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切削磨削油相比，水基切削磨削液具有良好的冷卻性能和清洗性能，在機(jī)械加工過程中應(yīng)用越來越廣泛。水基切削磨削液包括乳化液，合成液和半合成液，一般認(rèn)為半合成液較乳化液穩(wěn)定，綜合了乳化和合成的優(yōu)點，應(yīng)用最多。本文首先比較和分析了乳化液的優(yōu)缺點并簡要論述了水基切削磨削液中的細(xì)菌滋生過程，指出乳化液不穩(wěn)定主要是因為它容易滋生微生物;如果能夠通過先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)如好富頓HOCUT 795系列 生物穩(wěn)定技術(shù)，較徹底地防止微生物滋生，則乳化液穩(wěn)定性就能大幅提高，而乳化液的優(yōu)點如良好的潤滑性能、防銹性能、廢液處理性能也能得到充分發(fā)揮，所以，乳化液產(chǎn)品應(yīng)該應(yīng)成為水基金屬加工液中的優(yōu)先選擇。

　　關(guān)鍵詞：乳化液，切削液，磨削液，生物穩(wěn)定性

　　1. 前言

　　金屬加工過程中的摩擦和形變會釋放出大量熱量。 例如，切削時切屑和刀具溫度達(dá)到800℃,磨削時達(dá)到1200℃[1]，切削液的冷卻作用至關(guān)重要。表1比較了水基和油基切削磨削液的冷卻參數(shù)[2]。

表1  水、油冷卻性能比較

　　根據(jù)表1，水的導(dǎo)熱系數(shù)是油的3-5倍，比熱也大1倍以上，水基切削磨削液的冷卻能力遠(yuǎn)比油基的好，加之，在加工區(qū)域良好的滲透能力和清洗能力，水基切削液的應(yīng)用越來越廣泛，例如在加工中心，加工量大的粗加工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

　　國內(nèi)外對水基切削磨削液有不同的分類。1986年通過實施的ISO6743/7將水基切削磨削液分為從MAA到MAI共9類，日本JISK2241將其分為A1-A3三類，美國ASTM D2881-03則分為含石油制品液體和不含石油制品液體兩種。我國在1989年制訂的GB/T7631.5-1989等效采用ISO6743/7[3]，也按9類歸分。雖然不同標(biāo)準(zhǔn)的具體歸類有所不同，但從大類及業(yè)界共同觀點是將水基切削磨削液分為三類：乳化液(含礦物油量在50%以上，基本不含水)、半合成液或微乳化切削液(含油量一般少于25%)和合成液或化學(xué)溶液(不含礦物油)。也有資料[2]認(rèn)為將化學(xué)溶液稱為合成液以及將微乳化液叫做半合成液是不正確的，因為和合成沒有任何關(guān)系，從化學(xué)觀點看，這個說法是正確的，也更準(zhǔn)確，但業(yè)界目前仍然普遍流行乳化，合成和半合成的稱謂和分類。

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

　　2.1. 第二相尺寸[4]。

　　乳化液是油分布在水中形成的宏觀均勻體系。油粒尺寸一般在1-10微米;半合成液只含不到20%的礦物油卻含更多乳化劑，油粒尺寸比乳化液小得多，只有0.05-1微米;而合成液被認(rèn)為是真溶液，是均勻的單相體系，尺寸是原子級的，即就是為了防銹等而添加的添加劑，形成的也是膠體溶液，粒子尺寸在0,05微米以下。第二相尺寸差異影響到液體外觀。可見光波長在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(xiàn)藍(lán)色半透明;合成液中因太陽光直接穿過而顯現(xiàn)透明狀態(tài)。

　　2.2. 防銹性能

　　乳化液含油量高，油粒尺寸大，加工后在工件和機(jī)床上殘留一層油膜，起到防銹作用。加之，乳化液中很多帶極性的潤滑和防銹添加劑都是油溶性的，它們也會隨同油一起析出，極性添加劑的吸附力強(qiáng)，極性端吸附在金屬表面，能排開表面水膜同時疏水端向外，形成新的低能量的表面，較難被水潤濕，配合油膜一起提供良好的防銹性。合成液不含油，防銹能力較差，且表面張力小(約4x10-4N/cm),潤濕穿透能力強(qiáng)，對機(jī)床防銹漆膜有侵蝕作用。半合成液的防銹性能介于乳化液和合成液之間。

　　2.3. 潤滑能力

　　乳液中油粒尺寸大，在摩擦接觸區(qū)域，油相容易從乳液中析出，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，還在于很多潤滑劑如形成有機(jī)吸附膜的油性抗磨劑或者憑借化學(xué)反應(yīng)形成無機(jī)膜的極壓潤滑劑，大都是油溶性的，因此，乳化液潤滑能力的實現(xiàn)手段相當(dāng)豐富，容易滿足苛刻加工的潤滑要求。另外，有些加工工序?qū)Ψ磻?yīng)性強(qiáng)的極壓劑敏感，例如鋁合金加工，在這種情況下，采用較大油粒尺寸，較高油含量和油性劑就成為潤滑實現(xiàn)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，通過破乳去除大部分油及溶于油的多種有機(jī)物。乳化液大都采用陰離子乳化劑，陰離子乳化劑在pH大于7才有明顯乳化作用，破乳時，添加無機(jī)酸如硫酸、鹽酸或者弱堿強(qiáng)酸鹽如AlCl3,FeCl3等降低pH，或者添加陽離子乳化劑，使陰離子乳化劑失去作用，達(dá)到破乳。對于半合成和合成液，由于含有大量的水溶性添加劑，顯著增加了廢液處理困難。據(jù)介紹，廢液處理成本高在美國是乳化液回歸成為用戶主要選擇的重要原因。

