切削液之環(huán)保

環(huán)保呼聲高漲，囧途中的切削液路在何方

1. 切削液面臨的壓力

在制造領(lǐng)域，切削液是一類(lèi)量大面廣的消耗性輔助材料。它在制造過(guò)程中起著潤(rùn)滑、

冷卻、清洗、防銹等多種有益的作用，在改善加工質(zhì)量、提高加工效率、減少刀具

損耗、便于排除切屑等方面效果顯著；與此同時(shí)，它又面臨著多重壓力。

1）性能壓力：高速、高效、強(qiáng)力、重負(fù)荷、高精度等詞匯常用來(lái)描述現(xiàn)代加工技

術(shù)的進(jìn)步，這些新工藝都對(duì)切削液的內(nèi)在品質(zhì)、供液方法、供液壓力和流量寄予更

高的期望；與此同時(shí)，新的機(jī)械工程材料（如新型鋁合金、鎂合金、鈦合金等）和

切削工具材料（如新型硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、復(fù)合涂層、金剛石、立方氮化硼）的

應(yīng)用，都對(duì)切削液的性能提出更多特殊的要求。

2）經(jīng)濟(jì)壓力：近十年來(lái)，一方面，國(guó)際油價(jià)上漲，使切削液的直接成本上升；另

一方面，各國(guó)的勞動(dòng)保障和環(huán)境保護(hù)法規(guī)日趨嚴(yán)厲；企業(yè)需要增加勞保開(kāi)支和廢液

處理費(fèi)用，導(dǎo)致使用切削液的間接成本增加，切削液面臨日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)壓力。

3）環(huán)境壓力：切削液屬油脂化工產(chǎn)品，其生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用都受到嚴(yán)格的管制。

使用切削液產(chǎn)生的耗散物及廢棄物會(huì)對(duì)勞動(dòng)衛(wèi)生和生態(tài)環(huán)境均構(gòu)成一定的危害。近

來(lái)不斷曝光的溢入河道、注入地下的工業(yè)廢水污染事件，都有切削液的身影。當(dāng)今

環(huán)保呼聲高漲，囧途中的切削液路在何方？

2. 解決切削液生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的三條路線

其一是徹底摒棄切削液，采用干式切削技術(shù)，其中包括冷風(fēng)切削、吹氧切削、液氮切削

等；其二是采用半干式切削技術(shù)，主要指微量切削液加工技術(shù)。其三是改造傳統(tǒng)切削液，

將其負(fù)面影響降低到最小程度，使之成為環(huán)境友好的，并能被保護(hù)生態(tài)環(huán)境的法規(guī)所接

受。這三條路線互為補(bǔ)充，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

1） 干式切削

干式切削在加工過(guò)程中不使用切削液，可徹底避免切削液的負(fù)面影響，同時(shí)也放棄了切

削液所能帶來(lái)的好處。干式切削面臨的主要問(wèn)題是切屑形成過(guò)程中潤(rùn)滑性差，導(dǎo)致刀-屑、

刀-工界面上摩擦劇烈，能耗大，發(fā)熱多，加上冷卻不力，因而刀具損耗快、工件熱變形

等等；另一個(gè)不容回避的問(wèn)題是機(jī)床與工藝裝置的銹蝕以及工件的短期工序間防銹問(wèn)題。

用干式（包括冷風(fēng)、液氮）切削后，通常需要增加機(jī)床和工件的防銹處理以及之后的清

洗處理，特別是在高溫、潮濕的地區(qū)和季節(jié)。其結(jié)果是減少了切削液卻增加了防銹液、

清洗液；從總體上看，有時(shí)并不能有效地達(dá)到減輕環(huán)境負(fù)荷的目的。此外，加工過(guò)程中

的沖洗、排屑等方面的問(wèn)題也需要特殊處理。干式切削的發(fā)展依賴(lài)于刀具材料、工件材

料、機(jī)床技術(shù)和切削技術(shù)的進(jìn)步。從目前的技術(shù)進(jìn)展情況來(lái)看，干式切削還只能在一小

部分加工領(lǐng)域中應(yīng)用，有較大的局限性。

2）半干式切削

半干式切削主要指微量切削液加工技術(shù)，是一種技術(shù)上的折衷，既能部分保留濕式切削

的利點(diǎn)，又可減輕其負(fù)面影響，已經(jīng)在一些加工領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果，是目前綠

