切削液中類產堿假單胞菌對鋁合金腐蝕行為的影響

李慶宏，陳景浩，申媛媛，郭章偉，董耀華，張麗，董麗華

（1.上海海事大學，上海 201306；2.北京石油化工學院，北京 102617）

為了提高生產效率，延長刀具的使用壽命以及保證工件加工精度，切削液已成為鋁合金加工過程中一種常見的冷卻潤滑介質[1-4]。切削液通過其配方中基礎潤滑油與各類添加劑的復配，在稀釋之后形成油水非均質混合物。由于其兼具潤滑油的潤滑性能與水的冷卻性能，能有效減少刀具與工件間的摩擦，并及時帶走切削液區域中的變形熱，從而達到延長刀具使用壽命的目的[5-6]。還可通過調整切削液的pH 值、添加金屬緩蝕劑等方法來保證工件的表面質量，避免金屬腐蝕。隨著金屬加工的高速化以及精密化發展，切削液的使用量已經呈逐年上升的趨勢。在2015 年，全球的切削液使用量就達到了3845.6 萬噸，且每年保持著1.2%的增長速度[7]。

鋁合金被廣泛應用于航空航天、汽車、機械制造等領域的關鍵零部件制造。鋁合金在加工成形時，會長時間接觸切削液，切削液的狀態對鋁合金表面質量會造成不同程度的影響。鋁合金在接觸性能較差的切削液之后，會出現白斑、黑斑、白毛或色澤暗啞等腐蝕現象。關鍵零部件在制造時一旦發生腐蝕，很難通過機械方式進行修復，將會導致零件直接報廢，造成巨大的經濟損失。切削液的劣化變質會弱化各項性能，對加工過程、工件質量造成不同程度的負面影響。有效成分的蒸發損失、熱老化、金屬離子、微生物污染等都是切削液發生劣化變質的原因[8–11]。

微生物在切削液中的生物活動是造成切削液劣化變質的主要原因。由于切削液的使用環境是一個開放式的供給-回流循環模式，切削液稀釋用的自來水、空氣中的灰塵、工人手部接觸以及液槽管道底泥殘留物等都會成為微生物進入切削液的途徑。當抑菌劑失效之后，切削液中的有機物會給微生物的新陳代謝提供大量的營養物質[12]。目前有大量文獻集中報道了切削液中微生物的多樣性分析以及病原體的檢測方法，單以假單胞菌屬微生物就發現了8 種細菌（P. fluorescences、P. lubricantis、P. aeruginosa、P. pseudoalcaligenes等）[13]。切削液的微生物降解是功能失效的一個主要原因。Rabenstein 等人[14]在研究切削液的微生物降解行為時，發現微生物能有效降解切削液中的油性劑、乳化劑、緩沖劑等添加劑，造成切削液穩定性下降，pH 值下降。然而鮮有文章報道金屬在切削液中的微生物腐蝕（MIC）行為或機理。Zhang 等人[15]在研究鈷基碳化鎢硬質合金在含硫酸鹽還原菌（SRB）的切削液中的MIC 時發現，SRB 會優先腐蝕材料中的粘結相，并使腐蝕速率比無菌切削液中提高10 倍。鋁合金作為一種依靠表面鈍化膜抑制腐蝕的高活性金屬，腐蝕介質的變化容易使其表面鈍化膜溶解，從而發生腐蝕。目前尚未有文獻報道微生物對切削液的作用機制，以及鋁合金在含微生物切削液中的微生物腐蝕行為，且目前針對鋁合金在切削液中腐蝕性能測試的方法較少。GB/T 6144—2010《合成切削液》中提出，采用鋁合金單片或疊片的切削液浸潤方法，觀察金屬表面的色澤變化，從而判斷切削液對鋁合金的腐蝕性。然而該方法只能在宏觀腐蝕的角度上判斷鋁合金在切削液中的腐蝕行為，至于點蝕及相關的微觀腐蝕測試方法并沒有提及。

