怎樣延長刀具在金屬加工中的使用壽命？  

工廠的化學專家們對金屬切削液總希望尋求最好的使用效果和最長的使用壽命。實際上，許多因素會影響成品質量、刀具壽命及加工后的廢液處理，這些因素正大大影響制造商的工作效率及成品性能。我們已經知道影響工作液性能的一個因素是工作液中溶入鹽（水中離子）的濃度，或者說是配液水的硬度。

　最近，好富頓國際公司的專家團隊致力于研究量化水的硬度對潤滑性的影響，并得到了一些驚人的結果。與某些企業的設想相反，他們認為使用低硬度水有利于刀具在攻絲操作中更長的使用壽命。相反，我們認為對某些切削液來說，增加水的硬度，可以提高刀具的使用壽命！此文概述了這一研究成果，并發表在2014年5月的“ the Society of Tribologists & Lubrication Engineers”年刊上。

　　金屬切削液通常是用水稀釋來形成乳化液、分散體、真溶液或它們的混合體。加入80%至97%體積比的水分，確保切削液有足夠的冷卻性能，在制造過程中適當的使用濃度帶給用戶最佳的應用及最好的經濟價值。

　　金屬切削液長期重復使用以減少浪費、降低成本及滿足法律法規對油脂的限制。該限制在 the Clean Water Act of 1970中予以說明，這一限制無形地刺激了切削液的使用時間。然而，隨著切削液的長時間重復使用，水中的某些污染物影響其特性，從功能上又降低了它們的使用壽命。從而凈化水也就應用而生。

反滲透水的崛起

        在20世紀70年代早期，很多更穩定的可以在單液槽或中央系統均可使用的長壽命的切削液產生了。然而，當化學家們將切削液的穩定性推得越來越高的水平時，水中的雜質漸漸影響長期甚至數年使用的切削液的特性。這種性能的下降主要是使用中水分蒸發導致溶液中鹽富集的結果。所以，配液時純凈水比自來水更受歡迎。

　　制造商最初用“離子交換”去除水中大部分的陽離子和陰離子凈化而得到的去離子水。隨著技術的進步，因為反滲透技術跟離子交換技術相比，成本上的優勢及膜的再生處理過程中用到更少的有害化學物質上的優勢，反滲透凈化水比去離子水越來越更受青睞。

　　在現代制造工業中，使用反滲透凈化水比20世紀70年代更普遍。The STLE Metal Working Fluid Education課程提倡用純凈水配液可以延長切削液的使用壽命，但任課老師提醒，在某些應用中，純凈水可能降低刀具的使用壽命。

　　實際上，現場觀察表明，系統中使用純凈水配液，操作中偶爾發現鉆頭、鉸頭或攻絲頭斷裂的現象，當系統的水硬度越來越高時，也就是說在金屬的加工過程中，進入加工口的乳液由于油及其它化學物質在工作液中反應而變松。下圖將說明這一理論。

水的制備：

　　好富頓的實驗，水是由Audubon Water Co. in Norristown, Pa.，用自來水通過納離子交換軟化器去除了鈣、鎂、鐵離子，再通過反滲透系統處理而制備的。處理前，自來水的硬度在300-600mg/L(用CaCO3表示，以下同)之間，兩道工序處理后，水的硬度不足1mg/L，電導率不足20 μS/cm。

　　以上得到的純凈水通過人工添加CaCl2?6H2O和 MgCl2使水硬度達到1000 mg/L，貯存備用。將此高硬度水用反滲透處理后的純凈水稀釋得到350 mg/L和700 mg/L硬度的試驗硬水。這些硬水可以在任何實驗室用化學試劑CaCl2?6H2O和MgCl2來制備。

切削液:

　　切削液的選擇：1個普通、1個油乳化型切削液、1個精制油的乳化型切削液、2個合成型切削液、1個植物油乳化型切削液，共5個樣品。所有的切削液都配成5%（體積比）濃度，也就是說50ml樣品加入到950ml水中，用低速攪拌器（100rpm）攪拌均勻，放在21℃的恒溫室中，靜置4小時。然后發現，普通油的樣品在硬水中不穩定，精制油的和植物油的樣品可以在800g/L硬水中穩定，而2個合成型的樣品可以在1000g/L的硬水中穩定。

金屬：

　　選取四種金屬：鑄鋁ANSI356，這是一種粗鋁，形成活性皂、高硅含量（Si 7%，重量比）；鋁6061，同樣形成活性皂，但比ANSI易加工；中低碳鋼AISI 1018；鑄鐵Dura Bar G2，也是易加工的。