色加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，有廣闊的應(yīng)用前景；但也存在著油霧污染問(wèn)題以及在某些

加工場(chǎng)合潤(rùn)滑冷卻不足之類(lèi)的煩惱。

3）環(huán)境友好切削液

傳統(tǒng)切削液受到的環(huán)境壓力將會(huì)愈來(lái)愈嚴(yán)酷，進(jìn)行改良和創(chuàng)新勢(shì)在必行。不僅要繼續(xù)提

高切削液的加工性能，更應(yīng)該積極著眼于研究開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用低毒、低污染的環(huán)境友好

型切削液，其遠(yuǎn)景目標(biāo)是開(kāi)發(fā)、應(yīng)用無(wú)毒、無(wú)污染的綠色切削液

（Green Cutting Fluid）。這是解決問(wèn)題的根本途徑，是實(shí)現(xiàn)綠色制造的重要步驟，

目前的研究十分活躍，任重而道遠(yuǎn)。以下重點(diǎn)討論此話(huà)題。

3. 環(huán)境友好切削液

1）含義

環(huán)境友好切削液(Environmentally Friendly Cutting Fluid)指滿(mǎn)足使用性

能和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)雙重要求的切削液。這里所指的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)包括：切削液及其耗散

與廢棄產(chǎn)物的毒性（Toxicity）和生態(tài)毒性（Eco-toxicity）以及生物累積性

（Bioaccumulation）、生物可降解性（Biodegradability）、資源可再生性

（Resource Renew-ability）等。簡(jiǎn)言之，環(huán)境友好切削液既能滿(mǎn)足切削加工的使用

要求，切削液本身及其耗散與廢棄產(chǎn)物對(duì)生物和生態(tài)環(huán)境又不構(gòu)成危害, 或在一定程

度上為生態(tài)環(huán)境所容許，資源可循環(huán)利用或容易再生【1】。

2）界定

如何界定切削液是不是環(huán)境友好的，目前還沒(méi)有統(tǒng)一說(shuō)法。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)相繼建立

了環(huán)境標(biāo)志組織，對(duì)環(huán)境友好的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)識(shí)。如歐洲的“生態(tài)標(biāo)志”、北歐四國(guó)（挪

威、芬蘭、瑞典、冰島）的“白天鵝”、德國(guó)的“藍(lán)色天使”、法國(guó)的“NF 環(huán)境標(biāo)志”、

美國(guó)的“綠色標(biāo)記”等。產(chǎn)品要獲得這些標(biāo)志都必須滿(mǎn)足相應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)指標(biāo)。我國(guó)也

已經(jīng)開(kāi)始切削液相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。2010 年國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公益性

行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)《清潔高效基礎(chǔ)制造工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究》啟動(dòng)。在這個(gè)項(xiàng)目支持下，由中

機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心、濟(jì)南庫(kù)倫特科技有限公司、廣州機(jī)械科學(xué)研究院等單位開(kāi)展了《金

屬切削液 有毒有害性評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的研究，并于 2012 年提交了《金屬切削液 有

毒有害性評(píng)價(jià)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申請(qǐng)，同年 12 月獲得批準(zhǔn)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號(hào)：

20121362-T-469）。工作組由金屬加工企業(yè)（用戶(hù)）、切削液研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)共同

組成；技術(shù)歸口單位為全國(guó)綠色制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)；預(yù)計(jì)完成時(shí)

間 2014 年 12 月。

3）研究方向

近二十年來(lái)，環(huán)境友好切削液的開(kāi)發(fā)研究圍繞“無(wú)毒害、低污染、長(zhǎng)壽命、高性能”

蓬勃展開(kāi)。上世紀(jì)八十年代開(kāi)始的亞硝酸鹽代用品的開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)取得了很大成績(jī)。

在此基礎(chǔ)上，圍繞環(huán)境保護(hù)這一主題，切削液今后的開(kāi)發(fā)研究方向可以歸納為限氯、

減氮、少乳、抑菌、抗霧、再生等幾方面。

（1）限氯

氯化石蠟作為極壓抗磨添加劑用于切削液由來(lái)已久，有很好的加工效果和長(zhǎng)期的使用實(shí)

