切削液中類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)鋁合金腐蝕行為的影響

李慶宏，陳景浩，申媛媛，郭章偉，董耀華，張麗，董麗華

（1.上海海事大學(xué)，上海 201306；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

為了提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命以及保證工件加工精度，切削液已成為鋁合金加工過(guò)程中一種常見(jiàn)的冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)[1-4]。切削液通過(guò)其配方中基礎(chǔ)潤(rùn)滑油與各類(lèi)添加劑的復(fù)配，在稀釋之后形成油水非均質(zhì)混合物。由于其兼具潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能與水的冷卻性能，能有效減少刀具與工件間的摩擦，并及時(shí)帶走切削液區(qū)域中的變形熱，從而達(dá)到延長(zhǎng)刀具使用壽命的目的[5-6]。還可通過(guò)調(diào)整切削液的pH 值、添加金屬緩蝕劑等方法來(lái)保證工件的表面質(zhì)量，避免金屬腐蝕。隨著金屬加工的高速化以及精密化發(fā)展，切削液的使用量已經(jīng)呈逐年上升的趨勢(shì)。在2015 年，全球的切削液使用量就達(dá)到了3845.6 萬(wàn)噸，且每年保持著1.2%的增長(zhǎng)速度[7]。

鋁合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、機(jī)械制造等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件制造。鋁合金在加工成形時(shí)，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間接觸切削液，切削液的狀態(tài)對(duì)鋁合金表面質(zhì)量會(huì)造成不同程度的影響。鋁合金在接觸性能較差的切削液之后，會(huì)出現(xiàn)白斑、黑斑、白毛或色澤暗啞等腐蝕現(xiàn)象。關(guān)鍵零部件在制造時(shí)一旦發(fā)生腐蝕，很難通過(guò)機(jī)械方式進(jìn)行修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致零件直接報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。切削液的劣化變質(zhì)會(huì)弱化各項(xiàng)性能，對(duì)加工過(guò)程、工件質(zhì)量造成不同程度的負(fù)面影響。有效成分的蒸發(fā)損失、熱老化、金屬離子、微生物污染等都是切削液發(fā)生劣化變質(zhì)的原因[8–11]。

微生物在切削液中的生物活動(dòng)是造成切削液劣化變質(zhì)的主要原因。由于切削液的使用環(huán)境是一個(gè)開(kāi)放式的供給-回流循環(huán)模式，切削液稀釋用的自來(lái)水、空氣中的灰塵、工人手部接觸以及液槽管道底泥殘留物等都會(huì)成為微生物進(jìn)入切削液的途徑。當(dāng)抑菌劑失效之后，切削液中的有機(jī)物會(huì)給微生物的新陳代謝提供大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[12]。目前有大量文獻(xiàn)集中報(bào)道了切削液中微生物的多樣性分析以及病原體的檢測(cè)方法，單以假單胞菌屬微生物就發(fā)現(xiàn)了8 種細(xì)菌（P. fluorescences、P. lubricantis、P. aeruginosa、P. pseudoalcaligenes等）[13]。切削液的微生物降解是功能失效的一個(gè)主要原因。Rabenstein 等人[14]在研究切削液的微生物降解行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)微生物能有效降解切削液中的油性劑、乳化劑、緩沖劑等添加劑，造成切削液穩(wěn)定性下降，pH 值下降。然而鮮有文章報(bào)道金屬在切削液中的微生物腐蝕（MIC）行為或機(jī)理。Zhang 等人[15]在研究鈷基碳化鎢硬質(zhì)合金在含硫酸鹽還原菌（SRB）的切削液中的MIC 時(shí)發(fā)現(xiàn)，SRB 會(huì)優(yōu)先腐蝕材料中的粘結(jié)相，并使腐蝕速率比無(wú)菌切削液中提高10 倍。鋁合金作為一種依靠表面鈍化膜抑制腐蝕的高活性金屬，腐蝕介質(zhì)的變化容易使其表面鈍化膜溶解，從而發(fā)生腐蝕。目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道微生物對(duì)切削液的作用機(jī)制，以及鋁合金在含微生物切削液中的微生物腐蝕行為，且目前針對(duì)鋁合金在切削液中腐蝕性能測(cè)試的方法較少。GB/T 6144—2010《合成切削液》中提出，采用鋁合金單片或疊片的切削液浸潤(rùn)方法，觀察金屬表面的色澤變化，從而判斷切削液對(duì)鋁合金的腐蝕性。然而該方法只能在宏觀腐蝕的角度上判斷鋁合金在切削液中的腐蝕行為，至于點(diǎn)蝕及相關(guān)的微觀腐蝕測(cè)試方法并沒(méi)有提及。

