1. 前言

　　金屬加工過程中的摩擦和(hé)形變會(huì)釋放出大(dà)量熱量。 例如，切削時(shí)切屑和(hé)刀具溫度達到800℃,磨削時(shí)達到1200℃[1]，切削液的冷卻作(zuò)用至關重要。表1比較了水(shuǐ)基和(hé)油基切削磨削液的冷卻參數(shù)[2]。

表1 水(shuǐ)、油冷卻性能比較

　　根據表1，水(shuǐ)的導熱系數(shù)是油的3-5倍，比熱也大(dà)1倍以上(shàng)，水(shuǐ)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(hé)清洗能力，水(shuǐ)基切削液的應用越來(lái)越廣泛，例如在加工中心，加工量大(dà)的粗加工序幾乎都是使用水(shuǐ)基切削磨削液。

　　2. 水(shuǐ)基切削磨削液的種類及其性能特點

　　國內(nèi)外對水(shuǐ)基切削磨削液有(yǒu)不同的分類。1986年通(tōng)過實施的ISO6743/7将水(shuǐ)基切削磨削液分為(wèi)從MAA到MAI共9類，日本JISK2241将其分為(wèi)A1-A3三類，美國ASTM D2881-03則分為(wèi)含石油制(zhì)品液體(tǐ)和(hé)不含石油制(zhì)品液體(tǐ)兩種。我國在1989年制(zhì)訂的GB/T7631.5-1989等效采用ISO6743/7[3]，也按9類歸分。雖然不同标準的具體(tǐ)歸類有(yǒu)所不同，但(dàn)從大(dà)類及業界共同觀點是将水(shuǐ)基切削磨削液分為(wèi)三類：乳化液(含礦物油量在50%以上(shàng)，基本不含水(shuǐ))、半合成液或微乳化切削液(含油量一般少(shǎo)于25%)和(hé)合成液或化學溶液(不含礦物油)。也有(yǒu)資料[2]認為(wèi)将化學溶液稱為(wèi)合成液以及将微乳化液叫做(zuò)半合成液是不正确的，因為(wèi)和(hé)合成沒有(yǒu)任何關系，從化學觀點看，這個(gè)說法是正确的，也更準确，但(dàn)業界目前仍然普遍流行(xíng)乳化，合成和(hé)半合成的稱謂和(hé)分類。

　　乳化、合成、半合成這三類水(shuǐ)基産品中，含油量不同，必然帶來(lái)組成和(hé)性能上(shàng)的明(míng)顯差異，可(kě)從以下幾個(gè)方面對比分析。

　　2.1. 第二相尺寸[4]。

　　乳化液是油分布在水(shuǐ)中形成的宏觀均勻體(tǐ)系。油粒尺寸一般在1-10微米;半合成液隻含不到20%的礦物油卻含更多(duō)乳化劑，油粒尺寸比乳化液小(xiǎo)得(de)多(duō)，隻有(yǒu)0.05-1微米;而合成液被認為(wèi)是真溶液，是均勻的單相體(tǐ)系，尺寸是原子級的，即就是為(wèi)了防鏽等而添加的添加劑，形成的也是膠體(tǐ)溶液，粒子尺寸在0,05微米以下。第二相尺寸差異影(yǐng)響到液體(tǐ)外觀。可(kě)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，呈現藍(lán)色半透明(míng);合成液中因太陽光直接穿過而顯現透明(míng)狀态。

　　2.2. 防鏽性能

　　乳化液含油量高(gāo)，油粒尺寸大(dà)，加工後在工件和(hé)機床上(shàng)殘留一層油膜，起到防鏽作(zuò)用。加之，乳化液中很(hěn)多(duō)帶極性的潤滑和(hé)防鏽添加劑都是油溶性的，它們也會(huì)随同油一起析出，極性添加劑的吸附力強，極性端吸附在金屬表面，能排開(kāi)表面水(shuǐ)膜同時(shí)疏水(shuǐ)端向外，形成新的低(dī)能量的表面，較難被水(shuǐ)潤濕，配合油膜一起提供良好的防鏽性。合成液不含油，防鏽能力較差，且表面張力小(xiǎo)(約4x10-4N/cm),潤濕穿透能力強，對機床防鏽漆膜有(yǒu)侵蝕作(zuò)用。半合成液的防鏽性能介于乳化液和(hé)合成液之間(jiān)。

