环境友好半合成切削液的研制

方建华，陈波水，王九，吴江

（1.后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401311;2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

环境友好半合成切削液的研制

方建华1，2，陈波水1，王九1，吴江1

（1.后勤工程学院军事油料应用与管理工程系，重庆 401311;2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045）

选用无毒或低毒性添加剂，在系统考察基础油、缓蚀剂、表面活性剂以及油性剂、极压抗磨剂和其他添加剂的配伍性能的基础上，按照微乳液调配理论，研制了一种环境友好型水基半合成切削液，并对其抗磨减摩、防锈、生物降解等综合性能进行了评价，实验室结果表明:该切削液具有优良的防锈性、抗腐蚀性、润滑性和其他综合性能。生物降解试验表明研制的半合成切削液生物降解性能较好，生态毒性低，达到了设计要求，是一种理想的环境友好润滑剂。

环境友好润滑剂;抗磨减摩性;生物降解性;生态毒性

0 引言

近年来，随着制造设备的进步，加工工艺和材料材质的改进以及工厂管理水平的提高，对与金属加工技术配套的金属加工液提出了更新更高的要求。随着人类环保意识和环保立法的不断加强，人们越来越意识到金属加工润滑剂对人体和环境造成的危害。传统矿物油基润滑剂生物降解性能差、生态毒性高，加之石油资源不断减少，相对来说比较环保的全合成、半合成金属加工润滑剂越来越受到人们的青睐。但大多数水及金属润滑剂仍然采用亚硝酸盐、磷酸盐和有机酚等为添加剂，这些添加剂具有一定的致癌性能，不但使用过程中会危害操作工人的身体健康，而且排放后污染水体，给环境造成了极大的危害［1－4］。

环境友好金属加工润滑材料是一类对人体和环境友好的金属加工配套材料。绿色金属加工是绿色机械制造的重要组成部分。绿色金属加工的根本目标，是在完成机械零部件加工制造的同时，实现加工过程绿色化，即加工过程对人体无危害，对环境无污染。环境友好润滑剂由于采用了绿色基础液和绿色添加剂，因此在金属加工过程中产生的噪声小，加工车间油雾浓度低，对人体无危害，对环境无污染或低污染，其废液经处理后可再生利用或安全排放，残留物质对人体和自然界无危害或在自然界可完全降解。因此，它是绿色制造技术的重要组成部分［5－7］。

文章结合现代切削技术的发展现状，采用无毒或低毒添加剂，研制了一种新型环境友好化学半合成型切削液，并对其综合性能进行了评价。

1 半合成切削液的制备

半合成切削液中包括了油、水、表面活性剂、防锈缓蚀剂、油性剂、极压剂、防霉杀菌剂等成分，制备方法为两相混合法。将水溶性表面活性剂、防锈剂、助表面活性剂等溶于水相，油性剂、减摩剂等溶于油相。然后边搅拌边将油相加入到水相中，搅拌至透明后，加入消泡剂充分搅拌，即得到半合成切削液切削液浓缩液。

1.1 油相和水相

半合成切削液中基础油含量较低，切削液中加有大量的表面活性剂、防锈剂、油性剂等，一定程度上会增加产品的黏度，尤其是HLB值较大的乳化剂对矿物油有明显的稠化作用，甚至呈膏状。因此，微乳化液应选用黏度较低的润滑油基础油。同时为了保证运输、储存的安全，半合成切削液的闪点不宜太低。

1.2 乳化剂的选择

影响乳化剂的因素有很多，乳化剂的结构和种类的影响最大。选择适宜的乳化剂，不仅可以促进乳化液的形成，有利于形成细小的颗粒，提高乳化体的稳定性，而且可以控制乳化体的类型（即O/W或W/O型）。表面活性剂的亲水、亲油平衡值——HLB值是制取乳化体的重要因素，乳化剂的HLB值表示其同时对水与油的相对吸引作用。HLB值小表示亲油性强，反之，则表示亲水性强，HLB值在3～6的物质适宜于作W/O型乳化剂;HLB在8～l8的物质适宜于作O/W型乳化剂。选择乳化剂时，通常可先计算油相所需要的HLB值，然后用一系列有相应HLB值与化学类型的乳化剂来试验。当油相为一混合物时，所需HLB值也像乳化剂HLB值一样，具有加和性，只有使乳化剂所能提供的HLB值与油相所需要的HLB值吻合，才能得到性能良好的稳定的乳化体。