本文在上海某機械加工廠現場取樣的切削廢液中分離、純化以及測序得到一種廣泛存在于切削液中的細菌類產堿假單胞菌，將其在不含抑菌劑的切削液中進行擴培。通過檢測類產堿假單胞菌的生物降解行為對切削液的pH、穩定性的影響，并測定切削液中TOC、TN 的變化，分析微生物對切削液酸堿平衡以及油水平衡的作用機制。結合材料微觀表征手段（SEM、倒置熒光顯微鏡以及表面輪廓儀）與電化學表征手段，分析5754 鋁合金在含菌切削液中的腐蝕行為。研究在含類產堿假單胞菌切削液的油水乳液非勻質腐蝕體系下，細菌對腐蝕介質的影響以及微生物對金屬的腐蝕行為影響，分析切削液中類產堿假單胞菌對鋁合金微生物腐蝕機理。

1 實驗

1.1 材料

實驗所用切削液由常州海納金屬助劑有限公司提供，為保證實驗效果，將切削液配方簡化為環烷石油基基礎油、非離子表面活性劑、三乙醇胺、油性劑以及消泡劑等。為提高生物擴培速度，抑菌劑等生物抑制劑被排除在配方體系外。切削液的各項性能指標滿足GB/T 6144—2010《合成切削液》中的要求，按5%（體積比）稀釋后，各項理化性能見表1。

表1 切削液理化性能數據Tab.1 Physical and chemical properties of the MCF

實驗所用5754 鋁合金的化學元素組成為：Al 94.85%，Si 0.40%，Cu 0.10%，Mg 3.5%，Ti 0.15%，Mn 0.50 %，Zn 0.20%，Cr 0.30%。5754 鋁合金被切割為10 mm×10 mm×3 mm 的金屬試樣。用于電化學測試的試樣與銅導線焊接后，利用環氧樹脂將其封裝，使其在腐蝕介質中的暴露面積為1 cm2。鋁合金試樣工作面利用150 目到1200 目砂紙逐級打磨，并分別用丙酮和去離子水將試樣進行清洗，吹干，最后放置于無菌操作臺上，用UVC 紫外光消毒30 min，備用。

1.2 微生物分離及菌株鑒定

切削廢液采集于上海某機械加工廠一臺龍門銑機床的液槽中，該切削液已變質發臭，無法滿足正常加工要求。利用無菌瓶在液槽中取樣后，保存于4 ℃的冰箱內。將25 g/L 的LB 肉湯培養基（培養基成分：10.0 g/L 胰蛋白胨，5.0 g/L 酵母浸粉，10 g/L NaCl）與15 g/L 的瓊脂溶于水后，置于壓力蒸汽滅菌鍋中滅菌，隨后將滅菌后的液體傾倒于無菌培養皿中，待其冷卻后，形成LB 肉湯培養基平板。將切削液中的微生物按一系列比例稀釋之后，分別取少量稀釋液均勻涂布在LB 平板之上，在37 ℃的恒溫培養箱內培養24 h 后，觀察培養皿中的菌落形態。分別挑選形態各異的菌落，在多次劃線培養純化后得到純菌株。將分離出的單一菌株在LB 肉湯培養基中擴培后，與無菌甘油以2︰8 的體積比混合，在–80 ℃的冰箱內保種。

單一菌株在LB 肉湯培養基中擴培后，在生長繁殖的對數期對菌株進行菌株鑒定。利用E.Z.N.A. ?soil DNA Kit（Omega Bio-tek, Norcross, USA）提取細菌DNA，利用1%的瓊脂凝膠電泳測定其提取質量，并利用NanoDrop2000（Thermo Scientific, Wilmington, USA）測定DNA 的濃度和純度。隨后以27F(5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′)與1492R(5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACTT-3′)為PCR 反應的前引物與后引物，對細菌進行16S rDNA 擴增。PCR擴增程序為：在PCR 儀（ABI GeneAmp? 9700）中，95 ℃預變性5 min，95 ℃變性30 s，56 ℃ 退火30 s，72 ℃延伸30 s 下進行25 個循環，隨后在72 ℃下延伸10 min，最后在10 ℃下進行保存。PCR 產物由上海美吉生物公司進行測序，序列對比分析在NCBI 數據庫中進行。