本文在上海某機(jī)械加工廠現(xiàn)場(chǎng)取樣的切削廢液中分離、純化以及測(cè)序得到一種廣泛存在于切削液中的細(xì)菌類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌，將其在不含抑菌劑的切削液中進(jìn)行擴(kuò)培。通過(guò)檢測(cè)類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌的生物降解行為對(duì)切削液的pH、穩(wěn)定性的影響，并測(cè)定切削液中TOC、TN 的變化，分析微生物對(duì)切削液酸堿平衡以及油水平衡的作用機(jī)制。結(jié)合材料微觀表征手段（SEM、倒置熒光顯微鏡以及表面輪廓儀）與電化學(xué)表征手段，分析5754 鋁合金在含菌切削液中的腐蝕行為。研究在含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液的油水乳液非勻質(zhì)腐蝕體系下，細(xì)菌對(duì)腐蝕介質(zhì)的影響以及微生物對(duì)金屬的腐蝕行為影響，分析切削液中類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)鋁合金微生物腐蝕機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用切削液由常州海納金屬助劑有限公司提供，為保證實(shí)驗(yàn)效果，將切削液配方簡(jiǎn)化為環(huán)烷石油基基礎(chǔ)油、非離子表面活性劑、三乙醇胺、油性劑以及消泡劑等。為提高生物擴(kuò)培速度，抑菌劑等生物抑制劑被排除在配方體系外。切削液的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足GB/T 6144—2010《合成切削液》中的要求，按5%（體積比）稀釋后，各項(xiàng)理化性能見(jiàn)表1。

表1 切削液理化性能數(shù)據(jù)Tab.1 Physical and chemical properties of the MCF

實(shí)驗(yàn)所用5754 鋁合金的化學(xué)元素組成為：Al 94.85%，Si 0.40%，Cu 0.10%，Mg 3.5%，Ti 0.15%，Mn 0.50 %，Zn 0.20%，Cr 0.30%。5754 鋁合金被切割為10 mm×10 mm×3 mm 的金屬試樣。用于電化學(xué)測(cè)試的試樣與銅導(dǎo)線焊接后，利用環(huán)氧樹(shù)脂將其封裝，使其在腐蝕介質(zhì)中的暴露面積為1 cm2。鋁合金試樣工作面利用150 目到1200 目砂紙逐級(jí)打磨，并分別用丙酮和去離子水將試樣進(jìn)行清洗，吹干，最后放置于無(wú)菌操作臺(tái)上，用UVC 紫外光消毒30 min，備用。

1.2 微生物分離及菌株鑒定

切削廢液采集于上海某機(jī)械加工廠一臺(tái)龍門(mén)銑機(jī)床的液槽中，該切削液已變質(zhì)發(fā)臭，無(wú)法滿足正常加工要求。利用無(wú)菌瓶在液槽中取樣后，保存于4 ℃的冰箱內(nèi)。將25 g/L 的LB 肉湯培養(yǎng)基（培養(yǎng)基成分：10.0 g/L 胰蛋白胨，5.0 g/L 酵母浸粉，10 g/L NaCl）與15 g/L 的瓊脂溶于水后，置于壓力蒸汽滅菌鍋中滅菌，隨后將滅菌后的液體傾倒于無(wú)菌培養(yǎng)皿中，待其冷卻后，形成LB 肉湯培養(yǎng)基平板。將切削液中的微生物按一系列比例稀釋之后，分別取少量稀釋液均勻涂布在LB 平板之上，在37 ℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)24 h 后，觀察培養(yǎng)皿中的菌落形態(tài)。分別挑選形態(tài)各異的菌落，在多次劃線培養(yǎng)純化后得到純菌株。將分離出的單一菌株在LB 肉湯培養(yǎng)基中擴(kuò)培后，與無(wú)菌甘油以2︰8 的體積比混合，在–80 ℃的冰箱內(nèi)保種。

單一菌株在LB 肉湯培養(yǎng)基中擴(kuò)培后，在生長(zhǎng)繁殖的對(duì)數(shù)期對(duì)菌株進(jìn)行菌株鑒定。利用E.Z.N.A. ?soil DNA Kit（Omega Bio-tek, Norcross, USA）提取細(xì)菌DNA，利用1%的瓊脂凝膠電泳測(cè)定其提取質(zhì)量，并利用NanoDrop2000（Thermo Scientific, Wilmington, USA）測(cè)定DNA 的濃度和純度。隨后以27F(5′-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3′)與1492R(5′-GGT TAC CTT GTT ACG ACTT-3′)為PCR 反應(yīng)的前引物與后引物，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行16S rDNA 擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋涸赑CR 儀（ABI GeneAmp? 9700）中，95 ℃預(yù)變性5 min，95 ℃變性30 s，56 ℃ 退火30 s，72 ℃延伸30 s 下進(jìn)行25 個(gè)循環(huán)，隨后在72 ℃下延伸10 min，最后在10 ℃下進(jìn)行保存。PCR 產(chǎn)物由上海美吉生物公司進(jìn)行測(cè)序，序列對(duì)比分析在NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行。