　　2.3. 潤滑能力

　　乳液中油粒尺寸大(dà)，在摩擦接觸區(qū)域，油相容易從乳液中析出，起到潤滑作(zuò)用，潤滑能力高(gāo)。乳化液潤滑能力好，不僅在于含油量高(gāo)及油粒尺寸大(dà)，還(hái)在于很(hěn)多(duō)潤滑劑如形成有(yǒu)機吸附膜的油性抗磨劑或者憑借化學反應形成無機膜的極壓潤滑劑，大(dà)都是油溶性的，因此，乳化液潤滑能力的實現手段相當豐富，容易滿足苛刻加工的潤滑要求。另外，有(yǒu)些(xiē)加工工序對反應性強的極壓劑敏感，例如鋁合金加工，在這種情況下，采用較大(dà)油粒尺寸，較高(gāo)油含量和(hé)油性劑就成為(wèi)潤滑實現的重要手段。

　　2.4. 廢液處理(lǐ)

　　乳化液廢液處理(lǐ)方法相對簡單容易，通(tōng)過破乳去除大(dà)部分油及溶于油的多(duō)種有(yǒu)機物。乳化液大(dà)都采用陰離子乳化劑，陰離子乳化劑在pH大(dà)于7才有(yǒu)明(míng)顯乳化作(zuò)用，破乳時(shí)，添加無機酸如硫酸、鹽酸或者弱堿強酸鹽如AlCl3,FeCl3等降低(dī)pH，或者添加陽離子乳化劑，使陰離子乳化劑失去作(zuò)用，達到破乳。對于半合成和(hé)合成液，由于含有(yǒu)大(dà)量的水(shuǐ)溶性添加劑，顯著增加了廢液處理(lǐ)困難。據介紹，廢液處理(lǐ)成本高(gāo)在美國是乳化液回歸成為(wèi)用戶主要選擇的重要原因。

　　根據以上(shàng)分析，乳化液有(yǒu)潤滑、防鏽和(hé)廢液處理(lǐ)性能好的突出優點。相對乳化液，半合成液和(hé)合成液使用方面的不足之處也值得(de)注意。例如，半合成液含油少(shǎo)，但(dàn)為(wèi)了達到細小(xiǎo)的油粒尺寸，卻含有(yǒu)比乳化液更多(duō)的乳化劑(表面活性劑)，降低(dī)了表面張力，使得(de)合成液和(hé)半合成在使用過程中容易産生(shēng)泡沫，而泡沫又對冷卻和(hé)潤滑不良影(yǐng)響。再如，使用過程中不可(kě)避免地存在外來(lái)油品洩漏如液壓油、齒輪油和(hé)軸承油的洩漏等，合成液和(hé)半合成液的設計(jì)思路是不含油或者含油量少(shǎo)油粒尺寸小(xiǎo)，但(dàn)外來(lái)洩漏的油品卻不可(kě)避免地被乳化進來(lái)，和(hé)合成液和(hé)半合成液的産品設計(jì)思路不符，對應用造成比乳化液更大(dà)的不利影(yǐng)響。當然，合成液具有(yǒu)透明(míng)、冷卻沖刷性能好的優點，适合用在磨削加工上(shàng)，這也是業界的共識。

　　乳化液具有(yǒu)這些(xiē)優勢，但(dàn)實際中不少(shǎo)客戶更青睐半合成液，主要是出于穩定性上(shàng)的考慮。乳液穩定性較差主要在于其含油量高(gāo)更容易滋生(shēng)細菌，但(dàn)采用先進的生(shēng)物穩定技(jì)術(shù)，可(kě)較為(wèi)徹底地抑制(zhì)微生(shēng)物滋生(shēng)，大(dà)幅提高(gāo)乳液穩定性，在這種情況下，選用乳化液，能給用戶帶來(lái)更多(duō)益處。

　　3. 水(shuǐ)基切削磨削液的中的微生(shēng)物滋生(shēng)