1.3 類產堿假單胞菌對切削液的微生物劣化

切削液以5%的比例稀釋為乳化液，利用磁力攪拌器攪拌2 h 后，形成水包油型（Oil-in-Water, O/W）乳化液，并將切削液放置于高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌。隨后將類產堿假單胞菌在104CFU/mL 時，以1%的比例加入至無菌切削液中，放置于37 ℃下的恒溫搖床中培養，利用LB 肉湯平板測定細菌在切削液中的菌落數。在第1、5、10、15 d 時，取樣進行切削液的微生物性能劣化測試分析。利用pH 計對切削液的pH 值（FE20，Mettler Toledo，Shanghai）進行測定，利用激光粒度儀（NanoBrook，90plus zeta，Holtsville，USA）測定切削液乳液液滴的粒徑分布，利用油紅O對乳液進行染色，并在光學顯微鏡（DM500，Leica，Germany）下觀察切削液乳液的液滴形貌。此外，對切削液中TOC、IC 與TN 的含量，利用TOC/TN 分析儀（Multi N/C 3100，Analytic Jena AG，Germany）進行測定。

1.4 鋁合金在含類產堿假單胞菌切削液中的腐蝕形貌表征

將金屬試樣分別浸泡于含類產堿假單胞菌的切削液與空白對照的切削液中，在不同時間將試樣取出，浸泡于2.5%的戊二醛水溶液中固化2 h。然后分別在10%，30%，50%，70%，90%以及100%的酒精溶液中脫水20 min，并使用高純氮氣吹干。利用掃描電子顯微鏡（SEM, JEOL JSM-7500F，JEOL，Japan）對材料表面的微觀形貌進行表征，同時使用與SEM聯用的X 射線能譜儀（EDS）對材料表面的元素分布進行檢測。利用表面光學輪廓儀（Contour GT，Bruker，Germany）對材料表面的腐蝕輪廓進行表征。此外，對去除腐蝕產物后的材料表面腐蝕形貌也應用相同的儀器進行表征。腐蝕產物的去除步驟如下：將試樣浸泡于濃鹽酸中3～5 s，去除表面腐蝕產物，然后立即將試樣取出，分別浸泡于二丁基硫脲-鹽酸溶液與碳酸氫鈉溶液中，然后用去離子水將表面沖洗干凈，吹干后備用。用于微生物附著情況表征的金屬試樣在避光情況下于1 mg/L 的吖啶橙中染色10 min，使用高純氮氣吹干后，在倒置熒光顯微鏡（NIKON/Ti-E，Nikon，Japan）下觀察微生物附著情況。

1.5 電化學測試

利用三電極電化學工作站（CHI660，辰華，上海）測試鋁合金在切削液中的電化學行為，其中封裝好的5754 鋁合金為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極（SCE），并利用一定體積的實時含菌切削液與空白對照切削液為電解質。在電化學測試前，將工作電極浸泡于電解質中1 h 以上，直到開路電位（OCP）穩定，采用電化學阻抗譜圖（EIS）對工作電極表界面的電化學狀態進行表征，測試頻率為10–2～104Hz，擾動振幅為±10 mV，測試結果利用Zsim 軟件進行EIS 擬合。此外，對工作電極進行動電位極化曲線測試，電位掃描范圍為穩定的OCP±2.5 V，掃描速率為5 mV/s。

2 結果及分析

2.1 類產堿假單胞菌對切削液的微生物劣化

利用細菌16S rDNA 基因27F 和1492R 引物測定16S rDNA 基因序列，獲得1403 bp 的基因片段，登陸號為LK391695.1。為了確定其分類地位，將分離出的細菌16S rDNA 基因序列在NCBI 中進行BLAST分析，發現其與類產堿假單胞菌具有99.86%的基因一致性。該種細菌也是關于切削液中微生物多樣性分布中常出現的一種細菌[16-17]。類產堿假單胞菌是一種棒狀革蘭陰性菌，好氧、耐鹽的異養菌[18-20]。類產堿假單胞菌在切削液培養15 d 時的生長曲線如圖1 所示。第0 d 時，切削液中微生物的數量級為102CFU/mL；微生物培養至第1 d 時，其總菌落數就達到了6.12×106CFU/mL；在第4 d 時，達到7.64×107CFU/mL 的峰值。之后，在切削液中的生物總數呈不斷下降趨勢，最后維持在2×107～3×107CFU/mL。該結果與大部分切削液中微生物濃度在104～1010CFU/mL 相符[21-22]。

圖1 類產堿假單胞菌在切削液中15 d 生長曲線Fig.1 Growth curve of the P. pseudoalcaligenes in MCF for 15 days