績(jī)。但是，1984年美國(guó)NTP（National Toxicology Program）用含氯58~60％的C12

氯化石蠟和含氯40~43％的C23/24氯化石蠟進(jìn)行了大白鼠和小白鼠的終身經(jīng)口喂食試驗(yàn)。

1986年發(fā)表的研究報(bào)告確認(rèn)，含氯58~60%以上的C12氯化石蠟對(duì)大白鼠和小白鼠均呈陽(yáng)

性反應(yīng)；而含氯40~43％的C23/24氯化石蠟的試驗(yàn)結(jié)果不確定。因此，將含氯60％的C12

氯化石蠟分類(lèi)為可疑致癌物。后來(lái)的研究認(rèn)為這類(lèi)物質(zhì)不會(huì)通過(guò)皮膚吸收。此后，國(guó)際

癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Rearch on Cancer）將C10~C12短

鏈氯化石蠟劃歸入“可能有致癌性的物質(zhì)B類(lèi)”；此外，如果含氯切削液的廢液在中規(guī)

模燒卻設(shè)備中低溫?zé)齾s處理時(shí)，有產(chǎn)生強(qiáng)致癌物二悪英的懸念。因此，日本于2000年將

含氯切削液從JIS標(biāo)準(zhǔn)中刪除；歐盟于2004年對(duì)含有短鏈氯化石蠟1%以上的金屬加工潤(rùn)

滑劑（包括切削液）實(shí)行管制使用。含硫添加劑或磺酸鹽添加劑可以作為氯系添加劑的

代用品。這類(lèi)添加劑單獨(dú)或合并使用都可以達(dá)到或超過(guò)氯系添加劑的效果。

（2）減氮

水基切削液中大量使用含氮化合物。其中烷基醇胺類(lèi)物質(zhì)在維持切削液的堿性、防銹性、

防腐敗性等方面都起著重要作用。但是，參考文獻(xiàn)【11】認(rèn)為，由于含氮化合物大都有

高的親水性，難于與水分離，成為水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一。此外，烷基醇

胺類(lèi)物質(zhì)還存在著安全衛(wèi)生隱患，

如一乙醇胺的皮膚刺激和二乙醇胺的亞硝胺問(wèn)題等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，切削液中減少含氮化

合物有正面的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

（3）少乳

傳統(tǒng)的乳化切削液含有大量的礦物油（原液中含量約為60~80%）。從其中分離來(lái)

的油分散落在地面后容易弄臟作業(yè)環(huán)境，覆蓋在液面上使切削液呈缺氧狀態(tài)，助長(zhǎng)厭氧

性細(xì)菌繁殖，其中的硫酸還原菌會(huì)分解切削液中的硫分而釋放出臭雞蛋味，導(dǎo)致乳化液

提早腐敗變質(zhì)。使用微乳化切削液（約含礦物油10~30%）替代乳化切削液可以在一定程

度上減輕上述傾向。徹底的解決辦法是用不含油的切削液。比如，改用聚醚

（Polyalkylene Glycol，PAG）等具有潤(rùn)滑性的物質(zhì)來(lái)代替油類(lèi)物質(zhì)。將難溶于水的PAG

乳化或可 溶化可能得到 合成乳化液（ Synthetic emulsion fluid）或合 成

微乳化液（ Synthetic micro-emulsion fluid）；用溶于水的PAG可配制成合成

溶(Synthetic solution fluid)。可溶性PAG在水中具有逆溶性，常溫下溶解度

大，溶液透明；隨溫度升高其溶解度下降；若溫度高于其濁點(diǎn)，則PAG析出，在摩擦界

面生成潤(rùn)滑膜；而且PAG與脂肪酸、磷酸酯等類(lèi)極壓劑有協(xié)同增效作用。

（4）抑菌

為了抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖，選擇抗菌能力強(qiáng)的切削液是需要首先考慮的問(wèn)題。添加防