　　微生(shēng)物滋生(shēng)需要的營養物質有(yǒu)：1)水(shuǐ);2)碳源;3)氮源;4)能源;5)礦物質;6)生(shēng)長因子。除生(shēng)長因子外，其它都是所有(yǒu)微生(shēng)物生(shēng)長的必備營養物質。顯然，水(shuǐ)基切削磨削液具備微生(shēng)物滋生(shēng)的所有(yǒu)營養物質，是微生(shēng)物滋生(shēng)的理(lǐ)想場(chǎng)所。水(shuǐ)基切削磨削液中的組分還(hái)可(kě)能兼具不同的營養效果，例如在乳化液中大(dà)量存在的礦物油和(hé)各種有(yǒu)機物添加劑既是微生(shēng)物滋生(shēng)的碳源，同時(shí)也能提供其生(shēng)長的能源。乳化液中的有(yǒu)機碳源最多(duō)，所以乳化液更易滋生(shēng)細菌，是造成乳化液穩定性低(dī)、壽命短(duǎn)的主要原因。

　　水(shuǐ)基切削磨削液出現的微生(shēng)物種屬包括革蘭氏染色陰性細菌(氣杆菌屬、假單胞菌屬、布魯氏杆菌屬、變形杆菌屬等)，革蘭氏染色陽性細菌(巴叠球菌、葡萄球菌、鏈球菌)，黴菌(在合成液中更容易出現)和(hé)酵母等[5] 。實際上(shàng)，微生(shēng)物的滋生(shēng)會(huì)形成菌落群體(tǐ)，包含種類繁多(duō)的各種菌體(tǐ)，圖1顯示了菌落中的多(duō)種菌體(tǐ)組合。

　　對菌落中微生(shēng)物的歸類命名繁多(duō)複雜，似無必要，但(dàn)了解微生(shēng)物滋生(shēng)的生(shēng)理(lǐ)特性無疑是有(yǒu)意義的。例如，按照微生(shēng)物生(shēng)長過程中對氧氣的需求程度，分為(wèi)專性好氧菌(有(yǒu)氧條件下生(shēng)長)、專性厭氧菌(無氧條件下生(shēng)長)和(hé)兼性厭氧菌。專性好氧菌具有(yǒu)完備的呼吸系統，能夠利用多(duō)種營養物質，而好氧菌生(shēng)長一方面為(wèi)厭氧菌提供了食物條件，即其新陳代謝的産物構成厭氧菌食物，如圖2所示[6];另一方面，好氧菌生(shēng)長消耗了氧氣，在菌落心部為(wèi)厭氧菌生(shēng)長創造了無氧條件，如圖3所示[7]。

圖2 好氧菌和(hé)厭氧菌的新陳代謝過程

圖3 好氧菌滋生(shēng)所形成的低(dī)氧高(gāo)硫環境

　　圖2中的第一階段，好氧菌代謝生(shēng)成的糖和(hé)蛋白質，促進了第二階段菌類即厭氧菌的繁殖生(shēng)長，并進而促進了第三階段的菌類生(shēng)長，硫酸還(hái)原菌将S還(hái)原為(wèi)-2價，生(shēng)成有(yǒu)臭味的H2S。圖3中，好氧菌生(shēng)長消耗了氧氣，在菌落心部，氧氣含量極低(dī)，促進了厭氧菌的繁殖生(shēng)長，硫含量是和(hé)氧成反比，在這種環境下，硫酸還(hái)原菌會(huì)滋生(shēng)，生(shēng)成産物H2S。

　　4. 微生(shēng)物滋生(shēng)的危害

　　微生(shēng)物的滋生(shēng)有(yǒu)多(duō)種危害。

　　4.1. 降低(dī)系統的pH

　　水(shuǐ)基加工液大(dà)多(duō)采用有(yǒu)機胺如醇胺等作(zuò)為(wèi)系統的緩沖體(tǐ)系或堿性保持劑，維持系統較高(gāo)的pH。但(dàn)胺可(kě)能作(zuò)為(wèi)細菌滋生(shēng)的氮源被消耗(固氮微生(shēng)物可(kě)利用空(kōng)氣中的氮分子作(zuò)為(wèi)氮源)，導緻系統pH下降;更重要的，如圖2、圖3所示，水(shuǐ)基系統中的硫被還(hái)原成H2S，降低(dī)了系統的pH，同時(shí)散發出臭雞蛋類的臭味。實際上(shàng)，微生(shēng)物的新陳代謝涉及和(hé)促進了有(yǒu)機物氧化，伴随多(duō)種酸性物質産生(shēng)，這些(xiē)都降低(dī)了體(tǐ)系的pH。