類產堿假單胞菌對切削液pH 的影響如圖2a 所示。在接種細菌之后，切削液中的pH 值呈不斷下降的趨勢。在微生物的影響下，切削液的pH 值在第15 d時下降到了7.39，從堿性環境變為了中性環境。空白對照中，切削液的pH 值在實驗周期內依然維持在新液pH 值（9.25 左右）的范圍內。pH 值是切削液防銹性能的一個重要指標，相較于其他環境，金屬在堿性環境中不容易發生腐蝕。如圖2b 所示，切削液中的溶解氧在細菌的作用下不斷下降，從第 1 d 的6.64 mg/L 下降至第15 d 的0.64 mg/L，而空白對照中的切削液溶解氧含量，均一致保持在8.11 mg/L 以上。由于類產堿假單胞菌是一種好氧菌，在生長繁殖的過程中會不斷消耗培養介質中的氧氣，使切削液中的溶解氧含量在15 d 內下降了90.36%。

圖2 類產堿假單胞菌在15 天內對切削液pH 與溶解氧的影響Fig.2 Temporal trend in the MCF containing P. pseudoalcaligenes with varying pH(a) and dissolved oxygen(b) for 15 days

圖3 光學顯微鏡下乳液液滴形貌與粒徑分布Fig.3 Optical image of emulsion droplets in the fresh MCF(a), MCF containing P. pseudoalcaligenes for 5 days(b), MCF containing P. pseudoalcaligenes for 15 days(c), DSDs of emulsion droplets of fresh MCF and MCF containing P. pseudoalcaligenes for 15 days

切削液中的O/W 乳化液液滴在經過油紅O 染色后，在光學顯微鏡下呈現出諸多紅色或紫色輪廓的液滴，如圖3 所示。由圖3a 可知，新液中液滴呈現了較為均勻的液滴尺寸分布，在光學顯微鏡下液滴尺寸為2～6 μm，表現出了較好的穩定性。類產堿假單胞菌在切削液中培養了5 d 后，乳液中液滴形貌表現出與新液中較大的差異，在尺寸上的浮動范圍為 2～40 μm，且該切削液中液滴的分布并不均勻。值得注意的是，圖3b 中出現了諸多大液滴中包含中小液滴的聚結（coalescence）現象，說明在微生物的作用下，乳液液滴間發生了聚結，液滴尺寸逐漸變大。當細菌在切削液中培養了15 d 后，乳液中液滴的差異就更加明顯，液滴的最大直徑比新液中增加了近10 倍，并且已經有完全被油紅O 染色的游離態基礎油出現。說明切削液中的部分基礎油已經完全脫離乳化狀態，以游離形態存在于切削液中。圖3d 顯示了激光粒度儀表征下新液與切削液中細菌培養15 d 后的乳液液滴粒徑分布，新液液滴的粒徑分布為一個單峰圖，乳液液滴粒徑集中分布在1.07 μm 左右，顯示出了較好的均勻分布。加入微生物影響因素后，切削液在第15 d 的粒徑分布變為了雙峰分布，分布區域變廣，集中程度變小，在1.12 μm 與8.93 μm 處出現了2 個集中分布。

通過在基礎油中添加乳化劑，在乳化劑作用下經水稀釋后，形成穩定的分散乳化液液滴。切削液維持其穩定性的主要原因是，乳化劑在O/W 乳液液滴之間通過靜電力與空間位阻效應在油-水兩相界面形成穩定的液-液邊界，使其在外觀上為乳白色液體，一般乳液液滴的粒徑分布在1～10 μm[23]。切削液的穩定性是切削液使用狀態的一個重要指標，切削液穩定性變差一般會表現為乳液分層、沉淀、絮凝或乳液液滴聚結等[24]。本文中切削液穩定性下降說明微生物對液體中乳化劑的降解程度較為嚴重，使切削液乳液液滴中油相物質與水的結合力不斷下降，最后會使基礎油脫離乳化狀態，以浮油狀態漂浮于液體表面，使液體中的環境由乳液液滴分散環境逐步變為水性溶液環境。在乳化劑含量較高的環境中，乳化劑會在金屬表面形成吸附層，阻斷金屬與氧氣接觸，與緩蝕劑協同作用，避免金屬發生腐蝕。當切削液中乳化劑被生物降解后，吸附于金屬表面的乳化劑也會相應減少，使其不能在金屬表面形成吸附層，增加了金屬發生腐蝕的風險。