1.3 防锈缓蚀剂的选择

为了保护机床、刀具及工件不受乳液的侵蚀，要在切削液中加入防锈缓蚀剂，以期在金属表面形成保护膜，或者形成钝化膜。

防锈添加剂主要有水溶性防锈剂和油溶性防锈剂两大类。水溶性添加剂有亚硝酸钠、苯并三氮唑、硼酸、三乙醇胺、磷酸盐、铬酸盐、植酸、苯甲酸钠、钼酸钠和无水碳酸钠等。它们与金属发生作用，并在金属表面生成不溶性的致密的氧化膜，阻止金属的电化学腐蚀。这类防锈剂多是电解质，用于乳液时，用量不宜过大，以免发生电解现象而破坏乳液。油溶性防锈剂主要有磺酸盐、高分子羧酸及其金属皂盐类、酯醇类、胺类、磷酸酯等。它们是极性很强的化合物，能优先吸附在金属表面或与表面化学反应生成保护膜，抑制氧及水对金属的接触，因此，它会与极压剂在金属表面的吸附发生竞争，使乳液的极压性下降。

亚硝酸钠有致癌作用，在西方发达国家和一些发展中国家已为禁用产品。二乙醇胺的含量也不应超过1%，因其在空气中容易氧化成致癌物质。常用的环境友好型缓蚀剂如脂肪酸衍生物、胺类、咪唑啉类及三唑类。

1.4 油性剂和极压剂的选择

为了保护刀具，提高加工质量，此类添加剂是半合成切削液中不可缺少的组分。这类添加剂主要有动植物油脂，聚合脂肪酸及其皂，脂肪醇及多元醇，硫化油脂，酮类，胺类等有机物。它们是具有极性基的分子，能在金属表面形成定向吸附膜，在金属加工中，此膜能减少工件、切削、刀具之间金属的直接摩擦，降低工件表面粗糙度，提高工件精度并延长刀具使用寿命。

极压剂是含硫、磷、氯等元素的化合物，这些化合物在高温下与金属表面发生化学反应，生成剪切强度低的金属固体保护膜，防止金属的磨损和烧结，故可用于极压润滑摩擦状态。

国内广泛使用氯化石蜡、硫化脂肪油、硫化棉子油、亚磷酸二丁酯、磷酸三乙酯，ZDDP等作为极压剂。常常是两种以上的添加剂复合使用比单独使用会得到良好的效果，这样可使油品的性能更加全面。因为不同类型的极压抗磨剂具有不同的特点和使用范围，可互补不足。

1.5 防霉杀菌剂的选择

微乳化液容易滋长微生物，使加工液变质，使用寿命变短。常用的杀菌剂有甲醛释放剂、酚类化合物、水杨酸类、杂环化合物等。

1.6 其他

半合成切削液中使用的辅助添加剂还有消泡剂、偶合剂、pH值调节剂、金属离子掩蔽剂等。消泡剂常用的为硅油类，其不溶于水，分散于水中，不能加多，否则体系易浑浊。偶合剂用来增加体系的稳定性，其性能取决于自身的亲水－亲油之间的平衡。体系pH值应保持在8～10之间，pH过低易滋生细菌霉变;pH过高，铝腐蚀严重。金属离子掩蔽剂能络合水中的钙镁离子。这些添加剂如何使用，应根据具体情况而定。

2 半合成切削液配方筛选

首先设计了一个探索性配方，各组分的比例完全是根据资料选择的，目的是试图得到一个微乳体系，结果见表1。

表1 半合成切削液配方1

按表1的组分比例试配，未能成功，主要原因是乳化剂用量过多、体系分层、不稳定。

在表1的基础上降低乳化剂用量，感受到微乳化的相变过程，见表2。

表2 半合成切削液配方2

试样放置几天后，溶液变稠，稀释液不是很稳定。可能是油的量过多。

要得到稳定透明澄清的微乳液需要注意的方面很多，水－油－表面活性剂体系中的胶团间的平衡和缔合相变化是相当复杂的，通过不断尝试调整配方各组分比例，以期找到那个使体系稳定透明的“点”。同时，为了满足铝合金切削的各项性能要求，尝试着向体系中添加各种添加剂。

