水基切削磨削液的种类选择及其微生物滋生-太原依工商贸有限公司
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    水基切削磨削液的种类选择及其微生物滋生
    2018-05-04 13:45:05
    摘要:和切削磨削油相比,水基切削磨削液具有良好的冷却性能和清洗性能,在机械加工过程中应用越来越广泛。水基切削磨削液包括乳化液,合成液和半合成液,一般认为半合成液较乳化液稳定,综合了乳化和合成的优点,应用最多。本文首先比较和分析了乳化液的优缺点并简要论述了水基切削磨削液中的细菌滋生过程,指出乳化液不稳定主要是因为它容易滋生微生物;如果能够通过先进的生物稳定技术如好富顿HOCUT 795系列 生物稳定技术,较彻底地防止微生物滋生,则乳化液稳定性就能大幅提高,而乳化液的优点如良好的润滑性能、防锈性能、废液处理性能也能得到充分发挥,所以,乳化液产品应该应成为水基金属加工液中的优先选择。
      关键词:乳化液,切削液,磨削液,生物稳定性

      1. 前言

      金属加工过程中的摩擦和形变会释放出大量热量。 例如,切削时切屑和刀具温度达到800℃,磨削时达到1200℃[1],切削液的冷却作用至关重要。表1比较了水基和油基切削磨削液的冷却参数[2]。

    表1 水、油冷却性能比较


    对比类型

    热导率

    W/(mžK)

    比热容

    J/(kgžK)

    汽化热

    J/ kg

    运动粘度

    (20℃,mm2/s)

    0.628

    4184

    2259360

    1.0

    0.126-0.210

    1674-2092

    167360-313800

    20-300


      根据表1,水的导热系数是油的3-5倍,比热也大1倍以上,水基切削磨削液的冷却能力远比油基的好,加之,在加工区域良好的渗透能力和清洗能力,水基切削液的应用越来越广泛,例如在加工中心,加工量大的粗加工序几乎都是使用水基切削磨削液。

      2. 水基切削磨削液的种类及其性能特点

      国内外对水基切削磨削液有不同的分类。1986年通过实施的ISO6743/7将水基切削磨削液分为从MAA到MAI共9类,日本JISK2241将其分为A1-A3三类,美国ASTM D2881-03则分为含石油制品液体和不含石油制品液体两种。我国在1989年制订的GB/T7631.5-1989等效采用ISO6743/7[3],也按9类归分。虽然不同标准的具体归类有所不同,但从大类及业界共同观点是将水基切削磨削液分为三类:乳化液(含矿物油量在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%)和合成液或化学溶液(不含矿物油)。也有资料[2]认为将化学溶液称为合成液以及将微乳化液叫做半合成液是不正确的,因为和合成没有任何关系,从化学观点看,这个说法是正确的,也更准确,但业界目前仍然普遍流行乳化,合成和半合成的称谓和分类。

      乳化、合成、半合成这三类水基产品中,含油量不同,必然带来组成和性能上的明显差异,可从以下几个方面对比分析。

      2.1. 第二相尺寸[4]。

      乳化液是油分布在水中形成的宏观均匀体系。油粒尺寸一般在1-10微米;半合成液只含不到20%的矿物油却含更多乳化剂,油粒尺寸比乳化液小得多,只有0.05-1微米;而合成液被认为是真溶液,是均匀的单相体系,尺寸是原子级的,即就是为了防锈等而添加的添加剂,形成的也是胶体溶液,粒子尺寸在0,05微米以下。第二相尺寸差异影响到液体外观。可见光波长在0.4-0.7微米,显然,乳化液中的油粒能反射太阳光,故外观呈乳白色;半合成液中油粒散射太阳光,呈现蓝色半透明;合成液中因太阳光直接穿过而显现透明状态。