圖4 不同pH下的ESI

　　4.2. 降低(dī)了乳化液穩定性

　　乳化液主要采用陰離子乳化劑，在較高(gāo)pH下起到乳化作(zuò)用。pH下降，降低(dī)陰離子乳化劑的乳化效率，從而降低(dī)乳化液穩定性。圖4是在不同pH值下測定的乳化液的ESI(Emulsion Stability Index,乳液穩定指數(shù))，可(kě)見pH降低(dī)，乳化液穩定性顯著下降。

　　4.3. 降低(dī)乳液的潤滑能力

　　乳液穩定性降低(dī)，會(huì)出現油析，不僅濃度難以維持，而且因乳化液中的潤滑成分大(dà)都是油溶的，會(huì)随之一起析出，進一步降低(dī)了乳化液的潤滑能力，降低(dī)加工精度，增加刀具後刀面磨損。極壓劑的随同析出，促使刀尖部位積屑瘤産生(shēng)，而積屑瘤的反複剝落生(shēng)長，增加了刀具磨損，也降低(dī)了表面加工精度。

　　4.4. 降低(dī)了乳化液防鏽能力[8]。

圖5 毒血症所引起的肝部細胞死亡

　　pH降低(dī)，乳化液穩定性降低(dī)導緻油析，也會(huì)使乳液中的防鏽添加劑随同析出，降低(dī)防鏽性能。不僅如此，微生(shēng)物滋生(shēng)還(hái)通(tōng)過如下機制(zhì)加速腐蝕：1)在形成菌落心部，硫酸還(hái)原菌滋生(shēng)，産生(shēng)H2S, pH很(hěn)低(dī)，直接産生(shēng)腐蝕，形成微生(shēng)物誘發腐蝕MIC(Micro-induced-corrosion);2)絕大(dà)多(duō)數(shù)腐蝕是電(diàn)化學腐蝕，電(diàn)化學腐蝕速度會(huì)因極化減慢，但(dàn)硫酸還(hái)原菌和(hé)某些(xiē)可(kě)能形成內(nèi)孢子的革蘭氏陽性杆菌含有(yǒu)氫化酶，去除在陰極上(shàng)積累的氫離子，去氫屏障，加速腐蝕;3)生(shēng)物膜的電(diàn)位差加速了電(diàn)子流動，加劇(jù)了腐蝕;4)有(yǒu)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(shēng)産成本，降低(dī)生(shēng)産效率

　　金屬加工液腐敗變質顯著增加了使用成本，可(kě)能包括[9]：

　　· 更換腐敗金屬加工液的直接費用

　　· 換油損失的生(shēng)産工時(shí)

　　· 降低(dī)質量引起的質量成本

　　· 換液的人(rén)工成本

　　· 廢液處理(lǐ)成本

　　· 刀具磨損成本

　　4.6. 對健康、安全和(hé)環境的危害[10]

　　微生(shēng)物滋生(shēng)惡化了工作(zuò)環境，危害操作(zuò)者人(rén)身健康。微生(shēng)物新陳代謝過程産生(shēng)的多(duō)種有(yǒu)害氣體(tǐ) MVOC (含菌氣體(tǐ)有(yǒu)機組分)，菌體(tǐ)的內(nèi)毒素、以及新陳代謝産生(shēng)和(hé)死屍上(shàng)仍舊(jiù)發出的外毒素等都對人(rén)體(tǐ)健康有(yǒu)多(duō)方面危害：皮膚過敏發炎，呼吸道(dào)感染，可(kě)能還(hái)會(huì)有(yǒu)敗血症産生(shēng)，引發多(duō)種疾病。圖5切片顯示因菌體(tǐ)釋放的外毒素而引起的毒血症，三分之一的細胞已死亡。

　　5. 切削磨削液中微生(shēng)物的防控

　　水(shuǐ)基切削磨削液中的微生(shēng)物防控可(kě)從以下幾個(gè)方面着手。

　　5.1. 做(zuò)好維護管理(lǐ)工作(zuò)

　　監控配液用水(shuǐ)質量，保持合适濃度和(hé)pH.

