Chłodziwa ekologiczne w skrawaniu są stosowane ze względów na ochronę zdrowia pracowników jak również w wyniku zmian prawnych w obrocie substancjami czynnymi w ramach produktów biobójczych. Temperatury jakie występują bezpośrednio w strefie skrawania (ilustracja 1) wymagają stosowania cieczy chłodząco-smarujących, czyli płynów obróbkowych. Głównym celem stosowania tego rodzajów płynów jest odprowadzanie ciepła ze strefy obróbki i tym samym ograniczanie przegrzewania się narzędzia i przedmiotu obrabianego. Pozwala to na [1]:

• zmniejszenie tarcia powierzchni przedmiotu obrabianego oraz wióra o powierzchnie narzędzia,
• wydłużenie okresu trwałości narzędzia,
• skuteczniejsze usuwanie wiórów ze strefy obróbki,
• przeciwdziałanie powstawania narostu,
• lepszą dokładność geometryczną obróbki oraz jakości powierzchni obrobionej.

Przed cieczami chłodząco-smarującymi stawiane są przeciwstawne wymagania – dobre właściwości chłodzące i jednocześnie smarne. W przypadku właściwości chłodzących bardzo dobrze spełnia tę role woda, lecz nie posiada wymaganych właściwości smarnych i jest sprzyja powstawaniu korozji. Oleje mają dobre właściwości smarne, lecz niezbyt dobre chłodzące. W przemyśle wykorzystuje się oleje i emulsje olejowe – tabela 1 [3, 4].

Zarówno do emulsji olejowych jak i olejów wprowadzane są różnego rodzaju środki uszlachetniające. Jednym z przykładów są środki poprawiające właściwości olejów przy przy znacznych naciskach na powierzchnie natarcia (tzw. EP – zawierają związki siarki, chloru oraz fosforu). Sumaryczna ilość jonów chlorkowych i siarczanowych nie powinna przekroczyć 200 ppm [3]. Na powierzchni przedmiotu obrabianego powstaje swoisty film smarny (związki z żelazem przy wysokich temperaturach), który oddziela powierzchnię przedmiotu obrabianego oraz narzędzia. Oleje jako dodatek są stosowane w emulsjach olejowych w celu poprawienia właściwości smarnych.

Właściwości antykorozyjne uzyskuje się poprzez stosowanie sulfonianów, amin i amidów kwasów tłuszczowych. Koniecznymi środkami do utworzenia emulsji i zapewnienia jej trwałości są emulgatory (sulfaniany, mydła, syntetyczne detergenty). Estry, związki siarki i fosforu również poprawiają trwałość płynu chłodzącego. Wartość pH stanowi ważny wskaźnik kontrolny jak, a utrzymanie jego wartości na poziomie 9,0-9,6 istotnie podnosi właściwości antybakteryjne. W tym celu stosuje się domieszki aminów alkilowych czy boraminów. Wartość pH jako wskaźnik pozwala na identyfikowanie zbyt niskiego stężenia emulsji olejowej oraz procesu namnażanie się kultur bakterii.

Tabela 1.

Emulsje olejowe	Oleje
• mieszanina oleju z wodą w proporcjach od 10% do 95% wody wraz z emulgatorami, inhibitorami korozji, środkami konserwującymi oraz środkami bakteriobójczymi (biocydami); • woda to dobre właściwości chłodzące; • wystarczające właściwości smarne;	• głównie oleje mineralne oraz mieszane z olejami tłuszczowymi; • gorsze właściwości chłodzące; • dobre smarowanie i przeciwdziałanie korozji;

 

Płyny obróbkowe nie powinny się pienić w trakcie użytkowania. Dodatki mieszanek olejów silikonowych , emulsji woskowych oraz związków wapnia przeciwdziałają zjawisku pienienia się.

Warunki funkcjonowania płynów obróbkowych (cieczy wodnorozcieńczalnych) oraz stosowane  oleje tłuszczowe sprzyjają rozwojowi kolonii bakterii beztlenowych. Bakterie żywią się składnikami płynów obróbkowych i zanieczyszczeniami olejowymi. Przestój obrabiarki, które oznaczają, iż ciecze obróbkowe nie przemieszczają się również sprzyjają namnażaniu się bakterii. Bakterie wydalają substancje kwasowe obniżające wartość pH, tym samym stwarzając warunki korozyjne oraz następuje wydzielanie się nieprzyjemnych zapachów.