      2.2. 防锈性能

      乳化液含油量高,油粒尺寸大,加工后在工件和机床上残留一层油膜,起到防锈作用。加之,乳化液中很多带极性的润滑和防锈添加剂都是油溶性的,它们也会随同油一起析出,极性添加剂的吸附力强,极性端吸附在金属表面,能排开表面水膜同时疏水端向外,形成新的低能量的表面,较难被水润湿,配合油膜一起提供良好的防锈性。合成液不含油,防锈能力较差,且表面张力小(约4x10-4N/cm),润湿穿透能力强,对机床防锈漆膜有侵蚀作用。半合成液的防锈性能介于乳化液和合成液之间。

      2.3. 润滑能力

      乳液中油粒尺寸大,在摩擦接触区域,油相容易从乳液中析出,起到润滑作用,润滑能力高。乳化液润滑能力好,不仅在于含油量高及油粒尺寸大,还在于很多润滑剂如形成有机吸附膜的油性抗磨剂或者凭借化学反应形成无机膜的极压润滑剂,大都是油溶性的,因此,乳化液润滑能力的实现手段相当丰富,容易满足苛刻加工的润滑要求。另外,有些加工工序对反应性强的极压剂敏感,例如铝合金加工,在这种情况下,采用较大油粒尺寸,较高油含量和油性剂就成为润滑实现的重要手段。

      2.4. 废液处理

      乳化液废液处理方法相对简单容易,通过破乳去除大部分油及溶于油的多种有机物。乳化液大都采用阴离子乳化剂,阴离子乳化剂在pH大于7才有明显乳化作用,破乳时,添加无机酸如硫酸、盐酸或者弱碱强酸盐如AlCl3,FeCl3等降低pH,或者添加阳离子乳化剂,使阴离子乳化剂失去作用,达到破乳。对于半合成和合成液,由于含有大量的水溶性添加剂,显著增加了废液处理困难。据介绍,废液处理成本高在美国是乳化液回归成为用户主要选择的重要原因。

      根据以上分析,乳化液有润滑、防锈和废液处理性能好的突出优点。相对乳化液,半合成液和合成液使用方面的不足之处也值得注意。例如,半合成液含油少,但为了达到细小的油粒尺寸,却含有比乳化液更多的乳化剂(表面活性剂),降低了表面张力,使得合成液和半合成在使用过程中容易产生泡沫,而泡沫又对冷却和润滑不良影响。再如,使用过程中不可避免地存在外来油品泄漏如液压油、齿轮油和轴承油的泄漏等,合成液和半合成液的设计思路是不含油或者含油量少油粒尺寸小,但外来泄漏的油品却不可避免地被乳化进来,和合成液和半合成液的产品设计思路不符,对应用造成比乳化液更大的不利影响。当然,合成液具有透明、冷却冲刷性能好的优点,适合用在磨削加工上,这也是业界的共识。

      乳化液具有这些优势,但实际中不少客户更青睐半合成液,主要是出于稳定性上的考虑。乳液稳定性较差主要在于其含油量高更容易滋生细菌,但采用先进的生物稳定技术,可较为彻底地抑制微生物滋生,大幅提高乳液稳定性,在这种情况下,选用乳化液,能给用户带来更多益处。

      3. 水基切削磨削液的中的微生物滋生

      微生物滋生需要的营养物质有:1)水;2)碳源;3)氮源;4)能源;5)矿物质;6)生长因子。除生长因子外,其它都是所有微生物生长的必备营养物质。显然,水基切削磨削液具备微生物滋生的所有营养物质,是微生物滋生的理想场所。水基切削磨削液中的组分还可能兼具不同的营养效果,例如在乳化液中大量存在的矿物油和各种有机物添加剂既是微生物滋生的碳源,同时也能提供其生长的能源。乳化液中的有机碳源最多,所以乳化液更易滋生细菌,是造成乳化液稳定性低、寿命短的主要原因。

