1. 前言

　　金屬加工(gōng)過程中(zhōng)的摩擦和形變會釋放(fàng)出大(dà)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重要。表1比較了水基和油基切削磨削液的冷卻參數[2]。

表1 水、油冷卻性能比較

　　根據表1，水的導熱系數是油的3-5倍，比熱也大(dà)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(gōng)區域良好的滲透能力和清洗能力，水基切削液的應用越來越廣泛，例如在加工(gōng)中(zhōng)心，加工(gōng)量大(dà)的粗加工(gōng)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

　　國内外(wài)對水基切削磨削液有不同的分(fēn)類。1986年通過實施的ISO6743/7将水基切削磨削液分(fēn)爲從MAA到MAI共9類，日本JISK2241将其分(fēn)爲A1-A3三類，美國ASTM D2881-03則分(fēn)爲含石油制品液體(tǐ)和不含石油制品液體(tǐ)兩種。我(wǒ)國在1989年制訂的GB/T7631.5-1989等效采用ISO6743/7[3]，也按9類歸分(fēn)。雖然不同标準的具體(tǐ)歸類有所不同，但從大(dà)類及業界共同觀點是将水基切削磨削液分(fēn)爲三類：乳化液(含礦物(wù)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(yī)般少于25%)和合成液或化學溶液(不含礦物(wù)油)。也有資(zī)料[2]認爲将化學溶液稱爲合成液以及将微乳化液叫做半合成液是不正确的，因爲和合成沒有任何關系，從化學觀點看，這個說法是正确的，也更準确，但業界目前仍然普遍流行乳化，合成和半合成的稱謂和分(fēn)類。

　　乳化、合成、半合成這三類水基産品中(zhōng)，含油量不同，必然帶來組成和性能上的明顯差異，可從以下(xià)幾個方面對比分(fēn)析。

　　2.1. 第二相尺寸[4]。

　　乳化液是油分(fēn)布在水中(zhōng)形成的宏觀均勻體(tǐ)系。油粒尺寸一(yī)般在1-10微米;半合成液隻含不到20%的礦物(wù)油卻含更多乳化劑，油粒尺寸比乳化液小(xiǎo)得多，隻有0.05-1微米;而合成液被認爲是真溶液，是均勻的單相體(tǐ)系，尺寸是原子級的，即就是爲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(xià)。第二相尺寸差異影響到液體(tǐ)外(wài)觀。可見光波長在0.4-0.7微米，顯然，乳化液中(zhōng)的油粒能反射太陽光，故外(wài)觀呈乳白(bái)色;半合成液中(zhōng)油粒散射太陽光，呈現藍(lán)色半透明;合成液中(zhōng)因太陽光直接穿過而顯現透明狀态。

　　2.2. 防鏽性能

　　乳化液含油量高，油粒尺寸大(dà)，加工(gōng)後在工(gōng)件和機床上殘留一(yī)層油膜，起到防鏽作用。加之，乳化液中(zhōng)很多帶極性的潤滑和防鏽添加劑都是油溶性的，它們也會随同油一(yī)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)表面水膜同時疏水端向外(wài)，形成新的低能量的表面，較難被水潤濕，配合油膜一(yī)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，對機床防鏽漆膜有侵蝕作用。半合成液的防鏽性能介于乳化液和合成液之間。

　　2.3. 潤滑能力

　　乳液中(zhōng)油粒尺寸大(dà)，在摩擦接觸區域，油相容易從乳液中(zhōng)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(dà)，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(gōng)的潤滑要求。另外(wài)，有些加工(gōng)工(gōng)序對反應性強的極壓劑敏感，例如鋁合金加工(gōng)，在這種情況下(xià)，采用較大(dà)油粒尺寸，較高油含量和油性劑就成爲潤滑實現的重要手段。

