分析金屬加工液中有機醇胺對產品使用性能影響

朱建強，鄧勇躍，陳衛忠，江堯華

（江蘇潤美新材料有限公司，江蘇 連云港 222100）

隨著加工工藝的不斷變化，工件質量高精尖的要求提升，對現場加工的衛生環境和環保問題的逐漸重視，環保、健康、穩定的產品，以及科學、系統、合理的管理維護方式是所有金屬加工液企業正面臨的挑戰。金屬加工液（Metalworking fluids）具有潤滑、冷卻、防銹、清洗等諸多作用，其作為金屬加工領域的優化材料，應用產品在加工中能夠提高加工質量、效率，減少加工設備能耗。但是金屬加工液本身會影響到工作人員的人身健康，加工廢液沒有得到有效處理，還會帶來嚴重的環境污染。金屬加工液中的有機醇胺含量，對產品使用性能有非常直觀的影響，因此，需要在加工階段了解有機醇胺特性，從而充分發揮金屬加工液優勢，優化產品使用性能。

1 金屬加工液與有機醇胺

常見的金屬加工液包括切削液、乳化液、切削油、淬火劑等。參考礦物油含量將金屬加工液類別劃分為四類：礦物油含量在90%～95%之間的純油類金屬加工業；含量大于50%的乳化類；含量在5%～50%之間的半合成類；不含礦物油的全合成金屬加工液[1]。

從制造業角度分析，提高生產加工環境質量、環境保護等是制造業轉型升級的重要方向。我國作為國際市場中制造業產值相對較高的國家，金屬加工液需求量較高。但是金屬加工液在其使用過程中又往往成為危害職業健康與安全、造成環境污染的源頭[2]。

在制造業產品加工中，為了優化金屬加工液的性能，其還需要添加防銹劑、有機醇胺與表面活性劑等其他的添加劑。所有可使用的添加劑中，有機醇胺pH值、金屬保護性、乳化性相對穩定，也因此成為金屬加工液一種最常見的原料，廣泛應用于乳化液、半合成液等產品生產中。有機醇胺產品的合理選擇是能否達到金屬加工液所期望性能的一個關鍵因素，與之有關的性能包括堿值儲備性、緩沖性、pH值穩定性等[3]。

2 金屬加工液中有機醇胺的應用

2.1 基本原理

在產品加工時，可以通過PHS-25雷磁pH計檢測金屬加工液的pH值，再以現行標準檢測金屬加工液的腐蝕性、防銹保護性。原子吸收光譜儀可檢測出鈷金屬離子濃度，作為切削工具鈷金屬溶出性分析的參考依據。應用比色法得到溶液變色情況，以此作為磨削工具膠黏劑、砂粒溶出性分析的參考依據。利用pH計、聞測兩種方式檢測有機醇胺硼酸鹽pH值、氣味，從而分析其生物穩定性。綜合各項性能與檢測數值，了解金屬加工液中的有機醇胺對產品使用性能的影響[4]。

2.2 有機醇胺對產品使用性能的影響

2.2.1 pH值穩定性

添加有機醇胺主要是為了賦予金屬加工液所需的堿值儲備性能，保持金屬加工液pH值的穩定性，而且有機醇胺可以為金屬加工液提供足夠的緩沖能力。通過觀察發現2-氨基-2-甲基丙醇、一乙醇胺的堿性最強，三乙醇胺堿性較弱。伯胺的堿性和提高pH值的能力比叔胺強。此外，根據不同體積分數下醇胺水溶液檢定得出的pH值可知，三乙醇胺溶液pH值隨其體積分數變化相對較小，保持pH值穩定性能力相對較強[5]。

2.2.2 金屬腐蝕與保護

對比鋁金屬腐蝕程度可知，當金屬加工液pH值超過8.5時，鋁金屬表面氧化鋁膜穩定性較差，容易因高堿性加工液導致鋁金屬受到腐蝕。按照相關標準，在（55±2）℃環境下，選擇容量為100g、質量分數為2.5%的醇胺水溶液，采用檸檬酸將pH值調整到8.8，將提前打磨好的鋁標準試片放入到醇胺水溶液中浸泡24h[6]。利用原子吸收光譜儀檢測醇胺水溶液中的鋁離子質量分數。根據觀察可以發現，二甘醇胺、二乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇、一乙醇胺對鋁金屬的腐蝕較小，其溶解的鋁的質量分數低于1.0×10-5%。三乙醇胺對鋁金屬的腐蝕程度最高，鋁離子質量分數最高可達2.35×10-4%。

