論綠色切削液的必要性和可行性

1切削液的發(fā)展和現(xiàn)存難題

(1)切削液的發(fā)展

人們使用切削液，最早是從水開始的，后來(lái)使用簡(jiǎn)單的水基溶液(如石灰水、肥皂水等)和動(dòng)植物油(如亞麻油)。直到二十世紀(jì)初，人們能夠從原油中提煉出大量的潤(rùn)滑油以后，尤其是發(fā)明了各種潤(rùn)滑油添加劑以后，才真正開始了現(xiàn)代意義上的切削液的發(fā)展。

性能優(yōu)良的切削液具有良好的潤(rùn)滑、冷卻、清洗及防銹性能，對(duì)提高切削加工質(zhì)量和效率、減少刀具磨損等有著顯著效果。切削液發(fā)展到今天，在機(jī)械加工業(yè)中應(yīng)用廣泛，使用量很大，成為種類眾多，門類齊全的工業(yè)產(chǎn)品，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)在的切削液主要分為不含水的油基切削液和主要成分是水的水基切削液兩大類。油基切削液潤(rùn)滑性能好，冷卻性能較差，水基切削液則反之，但其成本低，操作環(huán)境安全、干凈，沒(méi)有油霧和著火的危險(xiǎn)；隨著水基切削液性能的不斷提高，其使用范圍逐漸擴(kuò)大，出現(xiàn)了油基切削液向水基切削液過(guò)渡的趨勢(shì)。

水基切削液中，乳化液是礦物油加入乳化劑溶于水后形成的乳狀溶液；合成切削液完全不含油，是由各種添加劑溶于水形成的透明水溶液；而微乳化液也是礦物油溶于水形成的，但其油的含量遠(yuǎn)低于乳化液中油的含量，表面活性劑含量卻高很多，使分散在水中的油滴微粒的直徑比乳化液小。由于微乳化液特有的組成特點(diǎn)，使得它兼有乳化液和合成切削液兩方的優(yōu)點(diǎn)，潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹性能均較好，且其使用壽命比乳化液長(zhǎng)4～6倍。因此，發(fā)達(dá)國(guó)家已走過(guò)了從乳化液向合成切削液，再向微乳化液發(fā)展的過(guò)程，微乳化液得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)目前仍以乳化液為主，機(jī)械行業(yè)在80年代出現(xiàn)了研制生產(chǎn)和應(yīng)用合成切削液的熱潮，從90年代才比較普遍地注重微乳化液的研制和應(yīng)用。

雖然最早使用的水和動(dòng)植物油仍是現(xiàn)代切削液的重要組成部分，但賦予切削液時(shí)代特征，并幾乎決定切削液性能優(yōu)劣的是其各種添加劑。常用的添加劑種類有：油性劑、極壓添加劑、表面活性劑、乳化劑和乳化安定劑、防銹劑、防霉殺菌劑、消泡劑、抗氧化劑等。

上述各種添加劑，每一種都能解決某一方面的問(wèn)題，如在輕載荷切削條件下，油性劑可顯著提高切削液的潤(rùn)滑性能，而在重載情況下，則需要極壓添加劑來(lái)滿足潤(rùn)滑要求。但要使切削液具有優(yōu)良的綜合性能，則必須同時(shí)添加上述各種添加劑。如微乳化液除使用大量表面活性劑外，還有油性劑和極壓添加劑、防銹劑、防霉殺菌劑、消泡劑、pH值調(diào)整劑等多種添加劑。

(2)切削液存在的根本問(wèn)題

1)切削液危害人體鍵康

切削液對(duì)人體的危害首先是其添加劑的毒性，如常作為殺菌劑使用的苯酚類物質(zhì)毒性很大；常用的效果較好的防銹劑是亞硝酸納，而國(guó)際上普遍認(rèn)為它與胺鹽在某些條件下會(huì)形成致癌物質(zhì)亞硝胺。其次是對(duì)皮膚的危害，因礦物油、表面活性劑的脫脂作用，或因防腐殺菌劑的刺激性，及無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)胺等堿性物質(zhì)的作用，會(huì)使皮膚干燥、裂口、紅腫而發(fā)生皮炎。三是對(duì)呼吸器官的危害，這主要是使用切削液時(shí)產(chǎn)生的油霧以及切削液散發(fā)的刺激性氣味引起的；同時(shí)，這些油霧還會(huì)對(duì)眼睛產(chǎn)生一定的刺激。如甲醛有極強(qiáng)的殺菌力，常在切削液中充作殺菌劑，但它對(duì)人的眼鼻有強(qiáng)烈的刺激性，接觸皮膚還會(huì)導(dǎo)致組織壞死。