　　根據(jù)以上分析，乳化液有潤滑、防銹和廢液處理性能好的突出優(yōu)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，但為了達(dá)到細(xì)小的油粒尺寸，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容易產(chǎn)生泡沫，而泡沫又對冷卻和潤滑不良影響。再如，使用過程中不可避免地存在外來油品泄漏如液壓油、齒輪油和軸承油的泄漏等，合成液和半合成液的設(shè)計思路是不含油或者含油量少油粒尺寸小，但外來泄漏的油品卻不可避免地被乳化進(jìn)來，和合成液和半合成液的產(chǎn)品設(shè)計思路不符，對應(yīng)用造成比乳化液更大的不利影響。當(dāng)然，合成液具有透明、冷卻沖刷性能好的優(yōu)點，適合用在磨削加工上，這也是業(yè)界的共識。

　　乳化液具有這些優(yōu)勢，但實際中不少客戶更青睞半合成液，主要是出于穩(wěn)定性上的考慮。乳液穩(wěn)定性較差主要在于其含油量高更容易滋生細(xì)菌，但采用先進(jìn)的生物穩(wěn)定技術(shù)，可較為徹底地抑制微生物滋生，大幅提高乳液穩(wěn)定性，在這種情況下，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的微生物滋生

　　微生物滋生需要的營養(yǎng)物質(zhì)有：1)水;2)碳源;3)氮源;4)能源;5)礦物質(zhì);6)生長因子。除生長因子外，其它都是所有微生物生長的必備營養(yǎng)物質(zhì)。顯然，水基切削磨削液具備微生物滋生的所有營養(yǎng)物質(zhì)，是微生物滋生的理想場所。水基切削磨削液中的組分還可能兼具不同的營養(yǎng)效果，例如在乳化液中大量存在的礦物油和各種有機(jī)物添加劑既是微生物滋生的碳源，同時也能提供其生長的能源。乳化液中的有機(jī)碳源最多，所以乳化液更易滋生細(xì)菌，是造成乳化液穩(wěn)定性低、壽命短的主要原因。

　　水基切削磨削液出現(xiàn)的微生物種屬包括革蘭氏染色陰性細(xì)菌(氣桿菌屬、假單胞菌屬、布魯氏桿菌屬、變形桿菌屬等)，革蘭氏染色陽性細(xì)菌(巴迭球菌、葡萄球菌、鏈球菌)，霉菌(在合成液中更容易出現(xiàn))和酵母等[5] 。實際上，微生物的滋生會形成菌落群體，包含種類繁多的各種菌體，圖1顯示了菌落中的多種菌體組合。

　　對菌落中微生物的歸類命名繁多復(fù)雜，似無必要，但了解微生物滋生的生理特性無疑是有意義的。例如，按照微生物生長過程中對氧氣的需求程度，分為專性好氧菌(有氧條件下生長)、專性厭氧菌(無氧條件下生長)和兼性厭氧菌。專性好氧菌具有完備的呼吸系統(tǒng)，能夠利用多種營養(yǎng)物質(zhì)，而好氧菌生長一方面為厭氧菌提供了食物條件，即其新陳代謝的產(chǎn)物構(gòu)成厭氧菌食物，如圖2所示[6];另一方面，好氧菌生長消耗了氧氣，在菌落心部為厭氧菌生長創(chuàng)造了無氧條件，如圖3所示[7]。

圖2 好氧菌和厭氧菌的新陳代謝過程

圖3 好氧菌滋生所形成的低氧高硫環(huán)境

　　圖2中的第一階段，好氧菌代謝生成的糖和蛋白質(zhì)，促進(jìn)了第二階段菌類即厭氧菌的繁殖生長，并進(jìn)而促進(jìn)了第三階段的菌類生長，硫酸還原菌將S還原為-2價，生成有臭味的H2S。圖3中，好氧菌生長消耗了氧氣，在菌落心部，氧氣含量極低，促進(jìn)了厭氧菌的繁殖生長，硫含量是和氧成反比，在這種環(huán)境下，硫酸還原菌會滋生，生成產(chǎn)物H2S。

　　4. 微生物滋生的危害

　　微生物的滋生有多種危害。

　　4.1. 降低系統(tǒng)的pH

　　水基加工液大多采用有機(jī)胺如醇胺等作為系統(tǒng)的緩沖體系或堿性保持劑，維持系統(tǒng)較高的pH。但胺可能作為細(xì)菌滋生的氮源被消耗(固氮微生物可利用空氣中的氮分子作為氮源)，導(dǎo)致系統(tǒng)pH下降;更重要的，如圖2、圖3所示，水基系統(tǒng)中的硫被還原成H2S，降低了系統(tǒng)的pH，同時散發(fā)出臭雞蛋類的臭味。實際上，微生物的新陳代謝涉及和促進(jìn)了有機(jī)物氧化，伴隨多種酸性物質(zhì)產(chǎn)生，這些都降低了體系的pH。摘自中國潤滑油信息網(wǎng)