切削液中TOC、IC 以及TN 被類產堿假單胞菌的生物降解情況如圖4 所示。圖4a 中，TOC 的含量在細菌的作用下呈下降趨勢，TOC 從1 d 的15.42 g/L下降至15 d 的9.69 g/L，而IC 呈現相反的趨勢，從1 d 的189.03 mg/L 上升至15 d 的485.50 mg/L。從圖4b 中可知，切削液中TN 的含量在類產堿假單胞菌的作用下也呈下降趨勢，從1 d 的564.77 mg/L 被降解至 15 d 的 142.16 mg/L。空白對照切削液中TOC、IC 和TN 的含量則與新液中的結果基本保持一致，但由于在37 ℃的培養環境下會有一定程度的水分蒸發，導致空白對照切削液中的數據會略有上升。

圖4 類產堿假單胞菌對切削液TOC、IC 以及TN 的降解效果Fig.4 Biodegradation of the TOC, IC, and TN in MCF under the influence of P. pseudoalcaligenes.

微生物的繁殖及新陳代謝需要從環境中不斷汲取碳源及氮源，從切削液的配方成分中可以得知，本文所用切削液提供了大量的有機碳源及氮源。由于類產堿假單胞菌中存在著hmfABCDE 基因簇，轉錄后產生的脫氫酶能發生催化反應，降解環境中的有機物[25-26]。從結果中可以發現，類產堿假單胞菌在切削液中對碳、氮元素的消耗速度有所區別，在15 d 的培養時間內，對TOC 的降解率為37.16%，對TN 的降解率為74.83%，說明該細菌會優先降解切削液中含氮元素的有機物。配方中環烷石油基基礎油為分子量較大的烷烴有機物，表面活性劑與三乙醇胺則是含氮元素的有機物。相較而言，三乙醇胺的分子式比其他有機物更為簡單，且分子量也較少。類產堿假單胞菌在眾多有機物中會優先降解三乙醇胺，而三乙醇胺作為調節切削液pH 值的緩沖劑，在降解后會造成切削液pH 值下降，因此在圖2a 中展現為切削液的酸堿環境由堿性變為中性。含氮元素的乳化劑也能在三乙醇胺被降解之后相繼發生生物降解，并在切削液的穩定性表征結果中有所體現。從圖4a 中IC 的升高可以判斷，類產堿假單胞菌并不是直接將有機物降解為CO2和H2O，而是先將有機碳化合物降解成可溶性無機碳，改變了溶液離子濃度。根據DLVO 理論，防止乳液中液滴間發生聚結的現象是由于液滴之間的雙電層勢能以及范德華力。切削液中離子濃度的增加，會弱化液滴之間的雙電層勢能，因此在切削液中有機物發生生物降解變為無機可溶性物質后，使液滴之間的排斥力減小，液滴發生聚結[27-28]，從而改變了溶液環境，增加金屬腐蝕傾向。

2.2 鋁合金微觀腐蝕形貌表征

類產堿假單胞菌在5754 鋁合金表面的附著情況如圖5 所示。細菌的DNA 被吖啶橙染色之后，在熒光顯微鏡下發出熒光，可以根據金屬表面微生物產生的熒光，判斷金屬表面微生物的附著情況。類產堿假單胞菌染色之后，在熒光顯微鏡下呈現綠色熒光。在金屬浸泡于含類產堿假單胞菌的切削液中第1 天時，附著于其表面的微生物數量較少，隨著浸泡時間的增加，微生物數量呈上升趨勢。當金屬浸泡15 d 時，其表面已經附著了大量微生物。從圖5d 中的熒光可知，微生物已經覆蓋了大部分的金屬表面。

圖5 微生物在5754 鋁合金表面附著情況Fig.5 Adhesion of microbes on the surface of 5754 aluminum alloy: the 1st day(a), 5th day(b), 10th day(c) and 15th day(d)