加工：

　　加工方法是：精密鉆孔和鉸孔來攻絲，所用的絲錐是美國的YMW絲錐，是專用于黑色或有色金屬的攻絲，是“擠壓絲錐”而不是“切削絲錐”，以前的研究表明，前者比后者可以得到更可靠的數據。因為“切削絲錐”在咬入過程中產生的屑末將影響精度，而“擠壓絲錐”在咬入過程中，不產生屑末。絲錐直徑為6mm，且工作的轉數在400RPM 到900 RPM.之間變化，這取決于加工金屬的種類。

　　通過測量并記錄在金屬樣品中螺孔的平均扭矩來得知刀具的磨損，所用的絲錐來源于德國Microtap GmbH的“LabTap”儀器。平均扭矩用單位Ncm表示，所用的測試金屬是專用于“擠壓絲錐”鉆孔的。

　　步驟：配液用三種硬度的水：0mg/L、350mg/L、700mg/L硬度的水。每種切削液、每種金屬、每種硬度的水攻絲三個孔。鉆完每一個孔，將絲錐頭移開，用軟尼龍刷清掉碎屑片，再用異丙醇清洗，錐頭用壓縮空氣吹干，重新裝到絲錐上。下頁的四個圖中列出了每種金屬對不同切削液在各種硬水中扭矩變化結果。

　　兩種鋁材，在礦物油和植物油的兩種切削液的證實了前面的現場觀察的結果，系統中水硬度增加，潤滑性隨之增強。

　　對于鋼的攻絲結果，精制油和植物油切削液，潤滑性隨水硬度增加而增強。這可能歸功于攻絲1018鋼時，鋼對潤滑性要求高，而普通油的切削液中沒有潤滑劑成份。

　　鑄鐵的攻絲試驗中，隨水硬度的增加，扭矩的變化很小。

　　當然，測試是有限的，畢竟只用了五種切削液、四種金屬，水的硬度范圍也只是在1—700mg/L范圍內變化。作者也深知水的高硬度可能帶來很多不利影響，如過濾難、清洗性不好，切削中的碎片或切屑可能選擇性消耗體系中的某些添加劑，從而可能導致乳液破乳等。

　　這個實驗中，不容忽視當使用很低硬度的水時，泡沫或進入體系中的空氣的影響，當然忽視了高硬度水易導致切削液不穩定使浮油的增加及細菌滋生等。

　　然而，實驗驗證，對于某種切削液，低硬度水將神奇地降低金屬加工中刀具的壽命。

　　水的消耗速度及水的硬度對長期使用的切削液來說，將影響其特性，所以徹底地理解系統的動力狀態及水的性質對切削液的最佳使用是至關重要的。配備工作液的使用者必須仔細根據加工操作方式及切削液特性來選擇合適硬度的水，這也是很關鍵的。

　　切削液供應商可以幫助制造商評估他們獨特的操作調整切削液來最大化工作液的性能。作為全球的切削液供應商，好富頓可以提供全方位的化學品服務，并依據資深的工藝操作經驗，幫助客戶分析工藝，結合切削液的性能，分析水質并合理建議使用適當硬度的水。

　　好富頓仍在繼續研究并對揭示切削液的最優化特性提供見解、建議及工程服務，幫助制造商優化工作液體系及其工藝和設備的性能。

使用純凈水的利與弊

好處：

　　易混均勻

　　更均勻的乳化顆粒度

　　更高的潤濕和滲透性

　　更少的殘留物

　　減少過濾

　　少撇油

　　更好的生物穩定性（抗細菌和抗真菌性）

　　更好的抗腐蝕性

　　更低的使用濃度

　　更少的油污

　　更好的穩定性

不利：

　　在某些操作中減少刀具的壽命

　　更易產生泡沫

　　空氣易進入

　　攻絲測試結果  值越低絲錐扭矩也越小，這樣可以看出改善潤滑的多少。

　　攻絲6061鋁材時，圖上表明，兩個合成型的切削液受水硬度影響少，而精制油和普通油的乳化型，潤滑性隨水硬度增加而增強。

　　356鋁材和6061鋁材的結果相類似。普通油、精制油和植物油的乳化型切削液，潤滑性隨水硬度增加而增強。

　　對于ANSI 1018鋼來說，與鋁的結果有所不同，普通油及兩個合成型的潤滑性隨水硬度增加并沒有增強（或扭矩沒有下降），而精制油和植物油，潤滑性是隨水硬度增加而增強的。

　　攻絲鑄鐵時，圖示結果與其它金屬相比，有著完全不同的趁勢，隨著水硬度的增加，潤滑性變化很小。植物油的乳化型切削液潤滑性隨水硬度增加稍增強，而但扭矩減少的比例與其它金屬相比，是大大不同的。

統計結果

　　“+”表示在攻絲操作中隨水硬度增加扭矩下降有顯著變化的，“-”代表變化不明顯。

      鋁   鋼   鑄鐵

精制油   +    +     -

普通油   +    -     -

植物油   +    +    -

合成型   -    -     -