1.3 類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)切削液的微生物劣化

切削液以5%的比例稀釋為乳化液，利用磁力攪拌器攪拌2 h 后，形成水包油型（Oil-in-Water, O/W）乳化液，并將切削液放置于高壓蒸汽滅菌鍋中滅菌。隨后將類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在104CFU/mL 時(shí)，以1%的比例加入至無(wú)菌切削液中，放置于37 ℃下的恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，利用LB 肉湯平板測(cè)定細(xì)菌在切削液中的菌落數(shù)。在第1、5、10、15 d 時(shí)，取樣進(jìn)行切削液的微生物性能劣化測(cè)試分析。利用pH 計(jì)對(duì)切削液的pH 值（FE20，Mettler Toledo，Shanghai）進(jìn)行測(cè)定，利用激光粒度儀（NanoBrook，90plus zeta，Holtsville，USA）測(cè)定切削液乳液液滴的粒徑分布，利用油紅O對(duì)乳液進(jìn)行染色，并在光學(xué)顯微鏡（DM500，Leica，Germany）下觀察切削液乳液的液滴形貌。此外，對(duì)切削液中TOC、IC 與TN 的含量，利用TOC/TN 分析儀（Multi N/C 3100，Analytic Jena AG，Germany）進(jìn)行測(cè)定。

1.4 鋁合金在含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液中的腐蝕形貌表征

將金屬試樣分別浸泡于含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌的切削液與空白對(duì)照的切削液中，在不同時(shí)間將試樣取出，浸泡于2.5%的戊二醛水溶液中固化2 h。然后分別在10%，30%，50%，70%，90%以及100%的酒精溶液中脫水20 min，并使用高純氮?dú)獯蹈伞＠脪呙桦娮语@微鏡（SEM, JEOL JSM-7500F，JEOL，Japan）對(duì)材料表面的微觀形貌進(jìn)行表征，同時(shí)使用與SEM聯(lián)用的X 射線能譜儀（EDS）對(duì)材料表面的元素分布進(jìn)行檢測(cè)。利用表面光學(xué)輪廓儀（Contour GT，Bruker，Germany）對(duì)材料表面的腐蝕輪廓進(jìn)行表征。此外，對(duì)去除腐蝕產(chǎn)物后的材料表面腐蝕形貌也應(yīng)用相同的儀器進(jìn)行表征。腐蝕產(chǎn)物的去除步驟如下：將試樣浸泡于濃鹽酸中3～5 s，去除表面腐蝕產(chǎn)物，然后立即將試樣取出，分別浸泡于二丁基硫脲-鹽酸溶液與碳酸氫鈉溶液中，然后用去離子水將表面沖洗干凈，吹干后備用。用于微生物附著情況表征的金屬試樣在避光情況下于1 mg/L 的吖啶橙中染色10 min，使用高純氮?dú)獯蹈珊?，在倒置熒光顯微鏡（NIKON/Ti-E，Nikon，Japan）下觀察微生物附著情況。

1.5 電化學(xué)測(cè)試

利用三電極電化學(xué)工作站（CHI660，辰華，上海）測(cè)試鋁合金在切削液中的電化學(xué)行為，其中封裝好的5754 鋁合金為工作電極，鉑片為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極（SCE），并利用一定體積的實(shí)時(shí)含菌切削液與空白對(duì)照切削液為電解質(zhì)。在電化學(xué)測(cè)試前，將工作電極浸泡于電解質(zhì)中1 h 以上，直到開(kāi)路電位（OCP）穩(wěn)定，采用電化學(xué)阻抗譜圖（EIS）對(duì)工作電極表界面的電化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行表征，測(cè)試頻率為10–2～104Hz，擾動(dòng)振幅為±10 mV，測(cè)試結(jié)果利用Zsim 軟件進(jìn)行EIS 擬合。此外，對(duì)工作電極進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，電位掃描范圍為穩(wěn)定的OCP±2.5 V，掃描速率為5 mV/s。

2 結(jié)果及分析

2.1 類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)切削液的微生物劣化

利用細(xì)菌16S rDNA 基因27F 和1492R 引物測(cè)定16S rDNA 基因序列，獲得1403 bp 的基因片段，登陸號(hào)為L(zhǎng)K391695.1。為了確定其分類(lèi)地位，將分離出的細(xì)菌16S rDNA 基因序列在NCBI 中進(jìn)行BLAST分析，發(fā)現(xiàn)其與類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌具有99.86%的基因一致性。該種細(xì)菌也是關(guān)于切削液中微生物多樣性分布中常出現(xiàn)的一種細(xì)菌[16-17]。類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌是一種棒狀革蘭陰性菌，好氧、耐鹽的異養(yǎng)菌[18-20]。類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在切削液培養(yǎng)15 d 時(shí)的生長(zhǎng)曲線如圖1 所示。第0 d 時(shí)，切削液中微生物的數(shù)量級(jí)為102CFU/mL；微生物培養(yǎng)至第1 d 時(shí)，其總菌落數(shù)就達(dá)到了6.12×106CFU/mL；在第4 d 時(shí)，達(dá)到7.64×107CFU/mL 的峰值。之后，在切削液中的生物總數(shù)呈不斷下降趨勢(shì)，最后維持在2×107～3×107CFU/mL。該結(jié)果與大部分切削液中微生物濃度在104～1010CFU/mL 相符[21-22]。