在不同切削液中浸泡后，鋁合金材料在不同介質中的腐蝕形貌如圖6 所示。當5754 鋁合金在無菌切削液中浸泡15 d 后，其表面保持著新鮮的完整表面。說明在沒有被微生物污染時，鋁合金在切削液中保持著良好的耐腐蝕性。當金屬在含類產堿假單胞菌的切削液中浸泡1 d 后，通過圖6b 可知，金屬基體并沒有遭受到腐蝕，表面的劃痕清晰可見。當鋁合金在切削液中浸泡5 d 時，基體雖然整體保持較好的耐腐蝕性能，但是在局部已經有腐蝕產物附著。當浸泡時間延長至10 d 時，基體表面的大部分區域已經被腐蝕產所覆蓋，但并沒有附著較厚的腐蝕產物，依然可以觀察到金屬基體的劃痕。浸泡15 d 后，表面的腐蝕產物附著現象就相當嚴重，腐蝕產物已經將基體材料完全覆蓋，并可以通過SEM 觀察到微生物的細菌形貌。通過鋁合金表面元素分析（見圖6f）可知，相比于5754 鋁合金原材料的元素組成，浸泡于含類產堿假單胞菌切削液15 d 后，表面成分發生了較為明顯的變化，出現了含量較高的C（13.53%）、O（7.9%）、P（4.21%）元素，這是構成微生物遺傳物質的必要元素。通過EDS 儀器表征，說明在含菌的切削液中浸泡15 d 后，鋁合金表面有微生物的附著。

鋁合金在含菌切削液中浸泡15 d 后，將其表面腐蝕產物去除后的表面形貌如圖7 所示。由圖7a 可知，材料出現了嚴重的點蝕情況，大部分的點蝕坑尺寸已經達到點蝕后期階段，而更嚴重的腐蝕現象為點蝕坑之間的融合。由圖7b 可知，與圖7a 類似，出現了大量點蝕，點蝕尺寸為1～6 μm，并且出現了基體剝落的腐蝕現象。

圖6 鋁合金在無菌切削液和含類產堿假單胞菌切削液中浸泡后的SEM 形貌Fig.6 SEM images of the 5754 aluminum alloy immsered in sterilized MCF for 15 days(a), immersed in MCF containing P.pseudoalcalgiens for 1 day(b), 5 days(c), and 15 days(d) and the EDS results of alminum alloy immersed in bio-contaminated MCF for 15 days

圖7 浸泡于含類產堿假單胞菌切削液中15 d 鋁合金去除腐蝕產物后材料表面腐蝕形貌Fig.7 Morphologies of the 5754 aluminum alloy in MCF with P. Pseudoalcaligenes for 15 days after the corrosion products were removed: a) optical profiler image; b) SEM image

2.3 電化學表征結果

鋁合金在不同切削液介質中的極化曲線如圖8所示，針對極化曲線的電化學擬合數據見表2。圖8a為5754 鋁合金在空白對照切削液中浸泡不同時間的極化曲線，Ecorr在前5 d 內發生了略小的負移，5 d之后，電位開始發生正移，從1 d 的–0.875 V 上升至15 d 的–0.410 V。在空白對照切削液中，試樣的Jcorr呈現持續下降趨勢，從1 d 的0.267 μA/cm2下降至0.096 μA/cm2。當切削液中加入類產堿假單胞菌后，工作電極表現出與在空白對照切削液中相反的動電位極化行為。Ecorr持續負移，從1 d 的–0.730 V 下降至15 d 的–1.558 V。Jcorr在微生物的影響下不斷變大，從0.274 μA/cm2上升至0.473 μA/cm2。相比浸泡于無菌切削液15 d 時鋁合金的腐蝕電流密度，在微生物影響下，鋁合金的腐蝕電流密度增加了4.9 倍。從圖8b 中的陽極極化曲線可知，加入了微生物后，鋁合金在含菌切削液中的擊穿電位不斷下降。說明在微生物存在的條件下，隨著微生物在切削液中生長繁殖時間的增加，鋁合金就越容易發生點蝕。從極化曲線的結果可知，隨著浸泡時間的延長，5754 鋁合金在空白對照切削液中的耐腐蝕性能逐漸提高。雖然在1～5 d 時電位出現了略小的負移，這可能是因為切削液中的乳化劑以及防銹劑尚未在金屬表面形成完整的保護膜，使Al2O3鈍化膜發生了溶解，進而表現為鋁合金極化曲線所擬合的腐蝕電流密度上升。隨著浸泡時間的延長，吸附于表面的有效成分形成了具有防腐性的吸附膜，保護了金屬基體，使其Ecorr正移，并使Jcorr下降，增加了鋁合金在切削液中的耐腐蝕性。鋁合金在含菌切削液中由于微生物在金屬基體表面形成了生物膜，無法使具有保護性的吸附膜沉積于金屬表面，使金屬基體不斷發生腐蝕，遂使鋁合金在含菌切削液中的耐腐蝕性能不斷下降。

