金属加工液技术趋势

全球咨询和研究公司柯莱恩公司（Kline）称，2017年全球金属加工液销量为250万吨，其中，水溶性金属加工液的需求量占了总数的一半；金属切削液和金属成型液占据了大约80%的市场，切削液和成型液要按体积用水稀释3%～10%来使用，假设平均稀释浓度为5%，切削液和成型液的更换频率至少为一年一次，那么，估计每年要有67亿加仑的水用来稀释金属加工液；

尽管以前从乳化油分离的废水会经过简单的处置后再排放，但是现在的金属加工液废水要经过处理符合当地水质法规才能排放，此外，金属加工液自身的特性也有助于废水处理；从二十世纪初首次使用以来，由于水的冷却效果比油好，水溶性金属加工液在整个市场中所占的份额不断增加，同时，机器运行速度的增加让金属加工液冷却的作用也受到了重视；

然而，水既不是很好的润滑剂，也不是很好的缓蚀剂，因此，除了化合物，所有的金属加工液都含有油和添加剂，添加剂可以加强基础油的内在润滑属性，金属加工液的添加剂包括：pH缓冲剂/缓蚀剂/偶联剂/泡沫抑制剂/杀菌剂；

金属加工液和水的转换率从每天少于1%～15%不等，无论转换率如何，金属加工液的使用寿命都有限制，与传统的金属加工液相比，环保型金属加工液更容易处理；

金属加工液的终端消费者要求供应商提供环境友好型的水溶性流体只是时间问题，虽然目前环保型金属加工液的研究还处于起步阶段，但在未来几年会得到长足发展；

环境友好型金属加工液

环境友好型金属加工液的鉴定标准包括：生物降解性/水生毒性/生物蓄积性；与矿物油相比，植物油的这些性能要更好；

在半合成的金属加工液配方中基础油的含量占了30%～70%，用更环保的替代品取代环烷基油和石蜡基油是生产环境友好型金属加工液的重要举措；

为了制造环境友好型的金属加工液，研究人员一直在研究作为基础油原料的甘油三酯（植物油）的性质，在2012年1月的《国际机床与制造杂志》上，马来西亚大学的研究人员报告说，在许多情况下，由植物油配制的金属加工液在性能优于由矿物油配制的金属加工液的性能；例如，在2004年“日-美”研讨会上美国化学工程师协会的一篇“灵活自动化”研究报告中，研究人员通过攻丝扭矩测试比较了五种基础油：水溶性环烷油，50:50的环烷烃石蜡油混合物，菜籽油/大豆油/生物基合成三羟甲基丙烷酯，结果表明，与石油基流体相比，生物基和水溶性金属加工液的攻丝扭矩效率更高；

此外，丹麦大学的研究人员使用AISI 316L不锈钢板，比较了五种植物油基切削液和商用矿物基切削液的性能，研究结果发表在2004年5月的《材料加工技术杂志》，在钻削过程中，植物油基切削液可以延长钻具的使用寿命，改善切削破碎的性能，降低磨损和切削力；

值得注意的是，菜籽油/酯油混合物的钻具使用寿命比参照物矿物油延长了177%，此外，与矿物油相比油菜籽混合物的平均推力比矿物油降低7%，切削缠结现象也明显减少了；

2018年1月，发表在《清洁生产杂志》的一项研究发现，以40米/分钟的切削速度和0.14毫米/分钟的进给速度作业时，含有0.5%硫化钼纳米颗粒的椰子油相对于传统的金属加工液，加工性得到了改善；

尽管植物油的短期性能优异，但其热稳定性和氧化稳定性不太好，凝固点高，防腐蚀性能差，不过，最近针对植物油氧化稳定性的研究取得了一些进展；

伊朗Gorgan农业科学和自然资源大学的研究人员证明，从橄榄树/茶树中提取的天然抗氧化剂可以代替合成添加剂，从而降低成品的毒性，尽管这项发表在2013年《食品科学与技术杂志》上的研究主要是食品级润滑剂，但是它表明了，在水溶性金属加工液中可以使用类似的天然抗氧化剂；

2015年，印度科学院的研究人员使用椰子油为基础油，食品级乳化剂聚山梨酯85，聚山梨酯80和纯度为99.98%的三乙醇胺，以及一些添加剂（从印楝树的茎叶/柠檬草/印度石莲花/棕榈糖制成的过滤糖浆中提取成分制成的精油）配制了一种金属加工液，其中，基础油/乳化剂/添加剂的混合比例为5:4:1；