      水基切削磨削液出现的微生物种属包括革兰氏染色阴性细菌(气杆菌属、假单胞菌属、布鲁氏杆菌属、变形杆菌属等),革兰氏染色阳性细菌(巴迭球菌、葡萄球菌、链球菌),霉菌(在合成液中更容易出现)和酵母等[5] 。实际上,微生物的滋生会形成菌落群体,包含种类繁多的各种菌体,图1显示了菌落中的多种菌体组合。

      对菌落中微生物的归类命名繁多复杂,似无必要,但了解微生物滋生的生理特性无疑是有意义的。例如,按照微生物生长过程中对氧气的需求程度,分为专性好氧菌(有氧条件下生长)、专性厌氧菌(无氧条件下生长)和兼性厌氧菌。专性好氧菌具有完备的呼吸系统,能够利用多种营养物质,而好氧菌生长一方面为厌氧菌提供了食物条件,即其新陈代谢的产物构成厌氧菌食物,如图2所示[6];另一方面,好氧菌生长消耗了氧气,在菌落心部为厌氧菌生长创造了无氧条件,如图3所示[7]。


    图2 好氧菌和厌氧菌的新陈代谢过程



    图3 好氧菌滋生所形成的低氧高硫环境

      图2中的第一阶段,好氧菌代谢生成的糖和蛋白质,促进了第二阶段菌类即厌氧菌的繁殖生长,并进而促进了第三阶段的菌类生长,硫酸还原菌将S还原为-2价,生成有臭味的H2S。图3中,好氧菌生长消耗了氧气,在菌落心部,氧气含量极低,促进了厌氧菌的繁殖生长,硫含量是和氧成反比,在这种环境下,硫酸还原菌会滋生,生成产物H2S。

      4. 微生物滋生的危害

      微生物的滋生有多种危害。

      4.1. 降低系统的pH

      水基加工液大多采用有机胺如醇胺等作为系统的缓冲体系或碱性保持剂,维持系统较高的pH。但胺可能作为细菌滋生的氮源被消耗(固氮微生物可利用空气中的氮分子作为氮源),导致系统pH下降;更重要的,如图2、图3所示,水基系统中的硫被还原成H2S,降低了系统的pH,同时散发出臭鸡蛋类的臭味。实际上,微生物的新陈代谢涉及和促进了有机物氧化,伴随多种酸性物质产生,这些都降低了体系的pH。

    图4 不同pH下的ESI

      4.2. 降低了乳化液稳定性

      乳化液主要采用阴离子乳化剂,在较高pH下起到乳化作用。pH下降,降低阴离子乳化剂的乳化效率,从而降低乳化液稳定性。图4是在不同pH值下测定的乳化液的ESI(Emulsion Stability Index,乳液稳定指数),可见pH降低,乳化液稳定性显著下降。

      4.3. 降低乳液的润滑能力

      乳液稳定性降低,会出现油析,不仅浓度难以维持,而且因乳化液中的润滑成分大都是油溶的,会随之一起析出,进一步降低了乳化液的润滑能力,降低加工精度,增加刀具后刀面磨损。极压剂的随同析出,促使刀尖部位积屑瘤产生,而积屑瘤的反复剥落生长,增加了刀具磨损,也降低了表面加工精度。

      4.4. 降低了乳化液防锈能力[8]。

    图5 毒血症所引起的肝部细胞死亡

      pH降低,乳化液稳定性降低导致油析,也会使乳液中的防锈添加剂随同析出,降低防锈性能。不仅如此,微生物滋生还通过如下机制加速腐蚀:1)在形成菌落心部,硫酸还原菌滋生,产生H2S, pH很低,直接产生腐蚀,形成微生物诱发腐蚀MIC(Micro-induced-corrosion);2)绝大多数腐蚀是电化学腐蚀,电化学腐蚀速度会因极化减慢,但硫酸还原菌和某些可能形成内孢子的革兰氏阳性杆菌含有氢化酶,去除在阴极上积累的氢离子,去氢屏障,加速腐蚀;3)生物膜的电位差加速了电子流动,加剧了腐蚀;4)有机弱酸与无机盐形成无机强酸(主要是盐酸),侵蚀金属表面。