Kultury bakterii z reguły w sprzyjających warunkach szybko się rozwijają. Zaleca się monitorowanie m.in. poprzez metodę „dipslide” przy najmniej raz w tygodniu. Wynik badania bakterii otrzymywany jest po 2. dniach a w przypadku grzybów i pleśni po 4. dniach. Do tej pory w celu przeciwdziałania namnażaniu się bakterii stosowano tzw. biocydy (np. donory formaliny w klasycznie pojmowanych chłodziwach).

Biocydy to produkty biobójcze pochodzenie syntetycznego lub naturalnego, które są  stosowane w celu zwalczania organizmów szkodliwych poprzez działanie chemiczne lub biologiczne [2].

Za produkt biobójczy rozumie się „substancję czynną lub preparat zawierający co najmniej jedną substancję czynną, w postaciach, w jakich są dostarczone użytkownikowi, przeznaczone do niszczenia, odstraszania, unieszkodliwiania, zapobiegania działaniu lub kontrolowania w jakikolwiek inny sposób organizmów szkodliwych przez działanie chemiczne lub biologiczne”. Przy czym substancja czynna odnosi się do „substancji lub mikroorganizmów, w tym także wirusów i grzybów, zwalczających lub wywierających działanie ogólne lub specyficzne na organizmy szkodliwe” [2].

W przypadku substancjami czynnych i wykorzystującymi je produktów biobójczych głównymi aktami prawnymi są:

• Ustawa z dnia 9 października 2015 r. o produktach biobójczych (Dz.U. z 2015 r., poz. 1926).
• Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) Nr 528/2012 z 22 maja 2012 r. w sprawie udostępniania na rynku i stosowania produktów biobójczych (Dz. U. UE. L 167 z 27. 06.2012, str. 1z późn. zm.)
• Rozporządzenie delegowanego Komisji (UE) nr 1062/2014 z dnia 4 sierpnia 2014r. w sprawie programu pracy, którego celem jest systematyczne badanie wszystkich istniejących substancji czynnych zawartych w produktach biobójczych, o których mowa w rozporządzeniu Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 528/2012 (Dz. U. UE. L 294 z 10.10.2014, str. 1)

W załączniku V do rozporządzenia 528/2012 [7] zdefiniowano podział środków na grupy. Płyny obróbkowe zaliczono do tzw. grupy 13., czyli środków konserwujących do płynów stosowanych przy obróbce lub cięciu (przeciwdziałanie szkodliwemu oddziaływaniu drobnoustrojów w płynach stosowanych przy obróbce lub cięciu metali, szkła lub innych materiałów).

Ilość aplikowanych biocydów (związki chloropodstawione, heterocykliczne: siarka oraz azot; aldehydy, fenole) uzależniona jest od rodzaju płynu obróbkowego. Wspominane powyżej boraminy jako związku boru uznawane są za szkodliwe [3, 4].

Podawanie cieczy chłodząco-smarujących do strefy obróbki możliwe jest na kilka sposobów [1]:

• metoda wysokowydajna (od 10 do ponad nawet 200 l/min);
• metoda wysokociśnieniowa (np. przy wierceniu otworów głębokich, wysokich prędkościach skrawania, czy przy utrudnionej penetracji strefy skrawanie przez chłodziwo) – ciśnienie rzędu 0,7 -14 MPa;
• wewnętrznie poprzez narzędzie;
• w postaci mgły olejowej.

Chłodziwo jako materiał eksploatacyjny oraz w związku z aspektami ilościowymi jego aplikacji podczas obróbki stanowi istotny koszt – nawet 15% ogólnych kosztów obróbki. Dla porównania koszt narzędzi stanowi 3% kosztów ogólnych.

Skład płynów obróbkowych powoduje, że uznaje się je za stanowiące potencjalnie poważne zagrożenie dla zdrowia pracowników oraz środowiska naturalnego [1,3]. Wzrastająca świadomość w obszarze ochrony zdrowia i środowiska naturalnego oraz zmieniające się wymagania formalno-prawne stanowią czynniki wpływające na prace rozwojowe w zakresie płynów obróbkowych w celu opracowania skutecznych cieczy ekologicznych poprzez zachowanie pożądanych właściwości z jednoczesnym odchodzeniem od stosowania biocydów.