圖8 鋁合金在不同切削液中的極化曲線Fig.8 Polarization plots of 5754 alumimun alloy in different MCF: a) sterilized MCF; b) MCF containing P. pseudoalcaligenes.

表2 5754 鋁合金在不同切削液中的極化曲線擬合數據Tab.2 Fitting date of the polarization curves of 5754 aluminium alloy in different MCF media

鋁合金在空白對照切削液與含菌切削液中的Nyquist 圖見圖9。隨著浸泡時間的延長，鋁合金的阻抗弧半徑出現了先減小、后增大的趨勢。當切削液中加入類產堿假單胞菌之后，通過圖9b 中的結果可知，在微生物的作用下，阻抗弧半徑在5 d 時要比1 d 的阻抗弧半徑略大。隨著浸泡時間的增加，阻抗弧半徑急劇下降。浸泡15 d 后，表現出了較差的耐腐蝕性，且由于微生物在鋁合金表面形成了一層生物膜，電子的傳輸方式逐漸變為擴散控制。

圖9 鋁合金在不同切削液中浸泡1、5、10、15 d 時的EIS 譜圖Fig.9 Nyquist plots of the 5754 aluminium alloy after immersed in controlled MCF(a) and MCF containing P. pseudoalcaligenes(b) for 1, 5, 10, 15 days

對于鋁合金在切削液中的EIS 電化學行為，其在空白對照切削液浸泡1 時的等效擬合電路為Q(RQ)，如圖10 所示。基體表面僅形成雙電層電容，說明鋁合金在無菌切削液中浸泡1 d 時，僅存在1 個時間常數。表明鋁合金在無菌切削液中的電化學腐蝕過程主要受電化學反應控制，呈現均勻腐蝕的特征[29]。在其他切削液介質中的等效擬合電路為R(QR(QR))，表現為2 個時間常數，在基體表面出現一層膜。對于在空白對照切削液的鋁合金來說，由于極性添加劑的存在，可以很好地吸附于金屬表面，故該膜為乳化劑與緩蝕劑形成的保護膜。對于浸泡在含菌切削液的鋁合金來說，由于切削液中有效成分的微生物降解，使得原本沉積在金屬表面的添加劑保護膜被微生物所降解，而微生物與EPS 取代該膜在金屬表面形成生物膜。鋁合金在切削液中的EIS 擬合數據見表3，空白對照切削液的溶液電阻（Rs）在各時間點都保持著相對穩定的數值。含有類產堿假單胞菌切削液的Rs卻呈現下降趨勢，從129.4 ?·cm2下降至90.3 ?·cm2，說明在微生物降解作用下，切削液中的有機物被降解為無機物從而增加了溶液的導電性。電荷轉移電阻（Rct）在空白對照切削液中表現為上升趨勢，從21.6 k?·cm2上升至27.9 ?·cm2，說明基體金屬發生電荷轉移的難易程度增加，使5754 鋁合金在空白對照切削液中隨著浸泡時間的增加而表現出更好的耐腐蝕性能。在含菌切削液中，Rct則表現出相反的變化趨勢，從19.3 k?·cm2下降至10.4 k?·cm2，說明隨著浸泡時間的增加，5754 鋁合金基體表面的電荷轉移變得更加容易。

表3 鋁合金在不同切削液介質中的EIS 擬合參數Tab.3 Fitting results of EIS of 5754 aluminium alloy coupons immersed in different MCF media

圖10 5754 鋁合金在不同切削液中的等效擬合電路Fig.10 Equivalent circuits of 5754 aluminium alloy in different MCF media