對比銅金屬腐蝕程度可知，金屬加工液中的有機醇胺可能會和銅金屬表面產生化學反應，隨之在銅表面生成氧化銅膜，從而腐蝕銅金屬。在堿性條件下，銅金屬離子容易結合有機醇胺形成不同形式的絡合物，從而在金屬加工液內發生溶解，造成加工液溶液變色。

根據ASTM D130腐蝕性能測試標準測試金屬加工液性能。在溶液測試環節，需要用到100g、質量分數為1%的醇胺溶液，同時設定溫度為（55±2）℃。將已經打磨完畢的銅標準試片放入醇胺溶液中浸泡24h，利用原子吸收光譜儀檢測醇胺溶液銅質量分數。最終可以發現二甘醇胺不會在紫銅表面形成嚴重腐蝕，一乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇對紫銅的腐蝕程度較高。

對比鐵金屬防銹保護性能可知，新生態的金屬表面和大氣中的水分發生反應，從而產生銹斑。當添加了有機醇胺類物質后，降低了金屬表面催化活性，一定程度上減緩了銹斑的產生速度。金屬加工液有機醇胺和金屬之間發生作用，隨即在金屬表面生成不溶性的致密氧化膜，該氧化膜可有效隔斷空氣中的水蒸氣，解決金屬電化學腐蝕的問題。按照防銹性能測試標準進行檢測，檢測對象為質量分數為5%的醇胺溶液，設定測試溫度為（35±2）℃，濕度為95%，將測試時間調整為3h。檢測結果表明，有機醇胺可以起到鑄鐵防銹作用，一乙醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇具有較好的氣相防銹性能。

2.2.3 儀器與工具使用期限

碳化鎢工具鈷金屬溶出將直接影響到工具的實際使用期限。對于溶入加工液中的鈷而言，其有可能造成操作人員過敏等癥狀，威脅操作人員的人身健康。同時，鈷在廢液處理階段，也會因處理不合理導致環境污染。一般而言鈷溶出量一旦有所增多，將導致pH值降低，繼而出現金屬加工液變色的情況。選取質量分數為1%的醇胺溶液，其中添加質量分數為0.15%的鈷粉，利用檸檬酸調節溶液pH值到9.0，然后在磁力攪拌下反應時間21d，最后使用原子吸收光譜儀檢測有機醇胺溶液中的鈷質量分數。對比發現二甘醇胺鈷溶出小，2-氨基-2-甲基丙醇溶液對于鈷的保護效果小于一乙醇胺。三種乙醇胺溶液中，乙醇胺和鈷離子結合后會生成絡合物，鈷粉表面附著的鈷進入溶液后可以改變溶液的顏色，而二甘醇胺、2-氨基-2-甲基丙醇溶液無明顯顏色變化。

砂輪的主要原料為膠黏劑和磨料，考慮到金屬加工液包含的活性物質可能會使膠黏劑發生溶解，導致磨料脫落和砂輪變形，縮短其使用期限。為此，將綠碳化硅GC砂輪放入質量分數為1%的醇胺溶液中，再以檸檬酸調節溶液pH值至9.00，在（50±2）℃的恒溫條件下浸泡7d。通過比色法觀察溶液顏色的變化情況，最終發現五種金屬加工液中常用的醇胺對綠碳化硅GC砂輪無明顯的溶出反應。

3 結語

從溶液性能角度來說，金屬加工液中添加有機醇胺，可以起到改善與優化金屬加工液穩定性的效果，從產品使用性能角度而言，有機醇胺會從多個維度影響金屬加工液性能。為此，加工制造環節需要正確認知有機醇胺對產品使用性能的干擾，利用金屬加工液具有的多重優勢，從本質上提高產品性能，一方面可以延長產品使用壽命，另一方面有助于提高金屬加工液應用水平，為今后制造業轉型發展中有機醇胺的使用積累經驗，繼而推動我國制造業的飛速發展。