圖1 類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在切削液中15 d 生長(zhǎng)曲線Fig.1 Growth curve of the P. pseudoalcaligenes in MCF for 15 days

類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)切削液pH 的影響如圖2a 所示。在接種細(xì)菌之后，切削液中的pH 值呈不斷下降的趨勢(shì)。在微生物的影響下，切削液的pH 值在第15 d時(shí)下降到了7.39，從堿性環(huán)境變?yōu)榱酥行原h(huán)境?？瞻讓?duì)照中，切削液的pH 值在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)依然維持在新液pH 值（9.25 左右）的范圍內(nèi)。pH 值是切削液防銹性能的一個(gè)重要指標(biāo)，相較于其他環(huán)境，金屬在堿性環(huán)境中不容易發(fā)生腐蝕。如圖2b 所示，切削液中的溶解氧在細(xì)菌的作用下不斷下降，從第 1 d 的6.64 mg/L 下降至第15 d 的0.64 mg/L，而空白對(duì)照中的切削液溶解氧含量，均一致保持在8.11 mg/L 以上。由于類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌是一種好氧菌，在生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程中會(huì)不斷消耗培養(yǎng)介質(zhì)中的氧氣，使切削液中的溶解氧含量在15 d 內(nèi)下降了90.36%。

圖2 類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在15 天內(nèi)對(duì)切削液pH 與溶解氧的影響Fig.2 Temporal trend in the MCF containing P. pseudoalcaligenes with varying pH(a) and dissolved oxygen(b) for 15 days

圖3 光學(xué)顯微鏡下乳液液滴形貌與粒徑分布Fig.3 Optical image of emulsion droplets in the fresh MCF(a), MCF containing P. pseudoalcaligenes for 5 days(b), MCF containing P. pseudoalcaligenes for 15 days(c), DSDs of emulsion droplets of fresh MCF and MCF containing P. pseudoalcaligenes for 15 days

切削液中的O/W 乳化液液滴在經(jīng)過(guò)油紅O 染色后，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出諸多紅色或紫色輪廓的液滴，如圖3 所示。由圖3a 可知，新液中液滴呈現(xiàn)了較為均勻的液滴尺寸分布，在光學(xué)顯微鏡下液滴尺寸為2～6 μm，表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在切削液中培養(yǎng)了5 d 后，乳液中液滴形貌表現(xiàn)出與新液中較大的差異，在尺寸上的浮動(dòng)范圍為 2～40 μm，且該切削液中液滴的分布并不均勻。值得注意的是，圖3b 中出現(xiàn)了諸多大液滴中包含中小液滴的聚結(jié)（coalescence）現(xiàn)象，說(shuō)明在微生物的作用下，乳液液滴間發(fā)生了聚結(jié)，液滴尺寸逐漸變大。當(dāng)細(xì)菌在切削液中培養(yǎng)了15 d 后，乳液中液滴的差異就更加明顯，液滴的最大直徑比新液中增加了近10 倍，并且已經(jīng)有完全被油紅O 染色的游離態(tài)基礎(chǔ)油出現(xiàn)。說(shuō)明切削液中的部分基礎(chǔ)油已經(jīng)完全脫離乳化狀態(tài)，以游離形態(tài)存在于切削液中。圖3d 顯示了激光粒度儀表征下新液與切削液中細(xì)菌培養(yǎng)15 d 后的乳液液滴粒徑分布，新液液滴的粒徑分布為一個(gè)單峰圖，乳液液滴粒徑集中分布在1.07 μm 左右，顯示出了較好的均勻分布。加入微生物影響因素后，切削液在第15 d 的粒徑分布變?yōu)榱穗p峰分布，分布區(qū)域變廣，集中程度變小，在1.12 μm 與8.93 μm 處出現(xiàn)了2 個(gè)集中分布。

通過(guò)在基礎(chǔ)油中添加乳化劑，在乳化劑作用下經(jīng)水稀釋后，形成穩(wěn)定的分散乳化液液滴。切削液維持其穩(wěn)定性的主要原因是，乳化劑在O/W 乳液液滴之間通過(guò)靜電力與空間位阻效應(yīng)在油-水兩相界面形成穩(wěn)定的液-液邊界，使其在外觀上為乳白色液體，一般乳液液滴的粒徑分布在1～10 μm[23]。切削液的穩(wěn)定性是切削液使用狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，切削液穩(wěn)定性變差一般會(huì)表現(xiàn)為乳液分層、沉淀、絮凝或乳液液滴聚結(jié)等[24]。本文中切削液穩(wěn)定性下降說(shuō)明微生物對(duì)液體中乳化劑的降解程度較為嚴(yán)重，使切削液乳液液滴中油相物質(zhì)與水的結(jié)合力不斷下降，最后會(huì)使基礎(chǔ)油脫離乳化狀態(tài)，以浮油狀態(tài)漂浮于液體表面，使液體中的環(huán)境由乳液液滴分散環(huán)境逐步變?yōu)樗匀芤涵h(huán)境。在乳化劑含量較高的環(huán)境中，乳化劑會(huì)在金屬表面形成吸附層，阻斷金屬與氧氣接觸，與緩蝕劑協(xié)同作用，避免金屬發(fā)生腐蝕。當(dāng)切削液中乳化劑被生物降解后，吸附于金屬表面的乳化劑也會(huì)相應(yīng)減少，使其不能在金屬表面形成吸附層，增加了金屬發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