在配方2的基础上降低油的含量，经过多次试验得到一个稳定时间长、性能较好的配方，如表3所示。

表3 半合成切削液配方3

3 性能考察（见表4）

表4 配方3的性能测试结果

从表4可以看出，研制的半合成切削液具有优异的性能。将该配方调制的切削液稀释成5%的工作液，用四球摩擦试验机，参照GB 3142－90方法，试验条件为转速1500 r/min，室温，时间10 s，通过计算机输出的切削液摩擦力矩－时间－摩擦系数曲线取平均值方式测定润滑液的摩擦系数。试验结果表明，研制的半合成切削液的工作液最大无咔咬负荷（PB值）为750 N，烧结负荷（PD值）为2500 N。试验后，摩擦系数曲线见图1。

图1 切削液摩擦力矩－时间－摩擦系数曲线

从图1可以看出，研制的切削液工作液的平均摩擦系数为0.1023，表明该切削液具有较好的润滑性能。

为了更好地检验所研制的切削液的使用性能，将切削液配制成5%的工作液，在M7675A/B高速双端面磨床上进行现场实验，加工工件为20CrMnTi材质、直径为150 mm汽车变速箱齿轮，结果表明所研制的切削液具有优良的润滑、清洗和防锈性能，加工精度达到5级。

4 生物降解和生态毒性试验

生物降解性能按CEC L－33－A－93法进行，结果表明切削液的生物降解率为96.3%，表明所研制的半合成切削液具有较好的生物降解性能。

根据浙江大学环境工程系检测，研制的半合成磨削液的BOD（生化耗氧量）为1.06 g/L，COD（化学耗氧量）为0.902 g/L，完全达到国家排放标准。

根据浙江大学生物学院用研制的半合成切削液对动物所做的病理诊断，经统计处理表明，工作液涂抹动物皮肤后，动物表现正常，体重无变化，局部皮肤无红肿、溃疡、渗出等现象;经光镜和显微照片观察，实验动物的皮肤、肝脏和肾、心、脑、肺细胞均无异常，由此可知，研制的切削液对人体无毒性。

以德国的Wassergefahrdungklasse（WGK）为基础进行检测，表明研制的半合成切削液的急性水毒性极限（EL50）或（LL50）均不小于119μg/g，属于无毒性切削液。

由于研制的半合成切削液的水污染指数值（WEN）为0.58，属于无污染润滑剂，使用后可直接排放，对环境和人体无危害。

5 结论

研制的半合成型切削液具有优良的综合性能，而且无毒，可生物降解，是性能优异的环境友好金属加工润滑剂。

由于切削液的性能考察目前没有专用方法，实验室模拟台架试验只能作参考，所以这里只以四球机为评价手段进行简单试验，产品主要在实际生产中应用，现场使用表明，该切削液使用性能优越。另外，在生理生态毒性试验中，所有指标的评价尚不具备条件，只对皮肤刺激性进行了考察。

［1］陈波水，方建华，李芬芳.环境友好润滑剂［M］.北京:中国石化出版社，2006.

［2］罗新民.金属加工用油产品与应用［M］.北京:中国石化出版社，2006.

［3］周耀华，张广林.金属加工润滑剂［M］.北京:中国石化出版社，2002.

［4］方建华.环境友好润滑剂的过去、现在和将来［J］.合成润滑材料，2005（2）:21－23.

［5］方建华，陈波水.环境友好磨削液的研制［J］.润滑油，2008，23（1）:25－27.

［6］邱金华，罗新民，欧阳波.水基金属加工润滑添加剂的使用［J］.合成润滑材料，2005（4）:29－32.

［7］申士强，张建华.水溶性金属加工液添加剂的制备及其性能研究［J］.润滑与密封，2004（4）:51－57.

The Development of Environmentally Friend ly Micro－Emulsion Cutting Fluid

FANG Jian－hua1，2，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

国家自然科学基金资助项目（50975282），重庆市科技攻关项目（CSTC，2011AC6041）。

2011－06－20。

方建华（1971－），男，博士，毕业于解放军后勤学院油料应用专业，主要从事环境友好润滑剂及添加剂的研究，已公开发表论文多篇。