界的共識。
乳化液具有這些優(yōu)勢，但實際中不少客戶更青睞半合成液，主要是出于穩(wěn)定性上的考慮。乳液穩(wěn)定性較差主要在于其含油量高更容易滋生細菌，但采用先進的生物穩(wěn)定技術(shù)，可較為徹底地抑制微生物滋生，大幅提高乳液穩(wěn)定性，在這種情況下，選用乳化液，能給用戶帶來更多益處。
3. 水基切削磨削液的中的微生物滋生
微生物滋生需要的營養(yǎng)物質(zhì)有：1)水;2)碳源;3)氮源;4)能源;5)礦物質(zhì);6)生長因子。除生長因子外，其它都是所有微生物生長的必備營養(yǎng)物質(zhì)。顯然，水基切削磨削液具備微生物滋生的所有營養(yǎng)物質(zhì)，是微生物滋生的理想場所。水基切削磨削液中的組分還可能兼具不同的營養(yǎng)效果，例如在乳化液中大量存在的礦物油和各種有機物添加劑既是微生物滋生的碳源，同時也能提供其生長的能源。乳化液中的有機碳源最多，所以乳化液更易滋生細菌，是造成乳化液穩(wěn)定性低、壽命短的主要原因。
水基切削磨削液出現(xiàn)的微生物種屬包括革蘭氏染色陰性細菌(氣桿菌屬、假單胞菌屬、布魯氏桿菌屬、變形桿菌屬等)，革蘭氏染色陽性細菌(巴迭球菌、葡萄球菌、鏈球菌)，霉菌(在合成液中更容易出現(xiàn))和酵母等[5] 。實際上，微生物的滋生會形成菌落群體，包含種類繁多的各種菌體，圖1顯示了菌落中的多種菌體組合。
對菌落中微生物的歸類命名繁多復雜，似無必要，但了解微生物滋生的生理特性無疑是有意義的。例如，按照微生物生長過程中對氧氣的需求程度，分為專性好氧菌(有氧條件下生長)、專性厭氧菌(無氧條件下生長)和兼性厭氧菌。專性好氧菌具有完備的呼吸系統(tǒng)，能夠利用多種營養(yǎng)物質(zhì)，而好氧菌生長一方面為厭氧菌提供了食物條件，即其新陳代謝的產(chǎn)物構(gòu)成厭氧菌食物，如圖2所示[6];另一方面，好氧菌生長消耗了氧氣，在菌落心部為厭氧菌生長創(chuàng)造了無氧條件，如圖3所示[7]。
圖2 好氧菌和厭氧菌的新陳代謝過程
圖3 好氧菌滋生所形成的低氧高硫環(huán)境
圖2中的第一階段，好氧菌代謝生成的糖和蛋白質(zhì)，促進了第二階段菌類即厭氧菌的繁殖生長，并進而促進了第三階段的菌類生長，硫酸還原菌將S還原為-2價，生成有臭味的H2S。圖3中，好氧菌生長消耗了氧氣，在菌落心部，氧氣含量極低，促進了厭氧菌的繁殖生長，硫含量是和氧成反比，在這種環(huán)境下，硫酸還原菌會滋生，生成產(chǎn)物H2S。
4. 微生物滋生的危害
微生物的滋生有多種危害。
4.1. 降低系統(tǒng)的pH
水基加工液大多采用有機胺如醇胺等作為系統(tǒng)的緩沖體系或堿性保持劑，維持系統(tǒng)較高的pH。但胺可能作為細菌滋生的氮源被消耗(固氮微生物可利用空氣中的氮分子作為氮源)，導致系統(tǒng)pH下降;更重要的，如圖2、圖3所示，水基系統(tǒng)中的硫被還原成H2S，降低了系統(tǒng)的pH，同時散發(fā)出臭雞蛋類的臭味。實際上，微生物的新陳代謝涉及和促進了有機物氧化，伴隨多種酸性物質(zhì)產(chǎn)生，這些都降低了體系的pH。
圖4 不同pH下的ESI
4.2. 降低了乳化液穩(wěn)定性
乳化液主要采用陰離子乳化劑，在較高pH下起到乳化作用。pH下降，降低陰離子乳化劑的乳化效率，從而降低乳化液穩(wěn)定性。圖4是在不同pH值下測定的乳化液的ESI(Emulsion Stability Index,乳液穩(wěn)定指數(shù))，可見pH降低，乳化液穩(wěn)定性顯著下降。
4.3. 降低乳液的潤滑能力
乳液穩(wěn)定性降低，會出現(xiàn)油析，不僅濃度難以維持，而且因乳化液中的潤滑成分大都是油溶的，會隨之一起析出，進一步降低了乳化液的潤滑能力，降低加工精度，增加刀具后刀面磨損。極壓劑的隨同析出，促使刀尖部位積屑瘤產(chǎn)生，而積屑瘤的反復剝落生長，增加了刀具磨損，也降低了表面加工精度。
4.4. 降低了乳化液防銹能力[8]。
圖5 毒血癥所引起的肝部細胞死亡