2.4 微生物腐蝕機理分析

切削液抑制鋁合金腐蝕主要通過2 種方式的協同作用：1）通過三乙醇胺緩沖劑將切削液的pH 值調整至堿性環境，使金屬在堿性環境中的腐蝕速率降低[30]；2）通過乳化劑與緩釋劑在金屬基體表面形成吸附層，達到抑制腐蝕的作用。類產堿假單胞菌會劣化切削液，使其狀態發生改變。從2.1 中的結果中可知，類產堿假單胞菌在切削液中具有良好的繁殖情況，在15 d 內能夠保持107CFU/mL 以上的微生物濃度，而切削液中的有效成分則為微生物的生長繁殖提供了大量的營養物質，且細菌對于有機物的降解是將有機物先降解為可溶性的無機鹽，提高了切削液中的離子濃度，增加了切削液的導電性。三乙醇胺的降解使切削液的pH 急劇下降，鋁合金在該酸堿環境中會具有更大腐蝕的傾向，腐蝕的嚴重程度也要嚴重許多。乳化劑的微生物降解首先會造成切削液的穩定性變差，表現在切削液中乳液液滴粒徑增大。當切削液中乳化劑濃度不足以維持油相物質保持乳化狀態時，基礎油則會以游離態的形式存在于切削液中。基礎油持續脫離乳化狀態，將會造成切削液中介質環境的改變，鋁合金試樣所處環境將逐漸由乳化液變為水性溶液，使得金屬表面電子與溶液中離子的交換更為容易。在表3 中體現為鋁合金在含菌切削液中的Rs與Rct不斷減小，進一步加劇了鋁合金在含菌切削液中的腐蝕情況。此外，類產堿假單胞菌在金屬表面于第10 d 時形成明顯的生物膜。從圖2b 中可知，細菌在生物膜上會不斷消耗金屬表面與溶液中的氧氣，鋁合金表面的鈍化膜被破壞后，由于沒有足夠的氧氣使基體上的Al 形成具有保護作用的Al2O3鈍化膜，使新鮮基體不斷暴露于腐蝕介質之中，導致腐蝕速率不斷加快，在圖8 中表現為Jcorr不斷增大，EIS 結果表現為鋁合金在含菌切削液中的阻抗弧不斷變小。基體材料在生物膜下，由于鈍化膜的不完整性，基體發生式(1)與式(2)中的產氫化學反應：

鋁合金基體通過上述2 種反應中的其一途徑發生溶解，極易誘發點蝕，切削液中的H+透過生物膜不斷腐蝕鋁合金，擴大點蝕，最終體現為腐蝕產物去除之后基體材料發生嚴重的點蝕情況。溶解的金屬離子不斷增加溶液的離子濃度，弱化了乳液液滴之間的雙電層勢能，使乳液液滴不斷發生聚結，形成大液滴，持續使切削液的穩定性變差，形成切削液性能劣化與金屬腐蝕的惡性循環。

3 結論

1）在切削廢液提取分離出類產堿假單胞菌，該菌株在切削液中具有良好的生長繁殖狀態，在繁殖過程中會優先分解如緩沖劑、乳化劑等含氮元素的有機物，使切削液的pH 值由9.25 降至7.39，并能降解乳化劑。pH 值與乳化劑含量的下降，改變了切削液狀態，使5754 鋁合金在含菌切削液中更容易發生腐蝕。

2）類產堿假單胞菌對切削液中有機物的降解是先將有機物降解為可溶性無機物，增加切削液中的離子濃度，使乳液液滴發生聚結，降低切削液的穩定性。可溶性無機鹽濃度的上升，降低了切削液的溶液電阻，使切削液的導電性能上升，使5754 鋁合金表面更容易發生電子轉移。

3）隨著浸泡時間的增加，5754 鋁合金在含類產堿假單胞菌切削液中的耐腐蝕性能不斷變差，擊穿電位不斷正移，發生點蝕的傾向變得更加嚴重。浸泡于含菌切削液15 d 時的鋁合金，其腐蝕電流密度比浸泡于無菌切削液中的鋁合金高4.9 倍。隨著浸泡時間的增加，EIS 阻抗弧也不斷變小。5754 鋁合金在含類產堿假單胞菌切削液中浸泡10 d 后，表面出現了生物膜，生物膜上的細菌不斷消耗材料表面的氧氣，使5754 鋁合金無法維持完整的鈍化膜，使基體不斷暴露于腐蝕介質中。生物膜下的鋁合金發生點蝕，并隨著浸泡時間的延長，點蝕變得更加嚴重。