与矿物油基金属加工液相比，几乎在每一次实验中，配制的金属加工液的切向力和进给力都要更低；当受到几种常见的细菌污染时，椰子油基金属加工液和对照油的密度一样，与矿物油配方相比，植物油配方既不支持细菌生长，也不抑制；虽然研究测试数据令人鼓舞，但实际上配制的金属加工液性能尚未得到广泛评估，尽管当前的研究表明有希望用作替代基础油，但仍需要严格的现场试验和评估；

从植物油中提取的脂肪酸甲酯（FAME）是矿物油的另一种可持续替代品，FAME与甲醇/乙醇等酒精进行酯交换改性，酯化能够简化植物油的性能；印度马尔德（Malnad）工程学院的研究人员比较了在最小润滑条件下，环氧甲酯/环氧化油/麻风树的原油与用于车削和钻孔AA 6061-T6铝合金的矿物油性能，环氧化植物油是多元醇化产生的增塑剂；在切削深度为1.5毫米/车削作业的切削速度为221米/分钟时，矿物油和麻风树原油的切削功率分别是1.6千瓦和0.72千瓦，和麻风树原油相比，环氧化油的性能更好；

虽然植物油和石油基础油之间的性能差距变得越来越小，但是植物油的价格仍然比较贵，水溶性金属加工液采用植物油作为基础油的可能会在法规和终端市场遭遇许多问题，但是环保的属性远比成本重要；

环保型功能添加剂

把脂肪酸甲酯用作基础油，价格昂贵，但是用作润滑添加剂可以降低生产成本；

科研人员对脂肪酸甲酯进行了初步研究，证明他们是有效的润滑添加剂，到目前为止，大多数关于脂肪酸甲酯的研究都是有关其在机油和燃料中的使用问题，研究显示，脂肪酸具有优异的润滑油性，但存在氧化稳定性和低温可操作性的问题；低温可操作性不会影响脂肪酸甲酯在金属加工液中的使用，但是氧化稳定性必须得到改善才能大力推广脂肪酸甲酯在金属加工液中的应用；

乳化剂用来确保乳化油和半合成金属加工液的油溶性和水溶性成分不会分离；

埃及石油研究所（Egyptian Petroleum Research Institute）的研究人员利用废弃的聚氨酯生产出乙醇化聚氨酯（GPU），然后使用亚油酸和油酸，以及从蓖麻/椰子/菜籽油水解得到的酸来酯化乙醇化聚氨酯，并制成五种不同的酯；

研究人员把2ml的合成乳化剂与90ml的蒸馏水混合，加入5ml的植物油（菜籽油/椰子油/蓖麻油），然后添加1克的吐温-40（聚氧乙烯脱水山梨糖醇单棕榈酸酯）用作辅助表面活性剂，配制出5种金属加工液配方；

研究人员把这15种混合物放在25℃的高温下以5000rpm的速度混合15分钟，然后再25℃下放置14天，在第14天，以蓖麻和菜籽油为基础的乳剂，其中含菜籽/椰子/蓖麻/油酸GPU酯类化合物，它们稳定性都为97%，而椰子油配方和所有与亚油酸GPU酯混合的配方的稳定性都大大降低了；

研究人员还通过ASTM D655测试方法评估了实验配方对铜的腐蚀抑制性能，在第1天和第8天，不含GPU酯的配方的腐蚀等级分别为5和2，ASTM D655的评分范围从10（无表面腐蚀）到0（100%表面腐蚀），第1天，添加了GPU酯类化合物的所有流体的评分为10，到了第8天，评分为8或9；

研究人员没有评估实验配方对黑色金属的腐蚀抑制性能，尽管如此，他们的研究表明，聚氨酯废料和植物基材料可用于生产有效的合成乳化剂；

几家为润滑行业生产的特种化学品制造商已经开发出了符合环境友好型金属加工液标准的产品，例如，越来越多的胺类化合物用为低毒性的添加剂和缓缓蚀剂，希望润滑油制造商的新品很快能得到行业的支持，在行业评论期刊中也能得到相应的数据支撑；

虽然环保型金属加工液的研究已经取得了进展，也具有进一步发展的机会，但是价格和性能就很可能是决定环保型金属加工液市场份额增长速度的关键因素；

文章来源：首诺润滑智库；

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