“雙碳”目標下金屬切削液低碳化途徑的探討

劉騰飛，戴媛靜

1.季華實驗室 廣東佛山 528200

2.清華大學天津高端裝備研究院 天津 300308

3.清華大學 北京 100084

4.天津清潤博潤滑科技有限公司 天津 300132

1 序言

自2020年9月中國于第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和后，國家相關部門圍繞“雙碳”目標出臺了一系列節能減排的指導意見。據統計，我國制造業產生的碳排放量約占總量的30%～50%，所以，加快推進制造業的綠色低碳化轉型迫在眉睫[1]。綠色制造的核心是節約資源、降低排放、保護環境，需要對產品的整個制造過程進行綜合考量，以做到高資源利用率、低環境影響。

2 開發高性能、易降解的環保型金屬切削液

金屬切削液作為制造業的“血液”，是影響其綠色低碳轉型的關鍵因素之一。金屬切削液是指金屬切削加工過程中所使用的助劑，主要起潤滑、冷卻、清洗及防銹的作用。目前，市場上的金屬切削液大多由基礎油、防銹劑、乳化劑、分散劑、防霉劑及其他助劑等化學成分構成。主要存在以下問題：基礎油及添加劑主要來自于石油產品，耗費大量的石油資源；添加劑存在一定的化學危害，某些添加劑存在一定的生物毒性；使用或管理不當易導致切削液腐敗變質，影響加工效果，惡化工作環境；切削液廢液穩定性高、不易降解，環保處理負擔沉重。

基于此，金屬切削液的開發者及使用者應努力協同解決以上問題，以促進“雙碳”目標的實現及制造業的平穩發展。

目前，切削液開發者大多選用礦物油作為基礎油，在耗費大量石油資源的同時，其生物降解性差，廢液難于處理，造成沉重的環境負擔。此外，切削液添加劑種類繁多，其中不乏一些對人體及環境有害的品類，如常用的極壓添加劑短鏈氯化石蠟，不易降解，易在生物體內富集，可致癌、致畸、致死。常用的無機鹽防銹劑亞硝酸鈉與切削液中的有機堿結合可生成具有致癌性的亞硝胺。常用的甲醛釋放型殺菌劑在環境中釋放出的甲醛具有致癌、致畸性等。因此，用可生物降解的植物油或植物油基合成酯替代礦物油作為基礎油，并使用新型無毒無害的添加劑替代傳統有毒有害的添加劑，開發出高性能、易降解的環保型切削液已成為行業的發展趨勢。

現以筆者團隊所開發的植物油基鈦合金切削液為例，說明以植物油替代礦物油后，為切削液在潤滑性能及生物降解率方面所帶來的改善。配方組成見表1。

表1 植物油基鐵合金切削液化學成分（質量分數）（%）

對其進行機床切削測試，分析其對刀具磨損的影響（以后刀面磨損量＞0.2mm為試驗停止節點），并與某商用礦物油基鈦合金切削液進行對比。測試條件見表2。

表2 機床切削測試條件

切削液對刀片磨損影響的測試結果如圖1所示，切削液對刀片壽命的影響見表3。

圖1 切削液對刀片磨損的測試結果影響

表3 切削液對刀片壽命的影響

由圖1、表3可知，相比于礦物油基商用液，在鈦合金切削加工中使用植物油基切削液潤滑性能更好，可顯著降低刀片磨損，刀片壽命可延長1.68倍。

測試植物油基鈦合金切削液的生物降解率，測試條件見表4。

表4 植物油基鈦合金切削液生物降解率測試條件

以COD（化學需氧量）去除率表征切削液的生物降解率，測試結果見表5。

表5 切削液生物降解率

與礦物油基商用液進行對比，可以看到，植物油基鈦合金切削液的生物降解率明顯優于礦物油基商用液，可有效降低后續廢液處理的壓力，減輕對環境的影響。

通過以上測試結果可知，相比于傳統的礦物油基切削液，植物油基切削液潤滑性能更強、生物降解率更高。通過以植物油替換切削液中的礦物油，不僅減少了對石油產品的依賴，而且使切削液獲得了延長刀具壽命、降低刀具損耗、低污染的效果。

此外，天津科技大學的李想等以廢舊機油為基礎油制備了滿足使用要求的乳化切削液，在降低切削液對石油資源消耗的同時還使廢舊機油得到了資源化利用，為切削液的低碳化發展提供了一種選擇[2]。

3 建立金屬切削液管理、維護體系

即便是性能良好的切削液，若使用不當、維護不佳也會出現諸多問題，如銹蝕、潤滑能力下降、泡沫增多及壽命縮短等。因此，在機械加工中，使用者不僅要選擇高性能的環保型切削液，還要結合現場工藝，掌握切削液正確的使用、管理、維護方法，這樣才能充分發揮切削液的作用，以減少加工過程中刀具的磨損，提升加工質量，并降低切削液的消耗與排放。但對于大多數企業而言，由于金屬切削液技術涉及多門學科，管理難度大，存在問題多，缺乏熟悉切削液相關知識的專職人員，對切削液的選擇、使用及維護不夠重視或力不從心。所以，結合使用者實際情況，建立一套系統而完整的切削液管理、維護體系對于提升制造業的加工水平及降耗減排尤為重要。

金屬切削液的管理、維護體系應包括：切削液的選擇、切削液的更換及切削液的維護三個方面。其中，切削液的選擇應對使用工廠的類型、機床類型、加工工藝、工件材質、刀具材質、稀釋水水質、機床供液系統、油品倉庫存儲條件、廢液處理難易程度、切削液的安全環保性能及產品性價比等充分考慮，綜合評估，選擇最適宜的產品。下面對各種類型的切削液性能進行比較歸納，用于指導實際加工時切削液的選擇，見表6[3]。

