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工 具技 术
水基金属切削液的研究现状及发展趋势
李玮 , 马涛, 林广山, 肖军敏
北京航天试验技术研究所
摘要 : 简述了水基金属切削液发展过程中现 存的环境健康 问题 , 并就 环保型 添加剂 的开发及 切削液 中成分 的 变化具体介绍了水基金属切削液的研究进展情况 , 同时讨论了水基金属切削液的发展趋势。 关键词 : 切削液 ; 水基 ; 环境 ; 健康 ; 研究现状 中图分类号 :TG501. 5 文献标志码 : A
ference, Dearborn, 1995. [ 21]T Kitagawa, A Kubo. Temperature and wear of cutting tools in high speed machining of Inconel[ J] . Wear, 1997( 202) : 142148. [ 22]M A Elbestawi, T I El Wardany. Performance of whisker rein forced ceramic tools in milling nickel based alloy[ J] . Annals of CIRP, 1993, 42( 1) : 99- 102. [ 23] Deng Jianxin,Liu Lili. Failure mechanisms of T iB2 particle and SiC whisker reinforced Al2O3 ceramic cutting tools when machin ing nickel based alloys [ J] . International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005, 45( 12- 13) : 1393- 1401. 第一作者 : 乔阳 , 博士 研究生 , 山 东大 学机 械工程 学院 , 高效洁净机械制造教育部重点实验室 , 250061 济南市 First author: QiaoYang, Doctoral Candidate, Department of Me chanical Engineering, Shandong University, Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Educa tion, Jinan 250061, China
金属切削液是指用于金属切削加工的冷却润滑 液。其作为机械加工重要的配套材料, 是大多数加 工中不可缺少的生产要素 之一, 主要 通过冷却、 润 滑、 清洗和防锈等作用 , 改善工件表面质量, 提高加 工精度 , 延长刀具寿命, 提高工件表面的防蚀能力。 水基金属切削液于上世纪 40 年代问世 , 由于其具有 油基液难以比拟的冷却特性及低廉的成本而得到了 迅速发展。到目前为止, 水基液在金属切削领域的 应用有了长足的发展。
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环保型水基金属切削液的研究进展
基础油用量的减少及替代
水基切削液中使用的基础油多为精制矿物油。 精制矿物油历史悠久、 工艺成熟、 价格低廉, 但其生 物降解能力仅能达 到 40% [ 2] 。大量矿物油的 使用 无疑对环境产生了不良的影响。未处理的乳化液含 油量通 常 高 达 20000mg/ L, COD 高 达 18000mg/ L, BOD 达 9300mg/ L。而这类未经处理的切削液直接 排入河流通常会引起鱼苗发育畸形 , 鱼肉有异味; 还 会抑制藻类的呼吸和光合作用等。因此 , 近年来, 人 们逐渐开始采用矿物油含量较少且综合性能较好的 微乳化型切削液或者完全不含矿物油的切削液以减 缓对环境的危害并减少废液管理的费用。 其中, 合成酯抗氧化能力强 , 倾点低于 - 25 , 在 28 天内可降解超过 60% [ 3, 4] 。随着对切削 液使 用性能和环境卫生要求的不断提高 , 合成酯作为矿 物油的有效替代成分在切削液 中的使用越来 越广 泛。目前应用较多的是硬酯酸甲酯、 硬酯酸丁酯、 棕 榈酸甲酯、 棕榈酸异辛酯、 米糠油酸甲酯、 新戊二醇
Research on Development of Water based Cutting Fluild
Li wei, Ma tao, Lin Guangshan, Xiao Junmin
