切削液之环保

环保呼声高涨，囧途中的切削液路在何方

1. 切削液面临的压力

在制造领域，切削液是一类量大面广的消耗性辅助材料。它在制造过程中起着润滑、

冷却、清洗、防锈等多种有益的作用，在改善加工质量、提高加工效率、减少刀具

损耗、便于排除切屑等方面效果显著；与此同时，它又面临着多重压力。

1）性能压力：高速、高效、强力、重负荷、高精度等词汇常用来描述现代加工技

术的进步，这些新工艺都对切削液的内在品质、供液方法、供液压力和流量寄予更

高的期望；与此同时，新的机械工程材料（如新型铝合金、镁合金、钛合金等）和

切削工具材料（如新型硬质合金、金属陶瓷、复合涂层、金刚石、立方氮化硼）的

应用，都对切削液的性能提出更多特殊的要求。

2）经济压力：近十年来，一方面，国际油价上涨，使切削液的直接成本上升；另

一方面，各国的劳动保障和环境保护法规日趋严厉；企业需要增加劳保开支和废液

处理费用，导致使用切削液的间接成本增加，切削液面临日益增长的经济压力。

3）环境压力：切削液属油脂化工产品，其生产、运输和使用都受到严格的管制。

使用切削液产生的耗散物及废弃物会对劳动卫生和生态环境均构成一定的危害。近

来不断曝光的溢入河道、注入地下的工业废水污染事件，都有切削液的身影。当今

环保呼声高涨，囧途中的切削液路在何方？

2. 解决切削液生态环境问题的三条路线

其一是彻底摒弃切削液，采用干式切削技术，其中包括冷风切削、吹氧切削、液氮切削

等；其二是采用半干式切削技术，主要指微量切削液加工技术。其三是改造传统切削液，

将其负面影响降低到最小程度，使之成为环境友好的，并能被保护生态环境的法规所接

受。这三条路线互为补充，各有其优缺点和应用范围。

1） 干式切削

干式切削在加工过程中不使用切削液，可彻底避免切削液的负面影响，同时也放弃了切

削液所能带来的好处。干式切削面临的主要问题是切屑形成过程中润滑性差，导致刀-屑、

刀-工界面上摩擦剧烈，能耗大，发热多，加上冷却不力，因而刀具损耗快、工件热变形

等等；另一个不容回避的问题是机床与工艺装置的锈蚀以及工件的短期工序间防锈问题。

用干式（包括冷风、液氮）切削后，通常需要增加机床和工件的防锈处理以及之后的清

洗处理，特别是在高温、潮湿的地区和季节。其结果是减少了切削液却增加了防锈液、

清洗液；从总体上看，有时并不能有效地达到减轻环境负荷的目的。此外，加工过程中

的冲洗、排屑等方面的问题也需要特殊处理。干式切削的发展依赖于刀具材料、工件材

料、机床技术和切削技术的进步。从目前的技术进展情况来看，干式切削还只能在一小

部分加工领域中应用，有较大的局限性。

2）半干式切削

半干式切削主要指微量切削液加工技术，是一种技术上的折衷，既能部分保留湿式切削

的利点，又可减轻其负面影响，已经在一些加工领域取得了较好的应用效果，是目前绿

色加工技术的研究热点之一，有广阔的应用前景；但也存在着油雾污染问题以及在某些

加工场合润滑冷却不足之类的烦恼。

3）环境友好切削液

传统切削液受到的环境压力将会愈来愈严酷，进行改良和创新势在必行。不仅要继续提

高切削液的加工性能，更应该积极着眼于研究开发和推广应用低毒、低污染的环境友好

型切削液，其远景目标是开发、应用无毒、无污染的绿色切削液

（Green Cutting Fluid）。这是解决问题的根本途径，是实现绿色制造的重要步骤，

目前的研究十分活跃，任重而道远。以下重点讨论此话题。

3. 环境友好切削液

1）含义

环境友好切削液(Environmentally Friendly Cutting Fluid)指满足使用性

能和生态环境效应双重要求的切削液。这里所指的生态环境效应包括：切削液及其耗散

与废弃产物的毒性（Toxicity）和生态毒性（Eco-toxicity）以及生物累积性

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

（Resource Renew-ability）等。简言之，环境友好切削液既能满足切削加工的使用

要求，切削液本身及其耗散与废弃产物对生物和生态环境又不构成危害, 或在一定程

度上为生态环境所容许，资源可循环利用或容易再生【1】。

2）界定

如何界定切削液是不是环境友好的，目前还没有统一说法。一些发达国家已经相继建立

了环境标志组织，对环境友好的产品进行标识。如欧洲的“生态标志”、北欧四国（挪

威、芬兰、瑞典、冰岛）的“白天鹅”、德国的“蓝色天使”、法国的“NF 环境标志”、

美国的“绿色标记”等。产品要获得这些标志都必须满足相应的生态效应指标。我国也

已经开始切削液相关环境标准的研究工作。2010 年国家质量监督检验检疫总局公益性

行业科研专项《清洁高效基础制造工艺技术标准研究》启动。在这个项目支持下，由中

机生产力促进中心、济南库伦特科技有限公司、广州机械科学研究院等单位开展了《金

属切削液 有毒有害性评价导则》的研究，并于 2012 年提交了《金属切削液 有

毒有害性评价》国家标准立项申请，同年 12 月获得批准（国家标准计划编号：

20121362-T-469）。工作组由金属加工企业（用户）、切削液研究机构及生产企业共同

组成；技术归口单位为全国绿色制造技术标准化技术委员会；预计完成时

间 2014 年 12 月。

3）研究方向

近二十年来，环境友好切削液的开发研究围绕“无毒害、低污染、长寿命、高性能”