切削液中TOC、IC 以及TN 被類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌的生物降解情況如圖4 所示。圖4a 中，TOC 的含量在細(xì)菌的作用下呈下降趨勢(shì)，TOC 從1 d 的15.42 g/L下降至15 d 的9.69 g/L，而IC 呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，從1 d 的189.03 mg/L 上升至15 d 的485.50 mg/L。從圖4b 中可知，切削液中TN 的含量在類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌的作用下也呈下降趨勢(shì)，從1 d 的564.77 mg/L 被降解至 15 d 的 142.16 mg/L?？瞻讓?duì)照切削液中TOC、IC 和TN 的含量則與新液中的結(jié)果基本保持一致，但由于在37 ℃的培養(yǎng)環(huán)境下會(huì)有一定程度的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致空白對(duì)照切削液中的數(shù)據(jù)會(huì)略有上升。

圖4 類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)切削液TOC、IC 以及TN 的降解效果Fig.4 Biodegradation of the TOC, IC, and TN in MCF under the influence of P. pseudoalcaligenes.

微生物的繁殖及新陳代謝需要從環(huán)境中不斷汲取碳源及氮源，從切削液的配方成分中可以得知，本文所用切削液提供了大量的有機(jī)碳源及氮源。由于類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌中存在著hmfABCDE 基因簇，轉(zhuǎn)錄后產(chǎn)生的脫氫酶能發(fā)生催化反應(yīng)，降解環(huán)境中的有機(jī)物[25-26]。從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在切削液中對(duì)碳、氮元素的消耗速度有所區(qū)別，在15 d 的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，對(duì)TOC 的降解率為37.16%，對(duì)TN 的降解率為74.83%，說(shuō)明該細(xì)菌會(huì)優(yōu)先降解切削液中含氮元素的有機(jī)物。配方中環(huán)烷石油基基礎(chǔ)油為分子量較大的烷烴有機(jī)物，表面活性劑與三乙醇胺則是含氮元素的有機(jī)物。相較而言，三乙醇胺的分子式比其他有機(jī)物更為簡(jiǎn)單，且分子量也較少。類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在眾多有機(jī)物中會(huì)優(yōu)先降解三乙醇胺，而三乙醇胺作為調(diào)節(jié)切削液pH 值的緩沖劑，在降解后會(huì)造成切削液pH 值下降，因此在圖2a 中展現(xiàn)為切削液的酸堿環(huán)境由堿性變?yōu)橹行浴：氐娜榛瘎┮材茉谌掖及繁唤到庵笙嗬^發(fā)生生物降解，并在切削液的穩(wěn)定性表征結(jié)果中有所體現(xiàn)。從圖4a 中IC 的升高可以判斷，類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌并不是直接將有機(jī)物降解為CO2和H2O，而是先將有機(jī)碳化合物降解成可溶性無(wú)機(jī)碳，改變了溶液離子濃度。根據(jù)DLVO 理論，防止乳液中液滴間發(fā)生聚結(jié)的現(xiàn)象是由于液滴之間的雙電層勢(shì)能以及范德華力。切削液中離子濃度的增加，會(huì)弱化液滴之間的雙電層勢(shì)能，因此在切削液中有機(jī)物發(fā)生生物降解變?yōu)闊o(wú)機(jī)可溶性物質(zhì)后，使液滴之間的排斥力減小，液滴發(fā)生聚結(jié)[27-28]，從而改變了溶液環(huán)境，增加金屬腐蝕傾向。

2.2 鋁合金微觀腐蝕形貌表征

類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在5754 鋁合金表面的附著情況如圖5 所示。細(xì)菌的DNA 被吖啶橙染色之后，在熒光顯微鏡下發(fā)出熒光，可以根據(jù)金屬表面微生物產(chǎn)生的熒光，判斷金屬表面微生物的附著情況。類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌染色之后，在熒光顯微鏡下呈現(xiàn)綠色熒光。在金屬浸泡于含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌的切削液中第1 天時(shí)，附著于其表面的微生物數(shù)量較少，隨著浸泡時(shí)間的增加，微生物數(shù)量呈上升趨勢(shì)。當(dāng)金屬浸泡15 d 時(shí)，其表面已經(jīng)附著了大量微生物。從圖5d 中的熒光可知，微生物已經(jīng)覆蓋了大部分的金屬表面。

圖5 微生物在5754 鋁合金表面附著情況Fig.5 Adhesion of microbes on the surface of 5754 aluminum alloy: the 1st day(a), 5th day(b), 10th day(c) and 15th day(d)