腐殺菌劑可以在很大程度上解決微生物繁殖問(wèn)題，但是有諸多副作用，尤其是對(duì)環(huán)境的

負(fù)面影響很大。因此，開(kāi)發(fā)研究自身具有抗菌性能的切削液倍受重視。參考文獻(xiàn)【15】

介紹了一些外國(guó)切削液企業(yè)的抗菌性切削液。其配方原則是避免使用能夠成為微生物營(yíng)

養(yǎng)源的物質(zhì)；使用具有抗微生物能力的水溶性化合物，如：環(huán)氧丙烷加成到胺化合物中

形成的胺類(lèi)衍生物、環(huán)氧化物加成型氨基酸化合物、羥基化動(dòng)植物油脂，以及苯胺類(lèi)、

環(huán)烷基胺類(lèi)、吡咯烷類(lèi)物質(zhì)等。

（5）抗霧

油霧對(duì)工人健康和大氣環(huán)境的影響是一個(gè)嚴(yán)峻的社會(huì)問(wèn)題。在高速切削加工中，切削

溫度較高，會(huì)產(chǎn)生煙霧、油霧、油蒸汽或分解放出有害氣體，使車(chē)間空氣受到污染，作業(yè)環(huán)

境惡化。尤其是使用油基切削液的場(chǎng)合更容易發(fā)生這些問(wèn)題。長(zhǎng)期在油霧環(huán)境下工作可能引

起呼吸器官損害。在使用乳化切削液、微乳化切削液的重負(fù)荷切磨削加工等場(chǎng)合，機(jī)床周?chē)?/span>

也會(huì)發(fā)生霧狀氣氛。由于這種霧中的堿性物質(zhì)和表面活性劑的作用，有時(shí)會(huì)刺激操作者的呼

吸器官粘膜（鼻腔等）。添加油霧抑制劑在一定程度上可以治標(biāo)。徹底的解決辦法是實(shí)現(xiàn)油

霧的完全回收和綜合利用。

（6）再生

切削液的工作液使用一段時(shí)間后，會(huì)由于以下一些原因變成廢液：

a. 微生物過(guò)量繁殖造成腐敗、發(fā)臭；

b. 有效成分含量降低或失去平衡，出現(xiàn)分層、析出、沉淀，導(dǎo)致使用性能下降；

c. 固體顆粒物過(guò)多，導(dǎo)致切削液變臟、變質(zhì)，嚴(yán)重影響加工效果。

上述原因可能單獨(dú)出現(xiàn)，也可能同時(shí)發(fā)生。

切削液變成廢液后，必須進(jìn)行處理，使其達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)才能排放到大自然。這

是傳統(tǒng)模式、一次性使用。該過(guò)程即下圖中的（A）模式。

取代上述傳統(tǒng)模式的是廢液再生處理和循環(huán)利用模式。其要點(diǎn)在于：當(dāng)切削液變成廢

液后，不是處理達(dá)標(biāo)后排放，而是采用物理、化學(xué)、生物等處理方法，使其恢復(fù)到工

作液的原有狀態(tài)，重新返回到供液池重復(fù)使用。這一過(guò)程可循環(huán)多次，能大大延長(zhǎng)切

削液的壽命。該過(guò)程即下圖中的（B）模式。

采用模式（A）、（B）切削液用戶(hù)需要支付的費(fèi)用項(xiàng)目比較如下表。

費(fèi)用項(xiàng)目 （A）模式 （B）模式

切削液購(gòu)入費(fèi)用 需要 需要

需要 切削液配制（稀釋?zhuān)┵M(fèi)用 需要

需要 切削液管理費(fèi)用 需要

切削液廢液處理設(shè)施和需要，進(jìn)行物理、化學(xué)、生物處理，需要，僅限于除去浮油

費(fèi)用 達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，費(fèi)用高 和固體顆粒物，費(fèi)用低

排污費(fèi)用 需要 不需要

切削液調(diào)整劑 不需要 需要，用于恢復(fù)工作液

性能

切削液再次購(gòu)入費(fèi)用 需要量大 需要量少或不需要

水資源消耗量及費(fèi)用 較高 較低

切削液廢液再生處理和循環(huán)利用技術(shù)適合于各種

大中型切削液用戶(hù)，尤其適合于集中供液系統(tǒng)。是解決切削液生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的重要發(fā)

展方向。