蓬勃展开。上世纪八十年代开始的亚硝酸盐代用品的开发研究已经取得了很大成绩。

在此基础上，围绕环境保护这一主题，切削液今后的开发研究方向可以归纳为限氯、

减氮、少乳、抑菌、抗雾、再生等几方面。

（1）限氯

氯化石蜡作为极压抗磨添加剂用于切削液由来已久，有很好的加工效果和长期的使用实

绩。但是，1984年美国NTP（National Toxicology Program）用含氯58~60％的C12

氯化石蜡和含氯40~43％的C23/24氯化石蜡进行了大白鼠和小白鼠的终身经口喂食试验。

1986年发表的研究报告确认，含氯58~60%以上的C12氯化石蜡对大白鼠和小白鼠均呈阳

性反应；而含氯40~43％的C23/24氯化石蜡的试验结果不确定。因此，将含氯60％的C12

氯化石蜡分类为可疑致癌物。后来的研究认为这类物质不会通过皮肤吸收。此后，国际

癌症研究机构（International Agency for Rearch on Cancer）将C10~C12短

链氯化石蜡划归入“可能有致癌性的物质B类”；此外，如果含氯切削液的废液在中规

模烧却设备中低温烧却处理时，有产生强致癌物二悪英的悬念。因此，日本于2000年将

含氯切削液从JIS标准中删除；欧盟于2004年对含有短链氯化石蜡1%以上的金属加工润

滑剂（包括切削液）实行管制使用。含硫添加剂或磺酸盐添加剂可以作为氯系添加剂的

代用品。这类添加剂单独或合并使用都可以达到或超过氯系添加剂的效果。

（2）减氮

水基切削液中大量使用含氮化合物。其中烷基醇胺类物质在维持切削液的碱性、防锈性、

防腐败性等方面都起着重要作用。但是，参考文献【11】认为，由于含氮化合物大都有

高的亲水性，难于与水分离，成为水体污染和富营养化的重要原因之一。此外，烷基醇

胺类物质还存在着安全卫生隐患，

如一乙醇胺的皮肤刺激和二乙醇胺的亚硝胺问题等。从长远来看，切削液中减少含氮化

合物有正面的生态环境效应。

（3）少乳

传统的乳化切削液含有大量的矿物油（原液中含量约为60~80%）。从其中分离来

的油分散落在地面后容易弄脏作业环境，覆盖在液面上使切削液呈缺氧状态，助长厌氧

性细菌繁殖，其中的硫酸还原菌会分解切削液中的硫分而释放出臭鸡蛋味，导致乳化液

提早腐败变质。使用微乳化切削液（约含矿物油10~30%）替代乳化切削液可以在一定程

度上减轻上述倾向。彻底的解决办法是用不含油的切削液。比如，改用聚醚

（Polyalkylene Glycol，PAG）等具有润滑性的物质来代替油类物质。将难溶于水的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，常温下溶解度

大，溶液透明；随温度升高其溶解度下降；若温度高于其浊点，则PAG析出，在摩擦界

面生成润滑膜；而且PAG与脂肪酸、磷酸酯等类极压剂有协同增效作用。