美國(guó)Gen色ralMoter汽車公司通過(guò)專門的綜合調(diào)查，比較了直接接觸切削液的機(jī)床操作工、不直接接觸切削液的裝配工及從未在機(jī)床上工作的人，結(jié)論是機(jī)床操作工患呼吸系統(tǒng)疾病(咳嗽、呼吸困難、慢性支氣管炎、鼻炎的較多，并且礦物油常引起氣喘、咳嗽和鼻炎，而合成切削液會(huì)引起支氣管炎。

2)切削液危害環(huán)境

切削液對(duì)環(huán)境的危害主要是其廢液對(duì)水資源的污染問(wèn)題。礦物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能長(zhǎng)期滯留在水和土壤中。美國(guó)環(huán)保局指出：油對(duì)水生物有極性致死毒性，也有長(zhǎng)期亞急性致死毒性(即不會(huì)導(dǎo)致生物死亡，但破壞其正常的生態(tài))。水中含油量超過(guò)lOppm，就會(huì)使海洋植物死亡，含油300ppm可使淡水魚死亡。就算排放的廢液經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的礦物油回收處理，其在水中的長(zhǎng)期積累也不容忽視。切削液的添加劑對(duì)環(huán)境的污染也是多方面的。如常用作極壓添加劑的短鏈氯化石蠟是海水污染物之一；在水基切削液中常用磷酸鈉作防銹劑，而研究證明，磷酸鹽的積累會(huì)使河流、湖泊因營(yíng)養(yǎng)富化而出現(xiàn)赤潮。

還有切屑中帶有殘存切削液的問(wèn)題。切削加工中使用的切削液，或多或少總會(huì)存留在切屑上，大量堆積的切屑帶有的切削液會(huì)污染土壤，切屑再生利用時(shí)切削液有毒有害成分也會(huì)污染環(huán)境。

針對(duì)切削液的安全、健康和環(huán)保問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家已制訂了許多有關(guān)法律及標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)勞動(dòng)安全和保障國(guó)家機(jī)構(gòu)規(guī)定，切削液油霧含量限制水平是5mg／m3，現(xiàn)在則傾向于更嚴(yán)格：在不含有芳香烴(polyaromatichydrocarbon)的切削液中限制為3mg／m3，對(duì)含有芳香烴的切削液則為0．5mg／m3；德國(guó)環(huán)保部門規(guī)定，某些切削液和帶有殘存切削液的切屑必須作為有毒有害廢物處理。這些法規(guī)對(duì)切削液生產(chǎn)者、使用者，都增加了生產(chǎn)成本，不利于激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，因此有關(guān)切削液安全、健康與環(huán)保問(wèn)題成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)，大家都努力尋找解決此類問(wèn)題的方法。

(3)解決問(wèn)題的途徑

1)干切削

最徹底解決切削液上述問(wèn)題的方法是采用干切削技術(shù)，即在切削加工中不使用任何切削液。它不但能解決切削液健康與環(huán)保的問(wèn)題，還可以省去切削液使用和廢液處理的費(fèi)用，是最理想的解決問(wèn)題的方法。現(xiàn)代切削技術(shù)、刀具材料及刀具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，為干切削的實(shí)施創(chuàng)造了條件：一是刀具材料的發(fā)展使刀具(片)承受更高的切削溫度，因而減少了對(duì)冷卻的要求；二是涂層技術(shù)的發(fā)展可減小刀具一工件表面之間的摩擦，減小了切削力，降低了對(duì)切削液潤(rùn)滑作用的依賴；三是合理加工方式與刀具設(shè)計(jì)及制造能力的提高，使切屑排出容易，減小了對(duì)切削液排屑作用的依賴。

干切削已成功地用于鑄鐵、鋁材料的切削加工，對(duì)鋼、鎂等材料的加工也在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用之中。