在不同切削液中浸泡后，鋁合金材料在不同介質(zhì)中的腐蝕形貌如圖6 所示。當(dāng)5754 鋁合金在無(wú)菌切削液中浸泡15 d 后，其表面保持著新鮮的完整表面。說(shuō)明在沒(méi)有被微生物污染時(shí)，鋁合金在切削液中保持著良好的耐腐蝕性。當(dāng)金屬在含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌的切削液中浸泡1 d 后，通過(guò)圖6b 可知，金屬基體并沒(méi)有遭受到腐蝕，表面的劃痕清晰可見(jiàn)。當(dāng)鋁合金在切削液中浸泡5 d 時(shí)，基體雖然整體保持較好的耐腐蝕性能，但是在局部已經(jīng)有腐蝕產(chǎn)物附著。當(dāng)浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至10 d 時(shí)，基體表面的大部分區(qū)域已經(jīng)被腐蝕產(chǎn)所覆蓋，但并沒(méi)有附著較厚的腐蝕產(chǎn)物，依然可以觀察到金屬基體的劃痕。浸泡15 d 后，表面的腐蝕產(chǎn)物附著現(xiàn)象就相當(dāng)嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物已經(jīng)將基體材料完全覆蓋，并可以通過(guò)SEM 觀察到微生物的細(xì)菌形貌。通過(guò)鋁合金表面元素分析（見(jiàn)圖6f）可知，相比于5754 鋁合金原材料的元素組成，浸泡于含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液15 d 后，表面成分發(fā)生了較為明顯的變化，出現(xiàn)了含量較高的C（13.53%）、O（7.9%）、P（4.21%）元素，這是構(gòu)成微生物遺傳物質(zhì)的必要元素。通過(guò)EDS 儀器表征，說(shuō)明在含菌的切削液中浸泡15 d 后，鋁合金表面有微生物的附著。

鋁合金在含菌切削液中浸泡15 d 后，將其表面腐蝕產(chǎn)物去除后的表面形貌如圖7 所示。由圖7a 可知，材料出現(xiàn)了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕情況，大部分的點(diǎn)蝕坑尺寸已經(jīng)達(dá)到點(diǎn)蝕后期階段，而更嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象為點(diǎn)蝕坑之間的融合。由圖7b 可知，與圖7a 類(lèi)似，出現(xiàn)了大量點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕尺寸為1～6 μm，并且出現(xiàn)了基體剝落的腐蝕現(xiàn)象。

圖6 鋁合金在無(wú)菌切削液和含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液中浸泡后的SEM 形貌Fig.6 SEM images of the 5754 aluminum alloy immsered in sterilized MCF for 15 days(a), immersed in MCF containing P.pseudoalcalgiens for 1 day(b), 5 days(c), and 15 days(d) and the EDS results of alminum alloy immersed in bio-contaminated MCF for 15 days

圖7 浸泡于含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液中15 d 鋁合金去除腐蝕產(chǎn)物后材料表面腐蝕形貌Fig.7 Morphologies of the 5754 aluminum alloy in MCF with P. Pseudoalcaligenes for 15 days after the corrosion products were removed: a) optical profiler image; b) SEM image

2.3 電化學(xué)表征結(jié)果

鋁合金在不同切削液介質(zhì)中的極化曲線如圖8所示，針對(duì)極化曲線的電化學(xué)擬合數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。圖8a為5754 鋁合金在空白對(duì)照切削液中浸泡不同時(shí)間的極化曲線，Ecorr在前5 d 內(nèi)發(fā)生了略小的負(fù)移，5 d之后，電位開(kāi)始發(fā)生正移，從1 d 的–0.875 V 上升至15 d 的–0.410 V。在空白對(duì)照切削液中，試樣的Jcorr呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，從1 d 的0.267 μA/cm2下降至0.096 μA/cm2。當(dāng)切削液中加入類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌后，工作電極表現(xiàn)出與在空白對(duì)照切削液中相反的動(dòng)電位極化行為。Ecorr持續(xù)負(fù)移，從1 d 的–0.730 V 下降至15 d 的–1.558 V。Jcorr在微生物的影響下不斷變大，從0.274 μA/cm2上升至0.473 μA/cm2。相比浸泡于無(wú)菌切削液15 d 時(shí)鋁合金的腐蝕電流密度，在微生物影響下，鋁合金的腐蝕電流密度增加了4.9 倍。從圖8b 中的陽(yáng)極極化曲線可知，加入了微生物后，鋁合金在含菌切削液中的擊穿電位不斷下降。說(shuō)明在微生物存在的條件下，隨著微生物在切削液中生長(zhǎng)繁殖時(shí)間的增加，鋁合金就越容易發(fā)生點(diǎn)蝕。從極化曲線的結(jié)果可知，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，5754 鋁合金在空白對(duì)照切削液中的耐腐蝕性能逐漸提高。雖然在1～5 d 時(shí)電位出現(xiàn)了略小的負(fù)移，這可能是因?yàn)榍邢饕褐械娜榛瘎┮约胺冷P劑尚未在金屬表面形成完整的保護(hù)膜，使Al2O3鈍化膜發(fā)生了溶解，進(jìn)而表現(xiàn)為鋁合金極化曲線所擬合的腐蝕電流密度上升。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附于表面的有效成分形成了具有防腐性的吸附膜，保護(hù)了金屬基體，使其Ecorr正移，并使Jcorr下降，增加了鋁合金在切削液中的耐腐蝕性。鋁合金在含菌切削液中由于微生物在金屬基體表面形成了生物膜，無(wú)法使具有保護(hù)性的吸附膜沉積于金屬表面，使金屬基體不斷發(fā)生腐蝕，遂使鋁合金在含菌切削液中的耐腐蝕性能不斷下降。

圖8 鋁合金在不同切削液中的極化曲線Fig.8 Polarization plots of 5754 alumimun alloy in different MCF: a) sterilized MCF; b) MCF containing P. pseudoalcaligenes.