　　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(qù)除大(dà)部分(fēn)油及溶于油的多種有機物(wù)。乳化液大(dà)都采用陰離(lí)子乳化劑，陰離(lí)子乳化劑在pH大(dà)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(lí)子乳化劑，使陰離(lí)子乳化劑失去(qù)作用，達到破乳。對于半合成和合成液，由于含有大(dà)量的水溶性添加劑，顯著增加了廢液處理困難。據介紹，廢液處理成本高在美國是乳化液回歸成爲用戶主要選擇的重要原因。

　　根據以上分(fēn)析，乳化液有潤滑、防鏽和廢液處理性能好的突出優點。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，但爲了達到細小(xiǎo)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(zhōng)容易産生(shēng)泡沫，而泡沫又(yòu)對冷卻和潤滑不良影響。再如，使用過程中(zhōng)不可避免地存在外(wài)來油品洩漏如液壓油、齒輪油和軸承油的洩漏等，合成液和半合成液的設計思路是不含油或者含油量少油粒尺寸小(xiǎo)，但外(wài)來洩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産品設計思路不符，對應用造成比乳化液更大(dà)的不利影響。當然，合成液具有透明、冷卻沖刷性能好的優點，适合用在磨削加工(gōng)上，這也是業界的共識。

　　乳化液具有這些優勢，但實際中(zhōng)不少客戶更青睐半合成液，主要是出于穩定性上的考慮。乳液穩定性較差主要在于其含油量高更容易滋生(shēng)細菌，但采用先進的生(shēng)物(wù)穩定技術，可較爲徹底地抑制微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)，大(dà)幅提高乳液穩定性，在這種情況下(xià)，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(zhōng)的微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)

　　微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)需要的營養物(wù)質有：1)水;2)碳源;3)氮源;4)能源;5)礦物(wù)質;6)生(shēng)長因子。除生(shēng)長因子外(wài)，其它都是所有微生(shēng)物(wù)生(shēng)長的必備營養物(wù)質。顯然，水基切削磨削液具備微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)的所有營養物(wù)質，是微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)的理想場所。水基切削磨削液中(zhōng)的組分(fēn)還可能兼具不同的營養效果，例如在乳化液中(zhōng)大(dà)量存在的礦物(wù)油和各種有機物(wù)添加劑既是微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)的碳源，同時也能提供其生(shēng)長的能源。乳化液中(zhōng)的有機碳源最多，所以乳化液更易滋生(shēng)細菌，是造成乳化液穩定性低、壽命短的主要原因。

　　水基切削磨削液出現的微生(shēng)物(wù)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(zhōng)更容易出現)和酵母等[5] 。實際上，微生(shēng)物(wù)的滋生(shēng)會形成菌落群體(tǐ)，包含種類繁多的各種菌體(tǐ)，圖1顯示了菌落中(zhōng)的多種菌體(tǐ)組合。

　　對菌落中(zhōng)微生(shēng)物(wù)的歸類命名繁多複雜(zá)，似無必要，但了解微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)的生(shēng)理特性無疑是有意義的。例如，按照微生(shēng)物(wù)生(shēng)長過程中(zhōng)對氧氣的需求程度，分(fēn)爲專性好氧菌(有氧條件下(xià)生(shēng)長)、專性厭(yàn)氧菌(無氧條件下(xià)生(shēng)長)和兼性厭(yàn)氧菌。專性好氧菌具有完備的呼吸系統，能夠利用多種營養物(wù)質，而好氧菌生(shēng)長一(yī)方面爲厭(yàn)氧菌提供了食物(wù)條件，即其新陳代謝的産物(wù)構成厭(yàn)氧菌食物(wù)，如圖2所示[6];另一(yī)方面，好氧菌生(shēng)長消耗了氧氣，在菌落心部爲厭(yàn)氧菌生(shēng)長創造了無氧條件，如圖3所示[7]。