（4）抑菌

为了抑制微生物的生长繁殖，选择抗菌能力强的切削液是需要首先考虑的问题。添加防

腐杀菌剂可以在很大程度上解决微生物繁殖问题，但是有诸多副作用，尤其是对环境的

负面影响很大。因此，开发研究自身具有抗菌性能的切削液倍受重视。参考文献【15】

介绍了一些外国切削液企业的抗菌性切削液。其配方原则是避免使用能够成为微生物营

养源的物质；使用具有抗微生物能力的水溶性化合物，如：环氧丙烷加成到胺化合物中

形成的胺类衍生物、环氧化物加成型氨基酸化合物、羟基化动植物油脂，以及苯胺类、

环烷基胺类、吡咯烷类物质等。

（5）抗雾

油雾对工人健康和大气环境的影响是一个严峻的社会问题。在高速切削加工中，切削

温度较高，会产生烟雾、油雾、油蒸汽或分解放出有害气体，使车间空气受到污染，作业环

境恶化。尤其是使用油基切削液的场合更容易发生这些问题。长期在油雾环境下工作可能引

起呼吸器官损害。在使用乳化切削液、微乳化切削液的重负荷切磨削加工等场合，机床周围

也会发生雾状气氛。由于这种雾中的碱性物质和表面活性剂的作用，有时会刺激操作者的呼

吸器官粘膜（鼻腔等）。添加油雾抑制剂在一定程度上可以治标。彻底的解决办法是实现油

雾的完全回收和综合利用。

（6）再生

切削液的工作液使用一段时间后，会由于以下一些原因变成废液：

a. 微生物过量繁殖造成腐败、发臭；

b. 有效成分含量降低或失去平衡，出现分层、析出、沉淀，导致使用性能下降；

c. 固体颗粒物过多，导致切削液变脏、变质，严重影响加工效果。

上述原因可能单独出现，也可能同时发生。

切削液变成废液后，必须进行处理，使其达到工业废水排放标准才能排放到大自然。这

是传统模式、一次性使用。该过程即下图中的（A）模式。

取代上述传统模式的是废液再生处理和循环利用模式。其要点在于：当切削液变成废

液后，不是处理达标后排放，而是采用物理、化学、生物等处理方法，使其恢复到工

作液的原有状态，重新返回到供液池重复使用。这一过程可循环多次，能大大延长切

削液的寿命。该过程即下图中的（B）模式。

采用模式（A）、（B）切削液用户需要支付的费用项目比较如下表。

费用项目 （A）模式 （B）模式

切削液购入费用 需要 需要

需要 切削液配制（稀释）费用 需要

需要 切削液管理费用 需要

切削液废液处理设施和需要，进行物理、化学、生物处理，需要，仅限于除去浮油

费用 达到工业废水排放标准，费用高 和固体颗粒物，费用低

排污费用 需要 不需要

切削液调整剂 不需要 需要，用于恢复工作液

性能

切削液再次购入费用 需要量大 需要量少或不需要

水资源消耗量及费用 较高 较低

切削液废液再生处理和循环利用技术适合于各种

大中型切削液用户，尤其适合于集中供液系统。是解决切削液生态环境问题的重要发

展方向。