表2 5754 鋁合金在不同切削液中的極化曲線擬合數(shù)據(jù)Tab.2 Fitting date of the polarization curves of 5754 aluminium alloy in different MCF media

鋁合金在空白對(duì)照切削液與含菌切削液中的Nyquist 圖見(jiàn)圖9。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁合金的阻抗弧半徑出現(xiàn)了先減小、后增大的趨勢(shì)。當(dāng)切削液中加入類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌之后，通過(guò)圖9b 中的結(jié)果可知，在微生物的作用下，阻抗弧半徑在5 d 時(shí)要比1 d 的阻抗弧半徑略大。隨著浸泡時(shí)間的增加，阻抗弧半徑急劇下降。浸泡15 d 后，表現(xiàn)出了較差的耐腐蝕性，且由于微生物在鋁合金表面形成了一層生物膜，電子的傳輸方式逐漸變?yōu)閿U(kuò)散控制。

圖9 鋁合金在不同切削液中浸泡1、5、10、15 d 時(shí)的EIS 譜圖Fig.9 Nyquist plots of the 5754 aluminium alloy after immersed in controlled MCF(a) and MCF containing P. pseudoalcaligenes(b) for 1, 5, 10, 15 days

對(duì)于鋁合金在切削液中的EIS 電化學(xué)行為，其在空白對(duì)照切削液浸泡1 時(shí)的等效擬合電路為Q(RQ)，如圖10 所示。基體表面僅形成雙電層電容，說(shuō)明鋁合金在無(wú)菌切削液中浸泡1 d 時(shí)，僅存在1 個(gè)時(shí)間常數(shù)。表明鋁合金在無(wú)菌切削液中的電化學(xué)腐蝕過(guò)程主要受電化學(xué)反應(yīng)控制，呈現(xiàn)均勻腐蝕的特征[29]。在其他切削液介質(zhì)中的等效擬合電路為R(QR(QR))，表現(xiàn)為2 個(gè)時(shí)間常數(shù)，在基體表面出現(xiàn)一層膜。對(duì)于在空白對(duì)照切削液的鋁合金來(lái)說(shuō)，由于極性添加劑的存在，可以很好地吸附于金屬表面，故該膜為乳化劑與緩蝕劑形成的保護(hù)膜。對(duì)于浸泡在含菌切削液的鋁合金來(lái)說(shuō)，由于切削液中有效成分的微生物降解，使得原本沉積在金屬表面的添加劑保護(hù)膜被微生物所降解，而微生物與EPS 取代該膜在金屬表面形成生物膜。鋁合金在切削液中的EIS 擬合數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，空白對(duì)照切削液的溶液電阻（Rs）在各時(shí)間點(diǎn)都保持著相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。含有類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液的Rs卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從129.4 ?·cm2下降至90.3 ?·cm2，說(shuō)明在微生物降解作用下，切削液中的有機(jī)物被降解為無(wú)機(jī)物從而增加了溶液的導(dǎo)電性。電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）在空白對(duì)照切削液中表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，從21.6 k?·cm2上升至27.9 ?·cm2，說(shuō)明基體金屬發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的難易程度增加，使5754 鋁合金在空白對(duì)照切削液中隨著浸泡時(shí)間的增加而表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性能。在含菌切削液中，Rct則表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，從19.3 k?·cm2下降至10.4 k?·cm2，說(shuō)明隨著浸泡時(shí)間的增加，5754 鋁合金基體表面的電荷轉(zhuǎn)移變得更加容易。

表3 鋁合金在不同切削液介質(zhì)中的EIS 擬合參數(shù)Tab.3 Fitting results of EIS of 5754 aluminium alloy coupons immersed in different MCF media

圖10 5754 鋁合金在不同切削液中的等效擬合電路Fig.10 Equivalent circuits of 5754 aluminium alloy in different MCF media