Abstract: The harm to human and environment during the development of water based cutting fluild was discussed, and the progress of kinds of additives and its content difference of composition which water based cutting fluid included were presented. Meantime, its development trend was also introduced. Keywords: metalworking fluid; water based; environment; health; research status
[ 8] [ 9]
Hale Waihona Puke 对人类的身体健康也构成了较大威胁, 直接接触切 削液的操作工人和在机床上工作的工人患呼吸系统 疾病的较多。此外 , 未经有效处理的水基切削液废 液对环境还会造成严重污染[ 1] 。如切削液中防锈剂 磷酸钠的积累会使河流、 湖泊因富营养化而出现赤 湖; 防腐杀菌剂苯酚生物降解性差 , 对鱼类等水生物 有毒性; 矿物油、 表面活性剂等脱脂作用会使人体皮 肤干燥、 脱脂, 甚至引起开裂、 红肿、 化脓等; 而氯化 石蜡则是海水污染物之一。 而我国市场销售的水基切削液仍以乳 化液为 主。从宏观角度考虑 , 该类产品大 量地消耗能源 , COD 化学耗氧量排放超标 , 严重污染环境。从使用 角度考虑, 对环境不友好的各类添加剂会对操作者 产生各类健康危害的问题。目前我国仅机械工业废 切削液的日排放量已近亿吨, 面临着巨大的经济和 环境保护压力。 随着全球人类环境保护意识的不断增强和国际 社会对生态环境的日益重视, 人们越来越重视切削 液对环境的污染问题。尽管对环境无污染的干切削 技术得到成功的应用 , 但其应用范围非常有限。今 后相当一段时期内, 切削液的使用仍不可避免。因 而, 在不影响切削液使用性能的前提下 , 研究和开发 对人体无害、 废液对环境无 ( 或低 ) 污染的环保型水 基切削液具有十分重要的现实意义。
收稿日期 : 2009 年 10 月
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2010 年第 44 卷
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7 二油酸酯、 三羟甲基丙烷油酸酯、 二聚亚油酸乙二醇 酯、 聚氧基亚烷基二醇酯、 季戊四醇四油酸酯、 季戊 四醇四硬脂酸酯、 新戊基多元醇酯等 , 这些合成型酯 类可有效减少摩擦和功率消耗。 此外, 植物油也具有很好的生物降解能力, 且挥 发性低。但是其应用受到了其氧化和水解的不稳定 性及老化性能的制约 , 加入一定的抗氧化剂等添加 剂后, 性能能很好地满足某些加工的要求 , 有着广阔 的应用前景。目前采用得较多的是菜籽油。 2. 2 新型环保型添加剂的开发 随着公众环境意识的增强及环保法律法规越来 越严格的要求 , 切削液的 成分发生了较大 的变化。 以往曾被普遍采用的亚硝酸盐、 铬酸盐、 短链氯化石 蜡已经被禁止使用 , 而二乙醇胺、 甲醛释放型杀菌剂 等的使用也受到了较大的限制。国内、 外正在着手 研究以上这些物质的替代物。 目前合成润滑剂在同一分子中具有多种活性基 团 , 从而具有多功能性。如羧酸链烷醇胺酯, 其中不 仅有活性基团 - COOH, 还有防锈、 抗菌、 消泡性能优 良的链烷醇胺, 从而具有防锈性、 消泡性、 抗菌性、 润 滑性。此外, 含 N 、 S 杂环化合物, 含 N 低分子量聚 合物也较常见到。 有机硼酸酯是一种新型多功能环保型添加剂, 其无毒 , 极压润滑性好 , 并兼有防锈、 抗菌、 杀毒等功 能 , 是一种特殊的表面活性剂, 因此受到了许多学者 的关注。随着脂肪酸咪唑啉硼酸单酯和三酯[ 5] 、 含 硫硼酸酯[ 6] 、 油酸二乙醇酰胺硼酸酯[ 7] 、 复合硼酸酯 防锈剂 以及有机硼化合物 SW- 2 等此类硼酸酯 化合物合成及应用的成功 , 硼酸酯类添加剂在切削 液中应用越来越广泛。 目前利用多种无毒添加剂的协同效应, 如有机 胺、 硼酸盐、 苯并三氮唑等复配成的高效防锈添加剂 已取得好的效果。钼酸盐也是防锈性能优良且无毒 的防锈剂, 添加到切削液中 , 可在工件金属表面生成 Fe- MoO4- Fe 2O3 钝化膜, 获得良好的缓蚀效果; 此 外 , 钼酸盐还能提高切削液的挤压抗磨性能。但钼 酸盐价格昂贵 , 影响了其使用的广泛性。为了推广 应用, 人们目前正在研究钼酸盐和其它有机、 无机缓 蚀剂配伍使用时的协同效应。 另外, 环己六醇六磷酸酯是一种环保型水基金 属防锈剂, 是从粮食中提取的天然无毒化工品, 与金 属接触时极易在金属表面形成致密的钝化保护膜, 有效抑制金属腐蚀, 适合于钢铁及各种有色金属的 工序间及长期防锈处理 , 而加工成本仅为传统工艺