      4.5. 增加生产成本,降低生产效率

      金属加工液腐败变质显著增加了使用成本,可能包括[9]:

      · 更换腐败金属加工液的直接费用

      · 换油损失的生产工时

      · 降低质量引起的质量成本

      · 换液的人工成本

      · 废液处理成本

      · 刀具磨损成本

      4.6. 对健康、安全和环境的危害[10]

      微生物滋生恶化了工作环境,危害操作者人身健康。微生物新陈代谢过程产生的多种有害气体 MVOC (含菌气体有机组分),菌体的内毒素、以及新陈代谢产生和死尸上仍旧发出的外毒素等都对人体健康有多方面危害:皮肤过敏发炎,呼吸道感染,可能还会有败血症产生,引发多种疾病。图5切片显示因菌体释放的外毒素而引起的毒血症,三分之一的细胞已死亡。

      5. 切削磨削液中微生物的防控

      水基切削磨削液中的微生物防控可从以下几个方面着手。

      5.1. 做好维护管理工作

      监控配液用水质量,保持合适浓度和pH.

      配液水中的磷酸根离子、硫酸根离子和较高硬度促进微生物生长,最好的配液用水是去离子水。电磁波在纯水中穿透度深,短光波紫外线具有较强的杀菌能力,如图6所示[11]。故可用紫外线、高能电子束或超声波照射灭菌,特别是在配液用水中含有较多微生物时。

      金属加工液组分包括杀菌剂与浓度成正比,因此使用过程中维持乳液浓度在规定范围对乳液性能稳定发挥具有重要意义。

      系统pH值与微生物滋生相互关联。一方面,如前所述,微生物滋生降低pH,故现场可通过pH监控微生物滋生;另一方面,低pH又促进微生物生长。大多数微生物最适合生长的pH范围是6.5-7.5,放线菌在8.0-8.5生长,只有个别细菌在pH大于9.0 环境中生长,因此,维持较高pH有助于控制微生物滋生。只是如有细菌滋生,则很难维持稳定的pH。另外,加工铝合金等有色金属时,乳液pH值不宜太高。

      5.2. 使用杀菌剂[12]

      使用杀菌剂是控制微生物的常用方法,金属加工原液中大都含有杀菌剂。 不同杀菌剂在作用靶位、机理、适应性上有差异。常用广谱杀菌剂如甲醛释放型,异噻唑啉酮类和碘丙炔正丁胺甲酸酯类等。没有一种杀菌剂对环境和人体健康是绝对无害的,很多杀菌剂的副作用相当强,欧盟国家已经不允许使用甲醛释放型杀菌剂。

      杀菌剂在储存期间,效力不断下降,而且细菌抗药性也在不断增加,所以,杀菌剂的作用效果逐步降低,如图6所示。显然,使用杀菌剂只能在一定范围内抑制细菌滋生。

      5.3. 配方改进

      要从根本上解决问题,还需从产品配方进行改进,采用先进的生物稳定技术,大幅减少现场维护负担。

      不少水基加工液利用硼酸盐组分抑制细菌,尽管被称为生物稳定,但事实证明只能在一定程度上减缓菌类滋生,而且,硼有不良的环保性能。因此,需要寻求更先进的生物稳定技术,例如,有报道称采用铜盐来达到生物稳定的目的[13]。好富顿公司生产的HOCUT 795系列乳化液,应用最先进的生物稳定技术,从根本上防止微生物滋生。表2是严重滋生细菌的乳液分别放在传统乳液和HOCUT 795系列乳液后的细菌滋生情况。试验在培养箱中进行,样品不搅拌,测菌时才搅拌,乳液浓度6%,含菌乳液约10%。 试验结果表明,HOCUT 795系列能完全抑制细菌滋生。

    表3 HOCUT 795系列生物稳定性试验


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