pH降低，乳化液穩(wěn)定性降低導致油析，也會使乳液中的防銹添加劑隨同析出，降低防銹性能。不僅如此，微生物滋生還通過如下機制加速腐蝕：1)在形成菌落心部，硫酸還原菌滋生，產(chǎn)生H2S, pH很低，直接產(chǎn)生腐蝕，形成微生物誘發(fā)腐蝕MIC(Micro-induced-corrosion);2)絕大多數(shù)腐蝕是電化學腐蝕，電化學腐蝕速度會因極化減慢，但硫酸還原菌和某些可能形成內(nèi)孢子的革蘭氏陽性桿菌含有氫化酶，去除在陰極上積累的氫離子，去氫屏障，加速腐蝕;3)生物膜的電位差加速了電子流動，加劇了腐蝕;4)有機弱酸與無機鹽形成無機強酸(主要是鹽酸)，侵蝕金屬表面。
4.5. 增加生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效率
金屬加工液腐敗變質(zhì)顯著增加了使用成本，可能包括[9]：
· 更換腐敗金屬加工液的直接費用
· 換油損失的生產(chǎn)工時
· 降低質(zhì)量引起的質(zhì)量成本
· 換液的人工成本
· 廢液處理成本
· 刀具磨損成本
4.6. 對健康、安全和環(huán)境的危害[10]
微生物滋生惡化了工作環(huán)境，危害操作者人身健康。微生物新陳代謝過程產(chǎn)生的多種有害氣體 MVOC (含菌氣體有機組分)，菌體的內(nèi)毒素、以及新陳代謝產(chǎn)生和死尸上仍舊發(fā)出的外毒素等都對人體健康有多方面危害：皮膚過敏發(fā)炎，呼吸道感染，可能還會有敗血癥產(chǎn)生，引發(fā)多種疾病。圖5切片顯示因菌體釋放的外毒素而引起的毒血癥，三分之一的細胞已死亡。
5. 切削磨削液中微生物的防控
水基切削磨削液中的微生物防控可從以下幾個方面著手。
5.1. 做好維護管理工作
監(jiān)控配液用水質(zhì)量，保持合適濃度和pH.
配液水中的磷酸根離子、硫酸根離子和較高硬度促進微生物生長，最好的配液用水是去離子水。電磁波在純水中穿透度深，短光波紫外線具有較強的殺菌能力，如圖6所示[11]。故可用紫外線、高能電子束或超聲波照射滅菌，特別是在配液用水中含有較多微生物時。
金屬加工液組分包括殺菌劑與濃度成正比，因此使用過程中維持乳液濃度在規(guī)定范圍對乳液性能穩(wěn)定發(fā)揮具有重要意義。
系統(tǒng)pH值與微生物滋生相互關(guān)聯(lián)。一方面，如前所述，微生物滋生降低pH，故現(xiàn)場可通過pH監(jiān)控微生物滋生;另一方面，低pH又促進微生物生長。大多數(shù)微生物最適合生長的pH范圍是6.5-7.5，放線菌在8.0-8.5生長，只有個別細菌在pH大于9.0 環(huán)境中生長，因此，維持較高pH有助于控制微生物滋生。只是如有細菌滋生，則很難維持穩(wěn)定的pH。另外，加工鋁合金等有色金屬時，乳液pH值不宜太高。
5.2. 使用殺菌劑[12]
使用殺菌劑是控制微生物的常用方法，金屬加工原液中大都含有殺菌劑。 不同殺菌劑在作用靶位、機理、適應(yīng)性上有差異。常用廣譜殺菌劑如甲醛釋放型，異噻唑啉酮類和碘丙炔正丁胺甲酸酯類等。沒有一種殺菌劑對環(huán)境和人體健康是絕對無害的，很多殺菌劑的副作用相當強，歐盟國家已經(jīng)不允許使用甲醛釋放型殺菌劑。
殺菌劑在儲存期間，效力不斷下降，而且細菌抗藥性也在不斷增加，所以，殺菌劑的作用效果逐步降低，如圖6所示。顯然，使用殺菌劑只能在一定范圍內(nèi)抑制細菌滋生。
5.3. 配方改進
要從根本上解決問題，還需從產(chǎn)品配方進行改進，采用先進的生物穩(wěn)定技術(shù)，大幅減少現(xiàn)場維護負擔。
不少水基加工液利用硼酸鹽組分抑制細菌，盡管被稱為生物穩(wěn)定，但事實證明只能在一定程度上減緩菌類滋生，而且，硼有不良的環(huán)保性能。因此，需要尋求更先進的生物穩(wěn)定技術(shù)，例如，有報道稱采用銅鹽來達到生物穩(wěn)定的目的[13]。好富頓公司生產(chǎn)的HOCUT 795系列乳化液,應(yīng)用最先進的生物穩(wěn)定技術(shù)，從根本上防止微生物滋生。表2是嚴重滋生細菌的乳液分別放在傳統(tǒng)乳液和HOCUT 795系列乳液后的細菌滋生情況。試驗在培養(yǎng)箱中進行，樣品不攪拌，測菌時才攪拌，乳液濃度6%，含菌乳液約10%。 試驗結(jié)果表明，HOCUT 795系列能完全抑制細菌滋生。
表3 HOCUT 795系列生物穩(wěn)定性試驗
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