وظایف اصلی یک سیال عملیات ماشین کاری فلزات کمک به برشکاری، فرزکاری یا شکل‌ دهی فلز و ارائه سطح کار خوب و  قطعه کار با کیفیت و در عین حال افزایش عمر ماشین‌ ابزار است. سیال سطح مشترک فلز- ابزار را خنک و روان می کنند همزمان  براده ها یا تراشه های فلز را از قطعه کار خارج می کنند. این سیال همچنین باید از زنگ زدگی داخلی قطعه کار بطور موقت قبل از پردازش یا مونتاژ بیشتر، محافظت کند. سیالات پایه آب باید مقاوم در برابر رشد میکروارگانیسم ها  و ایجاد بوهای نامطلوب  باشند.

نوع مواد افزودنی

افزودنی های شیمیایی مورد استفاده در فرمولاسیون سیالات عملیات ماشین کاری فلزات  دارای عملکردهای مختلفی هستند. اینها شامل امولسیون کنندگی، مهار خوردگی، روانکاری، کنترل میکروبی، بافر pH، متصل کنندگی، کف زدایی، پراکنده کنندگی و ایفا نقش مرطوب کنندگی است. بیشتر افزودنی های مورد استفاده مواد شیمیایی آلی هستند که بصورت آنیونی یا غیریونی هستند. بیشتر آنها مایعاتی هستند که برای سهولت در اختلاط توسط تولید کننده استفاده می شوند.

برخی از انواع ترکیبات شیمیایی مورد استفاده اساسا عبارتند از: اسیدهای چرب، آلکانول آمیدهای چرب، استرها، سولفونات ها، صابون ها، سورفکتانت های اتوکسیله، پارافین های کلردار، چربی ها و روغن های سولفوره، گلیکول استرها ، اتانول آمین ها، پلی آلکیلن گلیکول ها، روغن های سولفاته، روغنهای چرب و انواع باکتری کش ها و قارچ کش ها و انواع ترکیبات شیمیایی. بسیاری از این مواد شیمیایی در محصولات معمولی مراقبت شخصی و خانگی که در خانه‌ های ما یافت می‌شوند، استفاده می‌شوند. افزودنی های کاربردی مورد استفاده در سیالات عملیات ماشین کاری فلزات هر کدام سهمی  در ترکیب نهایی دارند. اثر افزودن هر ماده افزودنی توسط شیمیست فرمولاتور آزمایش می شود تا اطمینان حاصل شود که خواص بهینه یک سیال حفظ می شود. به طور کلی، یک سیال باید پایدار، کف کم و قابل بازیافت باشد. بسیاری از خواص افزودنی ها بطور انحصاری هر دو حالت در آنها قابل جمع نیستند. معمولا، اگر یک سیال پایداری  بیولوژیکی وخواص  سختی آب عالی  داشته باشد، ممکن است بازیافت آن دشوار باشد. اگر سیال روانکاری عالی تامین کند، ممکن است تمیز کردن آن دشوار باشد.

در ادامه خواص معمولی افزودنی‌ها و اهمیت آن برای تولید کننده و کاربر بررسی می‌شود.

• پایداری

سیال غلیظ باید بدون کدر شدن یا جدا شدن برای حداقل شش ماه نگهداری پایدار باشد. سیال باید در شرایط دمائی سرد و گرم برای ارزیابی امکان جابجایی و یا  انبار و نگهداری در آب و هوای زمستانی و تابستانی مورد آزمایش قرار گیرد. برخی از شیمیست ها ژل شدن، انجماد یا » دلمه شدن یا بریدن « سیال را بررسی می کنند که ممکن است نشان دهنده مشکلات مربوط به نگهداری باشد.

• پایداری در مقابل اکسید شدن

برخی ماده افزودنی پایداری در مقابل اکسید شدن را مهم می دانند. هوا دهی و گرم کردن سیال خنک کننده می تواند باعث تسریع در تخریب شیمیایی افزودنی اکسیداسیون  شود.