2)傳統(tǒng)切削液的替代品

研究最多的是液氮冷卻，即將液氮作為切削液直接噴射到切削區(qū)。氮?dú)馐谴髿庵泻孔疃嗟某煞郑旱鳛橹蒲豕I(yè)的副產(chǎn)品來(lái)源十分廣闊。使用液氮作為切削液，應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，沒(méi)有任何污染物，對(duì)人體無(wú)害，從健康和環(huán)保方面看，是一種很好的切削液替代品。美國(guó)和印度等國(guó)的一些學(xué)者對(duì)液氮冷卻切磨削加工進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并初步得到了應(yīng)用。日本等國(guó)一些學(xué)者研制出低溫噴氣系統(tǒng)，將液氮冷卻過(guò)的低溫空氣噴射到切削區(qū)而起冷卻作用，效果也不錯(cuò)。

3)綠色切削液

上述不污染環(huán)境的切削加工方法大都集中在無(wú)傳統(tǒng)切削液的加工上，從目前發(fā)展情況來(lái)看，上述加工方法雖然各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但使用范圍還很有限，并且都面臨切屑形成過(guò)程中潤(rùn)滑性差的問(wèn)題，有時(shí)不得不使用一些潤(rùn)滑劑；另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是工件及機(jī)床的銹蝕。

從目前情況看，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)切削加工還離不開傳統(tǒng)切削液。因此，在保證切削液綜合性能的基礎(chǔ)上，人們正在大力推廣應(yīng)用低毒、低污染的綠色切削液，而無(wú)毒無(wú)污染的綠色切削液則是追求的遠(yuǎn)景目標(biāo)。

2綠色切削液的可行性

綠色切削液是指切削液在使用中對(duì)人和環(huán)境無(wú)害，其廢液經(jīng)處理所含油成分回收后，水可安全排放，殘留廢油和添加劑在自然界可完全降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。

植物油是可再生的資源，在自然中可完全降解，對(duì)人和環(huán)境沒(méi)有危害性。國(guó)外已用它代替礦物油來(lái)研制油基切削液。與礦物油相比，植物油的應(yīng)用受到其氧化和水解的不穩(wěn)定性及老化性能的制約，但揮發(fā)性低，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要求，有廣闊的應(yīng)用前景。另外一種代替礦物油的方法是采用酯類油，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的各類酯類油中，生物降解率就可達(dá)90～100％，但價(jià)格較高。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)展，肯定能研制出完全降解的價(jià)格適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品，因此它是現(xiàn)在各國(guó)爭(zhēng)先研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

很多切削液添加劑已實(shí)現(xiàn)了無(wú)毒、無(wú)污染或低毒、低污染。如有機(jī)硼酸酯是一種新型的極壓添加劑，它大部分由帶羥基的物質(zhì)(如醇)與硼化劑(如硼酸)反應(yīng)而成，其特點(diǎn)是無(wú)毒，極壓潤(rùn)滑性良好，并兼有防銹性和抗菌、殺菌功能，因此受到了越來(lái)越廣泛的重視。鉬酸鹽能在金屬表面形成Fe—MoO4一Fe2O3鈍化膜，是性能良好的防銹劑，且?guī)缀鯖](méi)有毒性和對(duì)環(huán)境的危害性。歐洲許多國(guó)家在積極研究切削液中常用添加劑的可降解性和降解處理途徑，一些自然型極壓添加劑已在水基切削液中廣泛應(yīng)用。對(duì)于油霧問(wèn)題，現(xiàn)在已可通過(guò)選擇基礎(chǔ)油(如氫化裂解的基礎(chǔ)油)和酯類添加劑來(lái)抑制油霧的產(chǎn)生，并通過(guò)排煙、通風(fēng)設(shè)備避免對(duì)工人的危害。

經(jīng)過(guò)多年不懈的努力，長(zhǎng)壽命、低毒、低污染高性能切削液已經(jīng)投入使用，最大對(duì)人體無(wú)害的可降解生物型切削液正在研制之中，我們相信，待以時(shí)日，對(duì)人和環(huán)境友好的綠色切削液一定能出現(xiàn)。

3結(jié)論

(1)切削液存在的根本問(wèn)題是其使用時(shí)對(duì)人和環(huán)境的危害，及其廢液對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。

(2)干切削、液氮冷卻、綠色切削液等都是解決切削液健康、環(huán)保問(wèn)題的方法，但對(duì)人和環(huán)境友好的綠色切削液是最符合目前切削加工發(fā)展?fàn)顩r的解決方法。

(3)低毒、低污染切削液已推廣使用，綠色切削液也能研制功能。