“雙碳”目標下金屬切（qiē）削液低碳化途徑的探討

1 序言

自（zì）2020年9月中國於（yú）第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣（xuān）布，二氧化碳排放（fàng）力爭於2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和後（hòu），國家相關部門圍繞“雙碳”目標出台了一係列（liè）節能減排的指導意見。據統計，我國製造業產生的碳排放量約占總量的30%～50%，所以（yǐ），加快推進製造業的（de）綠（lǜ）色低碳化轉型迫在眉睫[1]。綠色製造的核心是（shì）節約資源、降低排放、保護環境，需要對產品的（de）整個製造過（guò）程進行（háng）綜（zōng）合（hé）考量，以做到高資源利用率、低環境影響。

2 開發高性能、易（yì）降解的環保型金屬切（qiē）削液（yè）

金屬切削液作為製造業的“血液（yè）”，是影響其綠色低（dī）碳轉型的關鍵因素之一。金屬切削液（yè）是指金屬切削加工過程中所使用的助劑，主要起（qǐ）潤（rùn）滑、冷卻、清（qīng）洗（xǐ）及防鏽的作用。目前，市場上的金屬（shǔ）切削液大多由（yóu）基礎油、防鏽劑、乳化劑、分散劑（jì）、防（fáng）黴劑及其他（tā）助劑等化學（xué）成分構成。主要存在以（yǐ）下問題：基礎油及添加劑主要來自（zì）於石油產品（pǐn），耗費大量（liàng）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（wù）毒性；使（shǐ）用或（huò）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（bú）易降解，環保處理負擔沉重。

基於（yú）此，金屬切削液（yè）的（de）開發者及使（shǐ）用（yòng）者應努力協同解（jiě）決以上問題，以促進“雙碳”目標的實現及製造業的平穩發展。

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（zī）源的同時，其生物降解性差，廢液難於處理，造成沉重的環境負擔。此外（wài），切削液添加劑種類繁多，其中不乏一些對人（rén）體及環境有害的品類，如常用（yòng）的極壓添加（jiā）劑短鏈氯（lǜ）化石蠟，不易降解，易在生物體內富（fù）集（jí），可致癌、致畸、致死。常用（yòng）的無機鹽（yán）防（fáng）鏽劑亞硝酸（suān）鈉與切削液中（zhōng）的有機堿結合可生（shēng）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（shì）放出（chū）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（yóu）作為基礎油，並使用新（xīn）型無毒無害的添加劑替代傳（chuán）統有毒有害的添加劑，開發出高性能、易降解的環保型（xíng）切削液已成為行業的發展趨勢。

現以筆者團（tuán）隊所（suǒ）開發的（de）植物油基鈦合金切削液為例，說明以植物油（yóu）替代礦物油後，為切削液在潤滑性能（néng）及生物降解率方麵所帶來（lái）的改善（shàn）。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（fèn）數）（%）

對其進行機床切削測試（shì），分析其（qí）對刀具磨損的（de）影響（以（yǐ）後刀（dāo）麵（miàn）磨損量＞0.2mm為試驗停止節點），並與某商用（yòng）礦物油基鈦合金切削液進行對比。測試條（tiáo）件見表2。
表2 機床切削測試條（tiáo）件

切削液對刀片磨（mó）損影響的測試結果如圖1所示，切削液對（duì）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（dāo）片壽命的影（yǐng）響

由圖1、表3可知，相比於礦物油基商（shāng）用液，在鈦合金切削加工中使用植物（wù）油（yóu）基切削液（yè）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（bèi）。

測試（shì）植物（wù）油基鈦（tài）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（liàng））去除率表征切削液的生物降解率，測試（shì）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（yè）的生物降解（jiě）率（lǜ）明顯優於礦物油基商用液，可有效降低後續廢液處理的壓力，減輕（qīng）對環境的影響。通過（guò）以上（shàng）測試結果可（kě）知，相比（bǐ）於傳統的礦物油基切削（xuē）液，植物油基切削液潤滑性（xìng）能更強、生物降解率更高。通過（guò）以植物油（yóu）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（jiàng）低刀（dāo）具損耗、低汙染（rǎn）的效果。

此外，天津科技大學（xué）的李想等以廢舊機油為基礎（chǔ）油製備了滿足（zú）使用要求的乳化切削液，在降低切削（xuē）液對石油資源消耗的同時還使廢（fèi）舊機油得到了資源化利用，為切削液的低碳化發（fā）展（zhǎn）提供了一種選擇[2]。