表6 切削液性能比較

選擇適宜的切削液后，在開始使用之前應對機床內原有的切削液進行更換，切削液的更換包括：清理液槽及循環系統、對液槽及循環系統進行消毒、配制合適濃度的新液等步驟。更換完畢后，若要使切削液發揮好的使用效果，仍需對其進行維護。在日常維護中，一般應對切削液的外觀、濃度、pH值、電導率、水質硬度、泡沫、防銹性能及微生物菌落數等指標進行監測，若指標發生異常時，應及時對切削液進行相應調整；同時，還需保證循環管路的暢通，保持切削液的日常循環，并及時去除切削液中的雜油及其他雜質[4]。

筆者團隊曾結合現場實際情況為深圳市某企業制定了一套金屬切削液管理、維護體系，企業使用者實施該體系前后切削液的使用情況見表7。

表7 切削液管理、維護體系實施前后切削液使用情況

通過表7可以計算出，管理、維護體系建立實施之后，該企業切削液用量降低了37.5%，且使用周期大幅延長。此外，通過選擇適宜的切削液，加強切削加工時的潤滑，降低了刀具磨損，刀具節約率達到15%。

由此可見，建立并實施金屬切削液管理、維護體系可在很大程度上促進機械加工過程中的降耗、減排。

4 對金屬切削液廢液進行資源化處理

建立并實施金屬切削液管理、維護體系可有效提升其使用壽命，但隨著切削液使用時間的延長，有效成分不斷損耗，微生物不斷增殖，最終仍會導致腐敗、變質，喪失使用性能，形成切削液廢液。切削液廢液具有成分復雜、性質差別巨大、穩定性高、不易降解的特點，其COD可達105～106mg/L，如何對廢舊切削液進行有效處理已經成為環保領域的一大難題[5]。目前，國內企業的切削液廢液主要由具有處理資質的專業公司處理，處理成本高，處理困難，環境壓力大。切削液廢液中主要含有基礎油、各種添加劑、金屬離子、微生物及其代謝產物、無機鹽及水等。其中，水作為切削液工作液的稀釋介質，在廢液中的含量最大，按照質量分數計劃一般大于80%。使用者通過較為簡單的工藝，將廢液中的水經過分離、凈化達標后，繼續作為切削液稀釋水使用，實現廢液中含量最大組分的資源化利用，是切削液廢液減排的一種行之有效的方法。

為探究該方法的可行性，筆者團隊采用絮凝沉降-膜處理工藝，對切削液廢液中的水進行回收處理，檢測其相關指標，并分析以其作為稀釋水配制的切削液工作液是否滿足使用性能。切削液廢液資源化處理流程如圖2所示。

圖2 切削液廢液資源化處理流程

所選用切削液廢液來自東莞市某鋁合金加工企業，為半合成型切削液。廢液及資源化處理后納濾出水的性狀及相關理化指標見表8。

表8 切削液廢液及資源化處理后納濾出水的性狀及相關理化指標

廢液資源化處理后的納濾出水，仍含有少量的切削液，按照質量分數計算濃度為0.5%，電導率為2200μS/cm，COD為6800mg/L，遠不滿足GB18918—2016中規定的工業廢水三級標準，不可直接排放。

以納濾出水為稀釋水配制切削液工作液，按照質量分數計算濃度為5%，測試其基本理化指標，并與以去離子水為稀釋水配制的工作液進行對比，結果見表9。

表9 切削液工作液基本理化指標

以MicrotapTTT攻螺紋扭矩儀分別測試兩組切削液工作液對GCr15軸承鋼和6061鋁合金的潤滑性，測試條件見表10。

表10 攻螺紋扭矩測試條件

測試結果如圖3、圖4所示。

圖3 切削液GCr15軸承鋼攻螺紋扭矩

圖4 切削液6061鋁合金攻螺紋扭矩

以攻螺紋過程中的平均扭矩值表征切削液工作液的潤滑性，平均扭矩值越小，潤滑性越好。由測試結果可知，對于GCr15軸承鋼和6061鋁合金，兩組工作液所取得的平均扭矩值相近，潤滑性能相當。結合表9，說明以廢液資源化處理后的納濾出水為稀釋水配制的切削液工作液，其相關性能與以去離子水配制的工作液相近，可滿足使用需求。

可見，通過較為簡單的絮凝沉降-膜處理工藝對切削液廢液中的水進行資源化處理，雖不能達到排放標準，但可作為稀釋水回用于切削液工作液的配制。既降低了廢液的處理難度、處理成本，又使其中的水得以循環利用，減少了水資源的消耗和廢液的排放量，進一步助力制造業的低碳、減排。目前，該工藝已在提供切削液廢液的東莞市某鋁合金加工企業應用，并取得了廢液排放率降低80%的良好效果。

此外，李雪偉以銅包鐵粉作為類Fenton反應催化劑，采用破乳—類Fenton氧化—pH回調—混凝處理工藝，處理廢舊切削液，取得了較為理想的結果[6]。陳益成利用機械格柵—pH調節—隔油池—氣浮—生物池工藝處理切削液廢水，出水可回用于生產和生活[7]。

5 結束語

金屬切削液的整個生命周期應包括開發、使用及后處理。開發高性能、易降解的環保型切削液，可降低切削加工中的刀具磨損，并使切削液易于生物降解；建立實施完善的切削液管理、維護體系，可幫助使用者選擇適宜的切削液，同時提升其使用效果、延長其使用壽命；對切削液廢液進行資源化處理，可減少排放，緩解環境壓力。這些都是從金屬切削液角度助力制造業低碳化轉型的有效途徑，在該過程中切削液開發者及使用者應相互協作，共同推進“雙碳”目標的實現。