圖2 好氧菌和厭(yàn)氧菌的新陳代謝過程

圖3 好氧菌滋生(shēng)所形成的低氧高硫環境

　　圖2中(zhōng)的第一(yī)階段，好氧菌代謝生(shēng)成的糖和蛋白(bái)質，促進了第二階段菌類即厭(yàn)氧菌的繁殖生(shēng)長，并進而促進了第三階段的菌類生(shēng)長，硫酸還原菌将S還原爲-2價，生(shēng)成有臭味的H2S。圖3中(zhōng)，好氧菌生(shēng)長消耗了氧氣，在菌落心部，氧氣含量極低，促進了厭(yàn)氧菌的繁殖生(shēng)長，硫含量是和氧成反比，在這種環境下(xià)，硫酸還原菌會滋生(shēng)，生(shēng)成産物(wù)H2S。

　　4. 微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)的危害

　　微生(shēng)物(wù)的滋生(shēng)有多種危害。

　　4.1. 降低系統的pH

　　水基加工(gōng)液大(dà)多采用有機胺如醇胺等作爲系統的緩沖體(tǐ)系或堿性保持劑，維持系統較高的pH。但胺可能作爲細菌滋生(shēng)的氮源被消耗(固氮微生(shēng)物(wù)可利用空氣中(zhōng)的氮分(fēn)子作爲氮源)，導緻系統pH下(xià)降;更重要的，如圖2、圖3所示，水基系統中(zhōng)的硫被還原成H2S，降低了系統的pH，同時散發出臭雞蛋類的臭味。實際上，微生(shēng)物(wù)的新陳代謝涉及和促進了有機物(wù)氧化，伴随多種酸性物(wù)質産生(shēng)，這些都降低了體(tǐ)系的pH。

圖4 不同pH下(xià)的ESI

　　4.2. 降低了乳化液穩定性

　　乳化液主要采用陰離(lí)子乳化劑，在較高pH下(xià)起到乳化作用。pH下(xià)降，降低陰離(lí)子乳化劑的乳化效率，從而降低乳化液穩定性。圖4是在不同pH值下(xià)測定的乳化液的ESI(Emulsion Stability Index,乳液穩定指數)，可見pH降低，乳化液穩定性顯著下(xià)降。

　　4.3. 降低乳液的潤滑能力

　　乳液穩定性降低，會出現油析，不僅濃度難以維持，而且因乳化液中(zhōng)的潤滑成分(fēn)大(dà)都是油溶的，會随之一(yī)起析出，進一(yī)步降低了乳化液的潤滑能力，降低加工(gōng)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，也降低了表面加工(gōng)精度。

　　4.4. 降低了乳化液防鏽能力[8]。

圖5 毒血症所引起的肝部細胞死亡

　　pH降低，乳化液穩定性降低導緻油析，也會使乳液中(zhōng)的防鏽添加劑随同析出，降低防鏽性能。不僅如此，微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)還通過如下(xià)機制加速腐蝕：1)在形成菌落心部，硫酸還原菌滋生(shēng)，産生(shēng)H2S, pH很低，直接産生(shēng)腐蝕，形成微生(shēng)物(wù)誘發腐蝕MIC(Micro-induced-corrosion);2)絕大(dà)多數腐蝕是電化學腐蝕，電化學腐蝕速度會因極化減慢(màn)，但硫酸還原菌和某些可能形成内孢子的革蘭氏陽性杆菌含有氫化酶，去(qù)除在陰極上積累的氫離(lí)子，去(qù)氫屏障，加速腐蝕;3)生(shēng)物(wù)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(shēng)産成本，降低生(shēng)産效率

　　金屬加工(gōng)液腐敗變質顯著增加了使用成本，可能包括[9]：

　　· 更換腐敗金屬加工(gōng)液的直接費(fèi)用

　　· 換油損失的生(shēng)産工(gōng)時

　　· 降低質量引起的質量成本

　　· 換液的人工(gōng)成本

　　· 廢液處理成本

　　· 刀具磨損成本

　　4.6. 對健康、安全和環境的危害[10]