3 建立金屬切削液管理、維護體係

即便是性能良（liáng）好的切削液，若使用不當、維護不佳也會（huì）出現（xiàn）諸多問題，如（rú）鏽蝕（shí）、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（xuē）液，還（hái）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，並降低（dī）切削液的消耗（hào）與排放。但對於大多數企業而言，由於金屬切削液技術涉及（jí）多門學科，管理難度大，存在問題多，缺乏（fá）熟（shú）悉（xī）切削液相關知（zhī）識的專職人員，對切削液（yè）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，建立一套係統而完整的切削液管理、維護體係對於提升製造業的加工水平及降耗減排尤為重要。

金屬切削液的管理、維護體係應包（bāo）括：切削液的選擇（zé）、切削（xuē）液的更換及切削液的維護三個方麵。其中，切削液的選擇應對（duì）使用工廠（chǎng）的類型、機床類型、加工工藝、工件材質、刀具材質、稀釋水水質、機床供液係（xì）統、油（yóu）品倉庫存儲（chǔ）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（chōng）分考慮，綜合評估（gū），選擇（zé）最適宜的產品。下（xià）麵對各種類型的切削液性能進行比較歸納，用於指導實際加工時切削液的（de）選擇，見表6[3]。

選擇適宜的切削液後，在開始使用之前應對機床（chuáng）內原有的切削液進行（háng）更換，切削液的更換包括：清理液槽及循環係統（tǒng）、對液（yè）槽及循環係統進行消毒、配製合適濃度的新液等步驟。更換完畢後，若要使（shǐ）切削液（yè）發揮好的使用效果，仍需對其（qí）進行維護。在（zài）日常維護中，一般應對切削液（yè）的外觀、濃度、pH值（zhí）、電導率、水質硬度、泡沫、防鏽性能及微生物菌落數等指標進行監（jiān）測（cè），若指標發生異常時，應（yīng）及時對切（qiē）削液進行相（xiàng）應調整；同時，還需（xū）保證循環管路的暢通，保持切削液的日常（cháng）循環，並及時去除切削液（yè）中的雜油及其他雜質[4]。

表（biǎo）6 切（qiē）削液性能比較

筆者（zhě）團隊曾結合現場實際情況為深圳市某企業（yè）製定了一套金屬切削液管理、維護體係，企業使用者實施該（gāi）體係前後（hòu）切削液的使用情況見（jiàn）表（biǎo）7。

表7 切削液管理、維護體係實施前後切削液使用情況

通過表7可以計算出，管理（lǐ）、維護體（tǐ）係建立（lì）實施之後，該企（qǐ）業切削液用量降低了37.5%，且使用周（zhōu）期大幅延長。此（cǐ）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，建立並實（shí）施金（jīn）屬切削液管理、維護體係可在很大程度上促進機（jī）械加工（gōng）過程中的（de）降耗、減排（pái）。

4 對金屬切（qiē）削液廢液進（jìn）行資源（yuán）化處理

建立並實施（shī）金屬切（qiē）削液管理、維護體係（xì）可有效提升其使（shǐ）用壽命（mìng），但隨著切削液使用時間的延長，有效成（chéng）分不斷（duàn）損耗（hào），微生物不斷增殖，最終仍會導致腐敗、變質，喪失（shī）使用（yòng）性能，形成切削液廢液。切削液廢（fèi）液具有成分複（fù）雜、性質差別巨大、穩（wěn）定性高、不易降解的特點，其COD可達105～106 mg/L，如何對廢舊切削液進行有效處理已經（jīng）成為（wéi）環保領域的（de）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（chù）理，處理成本高（gāo），處（chù）理困難，環境壓力大。切削液廢液中主要含有（yǒu）基礎油、各種添加劑、金屬（shǔ）離（lí）子、微生物及其代謝產物、無機鹽及水等。其中，水作（zuò）為切削液工作液的稀釋（shì）介質（zhì），在廢液中的含量最大，按照質量分數計劃一般大於80%。使用者通過較為簡單的工藝，將廢液中的（de）水經過分離、淨化達標後，繼續（xù）作為切削液稀釋水（shuǐ）使用（yòng），實現廢液中含量最大組分的（de）資源化利用，是切削液廢液減（jiǎn）排的一種行之有效的方（fāng）法。

為（wéi）探（tàn）究該方法的可行性，筆者團隊（duì）采用（yòng）絮凝沉降-膜處（chù）理（lǐ）工藝，對切削液廢液中的水進行回收處理，檢測其相關指（zhǐ）標，並分析以其作為稀釋水（shuǐ）配製的切削液工作液是否滿足使用（yòng）性能。切（qiē）削液廢液資（zī）源化處理流程如圖2所示。

圖2 切削液廢液（yè）資源化處理流程

所選用切削液（yè）廢液（yè）來自東莞市某鋁合金（jīn）加工企業，為半合成型切削液。廢液及資源化處理後納濾出水的性（xìng）狀及相（xiàng）關理化指標見表8。