Współczesne ciecze chłodząco-smarujące (m.in. produkty firmy HENKEL), są płynami biostabilnymi (chłodziwa ekologiczne) bez konieczności stosowania produktów biobójczych. Chłodziwa ekologiczne o odpowiednim składzie powinny skutecznie blokować mechanizmy namnażania się kultur bakterii i grzybów. W konsekwencji nie następuje wydzielanie się nieprzyjemnych zapachów oraz formaldehydu. Za przykład może posłużyć płyn obróbkowy Bonderite® L-MR 90-2 produkowany przez firmę HENKEL, który zawiera mniej niż 25% oleju i pozbawiony jest biocydów.

Chłodziwa ekologiczne – za najważniejszy należy uznać sposób blokowania namnażania się bakterii. Aksjomat stanowi odpowiedniego stężenia roboczego, w tym zachowanie zachowanie właściwej wartości pH. Dodatkowo kompozycja płynu roboczego o charakterze drobnodyspersyjnym pozwala na aplikacje mniejszych stężeń w systemie/układzie (5-8% oraz do uzupełnienia 0,5-1,5%) [3].

Inni wytwórcy również dostarczają podobne chłodziwa ekologiczne, czego przykładem jest STATOIL Coolway BFF 25, który nie zawiera ani związków boru, ani biocydów, a stężenie robocze wynosi między 5 a 10% [4].

Przeciwdziałanie występowaniu nadmiernej ilości bakterii i grzybów w płynach obróbkowych (chłodziwa ekologiczne) jest rozwiązywane nie tylko poprzez specjalnie opracowane płyny ale także poprzez rozwiązania techniczne wykorzystujące światło ultrafioletowe lub ozon [4]. Niektóre spośród metod aplikacji chłodziw do strefy obróbkowej również wspomagają korzystne działania w zakresie BHP i ochrony środowiska [5, 6]. W tym ujęciu ciekawa jest metoda MQL (ang. Minimum Quantity Lubrication). W ramach jej realizacji chłodziwo może być aplikowane na dwa sposoby:

• mieszanina oleju i powietrza (wydajność oleju: 30-600 ml/h);
• mieszanina oleju, powietrza i dodatków.

W metodzie tej uzyskuje się znaczne zredukowanie ilości zużywanego płyny obróbkowego. Jednak metoda ta sprawdza się przy danych okreslonych obróbkach skrawaniem i obróbce danych materiałów.

Ważnym czynnikiem wpływającym na lotność stosowanych płynów jest ich lepkość – zagadnienia lotnych związków organicznych LZO – ang. VOCs – Volatile Organic Compounds. W tym zakresie przewiduje się potencjalny wzrost zapotrzebowania na płyny obróbkowe na bazie estrów, których lotność jest mniejsza niż środków na bazie olejów [3, 4].

Być może nie będzie możliwe całkowite wyeliminowanie biocydów z płynów obróbkowych stosowanych w obróbce skrawaniem. Wynika to z właściwości i możliwości alternatywnych rozwiązań. Pomimo tego chłodziwa ekologiczne stanowią przyszłość i jako takie powinny znajdować coraz większe zastosowanie. W każdym przypadku na znaczeniu zyskuje właściwa gospodarka płynami obróbkowymi, nie tylko w zakresie logistycznym, lecz także monitorowania ich stanu, w tym stężenia na bieżąco.

Źródło:

1. Jemielniak K., Obróbka skrawaniem, OWPW 1998
2. Galwas-Zakrzewska M., Biocydy w środowisku pracy, Bezpieczeństwo pracy Nr 11/2004
3. Materiały handlowe i informacyjne firmy HENKEL
4. Materiały handlowe firmy Statoil
5. S. Ekinovica, H. Prcanovic, E. Begovic, Investigation of influence of MQL machining parameters on cutting forces during MQL turning of carbon steel St52-3, The Manufacturing Engineering Society International Conference, MESIC 2015, Engineering 132 ( 2015 ) 608 – 614
6. Deiab I., Syed Waqar Raza, Salman Pervaiz, Analysis of Lubrication Strategies for Sustainable Machining during turning of Titanium Ti-6Al-4V alloy, Procedia CIRP 17 ( 2014 ) 766 – 771
7. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) Nr 528/2012 z 22 maja 2012 r. w sprawie udostępniania na rynku i stosowania produktów biobójczych (Dz. U. UE. L 167 z 27. 06.2012, str. 1 z późn. zm.)