　　微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)惡化了工(gōng)作環境，危害操作者人身健康。微生(shēng)物(wù)新陳代謝過程産生(shēng)的多種有害氣體(tǐ) MVOC (含菌氣體(tǐ)有機組分(fēn))，菌體(tǐ)的内毒素、以及新陳代謝産生(shēng)和死屍上仍舊(jiù)發出的外(wài)毒素等都對人體(tǐ)健康有多方面危害：皮膚過敏發炎，呼吸道感染，可能還會有敗血症産生(shēng)，引發多種疾病。圖5切片顯示因菌體(tǐ)釋放(fàng)的外(wài)毒素而引起的毒血症，三分(fēn)之一(yī)的細胞已死亡。

　　5. 切削磨削液中(zhōng)微生(shēng)物(wù)的防控

　　水基切削磨削液中(zhōng)的微生(shēng)物(wù)防控可從以下(xià)幾個方面着手。

　　5.1. 做好維護管理工(gōng)作

　　監控配液用水質量，保持合适濃度和pH.

　　配液水中(zhōng)的磷酸根離(lí)子、硫酸根離(lí)子和較高硬度促進微生(shēng)物(wù)生(shēng)長，最好的配液用水是去(qù)離(lí)子水。電磁波在純水中(zhōng)穿透度深，短光波紫外(wài)線具有較強的殺菌能力，如圖6所示[11]。故可用紫外(wài)線、高能電子束或超聲波照射滅菌，特别是在配液用水中(zhōng)含有較多微生(shēng)物(wù)時。

　　金屬加工(gōng)液組分(fēn)包括殺菌劑與濃度成正比，因此使用過程中(zhōng)維持乳液濃度在規定範圍對乳液性能穩定發揮具有重要意義。

　　系統pH值與微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)相互關聯。一(yī)方面，如前所述，微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)降低pH，故現場可通過pH監控微生(shēng)物(wù)滋生(shēng);另一(yī)方面，低pH又(yòu)促進微生(shēng)物(wù)生(shēng)長。大(dà)多數微生(shēng)物(wù)最适合生(shēng)長的pH範圍是6.5-7.5，放(fàng)線菌在8.0-8.5生(shēng)長，隻有個别細菌在pH大(dà)于9.0 環境中(zhōng)生(shēng)長，因此，維持較高pH有助于控制微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)。隻是如有細菌滋生(shēng)，則很難維持穩定的pH。另外(wài)，加工(gōng)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(shēng)物(wù)的常用方法，金屬加工(gōng)原液中(zhōng)大(dà)都含有殺菌劑。 不同殺菌劑在作用靶位、機理、适應性上有差異。常用廣譜殺菌劑如甲醛釋放(fàng)型，異噻唑啉酮類和碘丙炔正丁胺甲酸酯類等。沒有一(yī)種殺菌劑對環境和人體(tǐ)健康是絕對無害的，很多殺菌劑的副作用相當強，歐盟國家已經不允許使用甲醛釋放(fàng)型殺菌劑。

　　殺菌劑在儲存期間，效力不斷下(xià)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，使用殺菌劑隻能在一(yī)定範圍内抑制細菌滋生(shēng)。

　　5.3. 配方改進

　　要從根本上解決問題，還需從産品配方進行改進，采用先進的生(shēng)物(wù)穩定技術，大(dà)幅減少現場維護負擔。

　　不少水基加工(gōng)液利用硼酸鹽組分(fēn)抑制細菌，盡管被稱爲生(shēng)物(wù)穩定，但事實證明隻能在一(yī)定程度上減緩菌類滋生(shēng)，而且，硼有不良的環保性能。因此，需要尋求更先進的生(shēng)物(wù)穩定技術，例如，有報道稱采用銅鹽來達到生(shēng)物(wù)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(wù)穩定技術，從根本上防止微生(shēng)物(wù)滋生(shēng)。表2是嚴重滋生(shēng)細菌的乳液分(fēn)别放(fàng)在傳統乳液和HOCUT 795系列乳液後的細菌滋生(shēng)情況。試驗在培養箱中(zhōng)進行，樣品不攪拌，測菌時才攪拌，乳液濃度6%，含菌乳液約10%。 試驗結果表明，HOCUT 795系列能完全抑制細菌滋生(shēng)。

表3 HOCUT 795系列生(shēng)物(wù)穩定性試驗

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