2.4 微生物腐蝕機(jī)理分析

切削液抑制鋁合金腐蝕主要通過(guò)2 種方式的協(xié)同作用：1）通過(guò)三乙醇胺緩沖劑將切削液的pH 值調(diào)整至堿性環(huán)境，使金屬在堿性環(huán)境中的腐蝕速率降低[30]；2）通過(guò)乳化劑與緩釋劑在金屬基體表面形成吸附層，達(dá)到抑制腐蝕的作用。類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌會(huì)劣化切削液，使其狀態(tài)發(fā)生改變。從2.1 中的結(jié)果中可知，類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在切削液中具有良好的繁殖情況，在15 d 內(nèi)能夠保持107CFU/mL 以上的微生物濃度，而切削液中的有效成分則為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且細(xì)菌對(duì)于有機(jī)物的降解是將有機(jī)物先降解為可溶性的無(wú)機(jī)鹽，提高了切削液中的離子濃度，增加了切削液的導(dǎo)電性。三乙醇胺的降解使切削液的pH 急劇下降，鋁合金在該酸堿環(huán)境中會(huì)具有更大腐蝕的傾向，腐蝕的嚴(yán)重程度也要嚴(yán)重許多。乳化劑的微生物降解首先會(huì)造成切削液的穩(wěn)定性變差，表現(xiàn)在切削液中乳液液滴粒徑增大。當(dāng)切削液中乳化劑濃度不足以維持油相物質(zhì)保持乳化狀態(tài)時(shí)，基礎(chǔ)油則會(huì)以游離態(tài)的形式存在于切削液中。基礎(chǔ)油持續(xù)脫離乳化狀態(tài)，將會(huì)造成切削液中介質(zhì)環(huán)境的改變，鋁合金試樣所處環(huán)境將逐漸由乳化液變?yōu)樗匀芤?，使得金屬表面電子與溶液中離子的交換更為容易。在表3 中體現(xiàn)為鋁合金在含菌切削液中的Rs與Rct不斷減小，進(jìn)一步加劇了鋁合金在含菌切削液中的腐蝕情況。此外，類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌在金屬表面于第10 d 時(shí)形成明顯的生物膜。從圖2b 中可知，細(xì)菌在生物膜上會(huì)不斷消耗金屬表面與溶液中的氧氣，鋁合金表面的鈍化膜被破壞后，由于沒(méi)有足夠的氧氣使基體上的Al 形成具有保護(hù)作用的Al2O3鈍化膜，使新鮮基體不斷暴露于腐蝕介質(zhì)之中，導(dǎo)致腐蝕速率不斷加快，在圖8 中表現(xiàn)為Jcorr不斷增大，EIS 結(jié)果表現(xiàn)為鋁合金在含菌切削液中的阻抗弧不斷變小?；w材料在生物膜下，由于鈍化膜的不完整性，基體發(fā)生式(1)與式(2)中的產(chǎn)氫化學(xué)反應(yīng)：

鋁合金基體通過(guò)上述2 種反應(yīng)中的其一途徑發(fā)生溶解，極易誘發(fā)點(diǎn)蝕，切削液中的H+透過(guò)生物膜不斷腐蝕鋁合金，擴(kuò)大點(diǎn)蝕，最終體現(xiàn)為腐蝕產(chǎn)物去除之后基體材料發(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)蝕情況。溶解的金屬離子不斷增加溶液的離子濃度，弱化了乳液液滴之間的雙電層勢(shì)能，使乳液液滴不斷發(fā)生聚結(jié)，形成大液滴，持續(xù)使切削液的穩(wěn)定性變差，形成切削液性能劣化與金屬腐蝕的惡性循環(huán)。

3 結(jié)論

1）在切削廢液提取分離出類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌，該菌株在切削液中具有良好的生長(zhǎng)繁殖狀態(tài)，在繁殖過(guò)程中會(huì)優(yōu)先分解如緩沖劑、乳化劑等含氮元素的有機(jī)物，使切削液的pH 值由9.25 降至7.39，并能降解乳化劑。pH 值與乳化劑含量的下降，改變了切削液狀態(tài)，使5754 鋁合金在含菌切削液中更容易發(fā)生腐蝕。

2）類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌對(duì)切削液中有機(jī)物的降解是先將有機(jī)物降解為可溶性無(wú)機(jī)物，增加切削液中的離子濃度，使乳液液滴發(fā)生聚結(jié)，降低切削液的穩(wěn)定性?？扇苄詿o(wú)機(jī)鹽濃度的上升，降低了切削液的溶液電阻，使切削液的導(dǎo)電性能上升，使5754 鋁合金表面更容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。

3）隨著浸泡時(shí)間的增加，5754 鋁合金在含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液中的耐腐蝕性能不斷變差，擊穿電位不斷正移，發(fā)生點(diǎn)蝕的傾向變得更加嚴(yán)重。浸泡于含菌切削液15 d 時(shí)的鋁合金，其腐蝕電流密度比浸泡于無(wú)菌切削液中的鋁合金高4.9 倍。隨著浸泡時(shí)間的增加，EIS 阻抗弧也不斷變小。5754 鋁合金在含類(lèi)產(chǎn)堿假單胞菌切削液中浸泡10 d 后，表面出現(xiàn)了生物膜，生物膜上的細(xì)菌不斷消耗材料表面的氧氣，使5754 鋁合金無(wú)法維持完整的鈍化膜，使基體不斷暴露于腐蝕介質(zhì)中。生物膜下的鋁合金發(fā)生點(diǎn)蝕，并隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕變得更加嚴(yán)重。