　　配液水(shuǐ)中的磷酸根離子、硫酸根離子和(hé)較高(gāo)硬度促進微生(shēng)物生(shēng)長，最好的配液用水(shuǐ)是去離子水(shuǐ)。電(diàn)磁波在純水(shuǐ)中穿透度深，短(duǎn)光波紫外線具有(yǒu)較強的殺菌能力，如圖6所示[11]。故可(kě)用紫外線、高(gāo)能電(diàn)子束或超聲波照射滅菌，特别是在配液用水(shuǐ)中含有(yǒu)較多(duō)微生(shēng)物時(shí)。

　　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定範圍對乳液性能穩定發揮具有(yǒu)重要意義。

　　系統pH值與微生(shēng)物滋生(shēng)相互關聯。一方面，如前所述，微生(shēng)物滋生(shēng)降低(dī)pH，故現場(chǎng)可(kě)通(tōng)過pH監控微生(shēng)物滋生(shēng);另一方面，低(dī)pH又促進微生(shēng)物生(shēng)長。大(dà)多(duō)數(shù)微生(shēng)物最适合生(shēng)長的pH範圍是6.5-7.5，放線菌在8.0-8.5生(shēng)長，隻有(yǒu)個(gè)别細菌在pH大(dà)于9.0 環境中生(shēng)長，因此，維持較高(gāo)pH有(yǒu)助于控制(zhì)微生(shēng)物滋生(shēng)。隻是如有(yǒu)細菌滋生(shēng)，則很(hěn)難維持穩定的pH。另外，加工鋁合金等有(yǒu)色金屬時(shí)，乳液pH值不宜太高(gāo)。

　　5.2. 使用殺菌劑[12]

　　使用殺菌劑是控制(zhì)微生(shēng)物的常用方法，金屬加工原液中大(dà)都含有(yǒu)殺菌劑。 不同殺菌劑在作(zuò)用靶位、機理(lǐ)、适應性上(shàng)有(yǒu)差異。常用廣譜殺菌劑如甲醛釋放型，異噻唑啉酮類和(hé)碘丙炔正丁胺甲酸酯類等。沒有(yǒu)一種殺菌劑對環境和(hé)人(rén)體(tǐ)健康是絕對無害的，很(hěn)多(duō)殺菌劑的副作(zuò)用相當強，歐盟國家(jiā)已經不允許使用甲醛釋放型殺菌劑。

　　殺菌劑在儲存期間(jiān)，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(zuò)用效果逐步降低(dī)，如圖6所示。顯然，使用殺菌劑隻能在一定範圍內(nèi)抑制(zhì)細菌滋生(shēng)。

　　5.3. 配方改進

　　要從根本上(shàng)解決問題，還(hái)需從産品配方進行(xíng)改進，采用先進的生(shēng)物穩定技(jì)術(shù)，大(dà)幅減少(shǎo)現場(chǎng)維護負擔。

　　不少(shǎo)水(shuǐ)基加工液利用硼酸鹽組分抑制(zhì)細菌，盡管被稱為(wèi)生(shēng)物穩定，但(dàn)事實證明(míng)隻能在一定程度上(shàng)減緩菌類滋生(shēng)，而且，硼有(yǒu)不良的環保性能。因此，需要尋求更先進的生(shēng)物穩定技(jì)術(shù)，例如，有(yǒu)報道(dào)稱采用銅鹽來(lái)達到生(shēng)物穩定的目的[13]。好富頓公司生(shēng)産的HOCUT 795系列乳化液,應用最先進的生(shēng)物穩定技(jì)術(shù)，從根本上(shàng)防止微生(shēng)物滋生(shēng)。表2是嚴重滋生(shēng)細菌的乳液分别放在傳統乳液和(hé)HOCUT 795系列乳液後的細菌滋生(shēng)情況。試驗在培養箱中進行(xíng)，樣品不攪拌，測菌時(shí)才攪拌，乳液濃度6%，含菌乳液約10%。 試驗結果表明(míng)，HOCUT 795系列能完全抑制(zhì)細菌滋生(shēng)。

表3 HOCUT 795系列生(shēng)物穩定性試驗

時(shí)間(jiān)

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