表8 切（qiē）削液廢液（yè）及（jí）資源化處（chù）理後納濾（lǜ）出水的性狀及相關理化指（zhǐ）標

廢液（yè）資源化處理（lǐ）後的納濾出水，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（lǜ）為（wéi）2200μS/cm，COD為6800mg/L，遠不滿足GB18918—2016中規定（dìng）的工業廢水三級標準，不可（kě）直接排放。

以（yǐ）納濾出水為稀釋（shì）水配製切（qiē）削液（yè）工作液，按照質量分數計算濃度為5%，測試其基本理化指（zhǐ）標（biāo），並與以（yǐ）去離子水為稀釋水配製的工作液進行對（duì）比，結果見表（biǎo）9。

表9 切削液工作液基本理（lǐ）化指標

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

測試（shì）結果如圖3、圖4所示。

表10 攻螺（luó）紋扭矩測試條件

圖3 切削液GCr15軸承鋼攻螺紋扭（niǔ）矩

圖4 切削液6061鋁合金攻螺紋扭矩

以攻（gōng）螺紋過程中的平均（jun1）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（xìng）越好。由測試結果可知，對於GCr15軸（zhóu）承鋼和6061鋁合金，兩組工作液（yè）所取得（dé）的平均扭矩（jǔ）值（zhí）相近，潤滑性能相當。結合表9，說明以廢液資源化處理後的納濾出水為稀釋水配製的切（qiē）削液工作（zuò）液，其相關性能與以去離子水配製的工作液相近，可滿足使用需求。

可見，通過較為簡單（dān）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於切削液工作液（yè）的配製。既降低了廢液的處理（lǐ）難度、處理成本，又使其中的水得以循環（huán）利用，減少了水資源的消耗和廢液（yè）的排放量，進一（yī）步助力製造（zào）業的低碳、減排（pái）。目前，該工藝已在提供切削液廢液的東（dōng）莞（wǎn）市某鋁合金加工企業應用，並取得了廢液排放率降低80%的良好效果（guǒ）。

此外，李雪偉以銅包鐵粉作為類Fenton反應催（cuī）化劑，采用破乳—類Fenton氧化—pH回調—混（hún）凝（níng）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（chéng）利用機械格柵—pH調節—隔油池—氣浮—生物池工藝處理（lǐ）切削液廢水，出水可回用於生產和生活[7]。

5 結束語

金屬切削液的整個生命周期應包括開發（fā）、使用及後處理。開發（fā）高性能、易降解的環保型切削液（yè），可降（jiàng）低切削加工（gōng）中的（de）刀具磨損，並使切削液（yè）易於生物降解；建立實施完善的切削液管理、維護體係，可（kě）幫助使用者選擇適宜的切削液，同時提（tí）升其（qí）使用效果、延長其使用壽命（mìng）；對切削液廢液進行資源化（huà）處理，可減少排（pái）放（fàng），緩（huǎn）解環境壓（yā）力（lì）。這些都是（shì）從金屬切削液角度助力製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（zhě）應相互協作，共同推進“雙（shuāng）碳”目標的（de）實（shí）現。

參考文獻：[1] 胡鞍鋼．中國實現2030年（nián）前碳達峰目標及主（zhǔ）要途徑[J]．北（běi）京工業大學學報（社會科學版），2021，21（3）：1-15.[2] 李想，曹雅星，周忠偉，等．廢機油製備的乳化切削液及其性能研究[J]．軸承，2021（2）：47-51.[3] 金屬加工雜誌社，清華大學天津高端裝備研究（jiū）院．金屬加工油液（yè）選用指南[M]．北（běi）京：機械工業出版社，2021．[4] 李環．切（qiē）削液在應用中出現的問題（tí）及措施[J]．華通技術，2007（Z2）：56-57.[5] 高坤，程娟娟. 機械加工行業廢切削液處理方法研究進展[J]. 中國機械，2014（19）：81-83.[6] 李雪偉. 廢切削乳化液處理工（gōng）藝（yì）研究[D] . 武漢：武漢科技（jì）大學，2018.[7] 陳（chén）益（yì）成. 某汽車製造廠切削液廢（fèi）水處（chù）理工程（chéng）實例[J]. 廣東化工， 2019，46（11）：164-165.

本文發表於（yú）《金屬加工（gōng）（冷加工）》2022年第（dì）1期20-24頁，作者：季華實驗室、清華（huá）大學天津（jīn）高端裝備研究院 劉騰飛；清華大學、天津清潤博潤滑科技有限公司 戴媛靜（jìng） ，原標題：《“雙碳”目標（biāo）下金（jīn）屬切削（xuē）液低碳化途徑的探討》。