• پایداری امولسیون

در روغن های حل شونده، پایداری امولسیون حیاتی ترین ویژگی است. سیستم امولسیفایر باید بر اساس قلیائیت، اسیدیته و تعادل هیدروفیل-لیپوفیل(HLB)  متعادل باشد تا امولسیون پایدار و بدون جدا شدن کرم یا روغن روی سطح سیال تضمین شود. جهت انتخاب کارآمد امولسیفایرها درک سیستم HLB مفید است. سیستم HLB  در سال 1951 توسط ویلیام سی. گریفین از شرکت اطلس پودر  توسعه داده شد، و ممکن است برای همسان سازی HLB  مخلوط امولسیفایر با HLB  روغن مورد نیاز برای امولسیون شدن استفاده شود. عدد کمتر به این معنی است که امولسیفایر بیشتر لیپوفیلیک (محلول در روغن) است.  در حالی که عدد بیشتر به این معنی است که آبدوست تر (محلول در آب) است.

روغن های معدنی به طور معمول نیاز بهHLB  در محدوده 9 دارد. برای تشکیل یک امولسیون آب در روغن (به نام امولسیون معکوس که در آن روغن فاز پیوسته است) به یک مخلوط امولسیفایر با HLB 4 تا 6 نیاز است، در حالی که یک امولسیون روغن در آب (که در آن آب فاز پیوسته است) به امولسیفایرهایی با HLB در محدوده 8 تا 12 نیاز دارد. بطری های نشان داده شده در شکل زیر نشان می دهد که چگونه پایداری امولسیون تحت تأثیر تغییرات امولسیفایر HLB  قرار می گیرد.

بطری های نمونه حاوی امولسیون روغن در آب ساخته شده با امولسیفایرهایی با مقادیر مختلف HLB  :11در سمت چپ، 12 در مرکز، و 13 در سمت راست تصویر.

امکان خرید امولسیفایرهایی با مقادیرHLB  شناخته شده وجود دارد، اما HLB  را می توان با هم زدن مقداری امولسیفایر در آب و مشاهده مخلوط تخمین زد.

• HLB  برای 1 تا  4 امولسیفایر در آب پراکنده نمی شود.
• HLB  برای 3 تا6 امولسیفایر پایداری بسیار ضعیفی در آب دارد.
• HLB  برای 6 تا 8 امولسیفایر یک مخلوط شیری شکل می دهد که با گذشت زمان جدا می شود.
• HLB  برای 8 تا 10 امولسیفایر یک مخلوط شیری پایدار را تشکیل می دهد.
• HLB  برای 10 تا 13 یک مخلوط نیمه شفاف را تشکیل می دهد.
• HLB  برای 13 یک محلول شفاف در آب تشکیل می دهد.

امولسیفایرهای مختلف در فرمولاسیون سیالات عملیات ماشین کاری فلزات بکار برده می شوند، شامل ترکیبات آنیونی مانند سولفونات ها، صابون های اسید چرب (اسیدهای چرب خنثی شده توسط آمین ها یا کاستیک) و مشتقات پلی ایزوبوتیلن سوکسینیک انیدرید (PIBSA)  می باشند. امولسیفایرهای غیر یونی نیز مورد استفاده قرار می گیرند، از جمله اتوکسیلات های آلکیل فنل، اتوکسیلات الکل، آلکانول آمیدهای چرب (محصولات واکنش تراکم بین اسید چرب و آلکانولامین) و استرهای پلی اتیلن گلیکول .

• پایداری در برابر آب سخت

همه انواع سیالات برای پایداری آب سخت به دلیل افزایش تدریجی نمک های آب سخت در سیال مورد استفاده آزمایش می شوند. با تبخیر سیال، فقط آب دیونیزه شده حذف می شود و نمک های آب مانند کلسیم و منیزیم باقی می مانند. خارج شدن سیال روی قطعات نیز باعث کاهش حجم سیال می شود. با اضافه شدن بیشتر آب و کنسانتره سیال، نمک های بیشتری در مخزن جمع می شوند. کاتیون های کلسیم و منیزیم در سیال جمع می شوند. در نتیجه، در روغن های حل شونده، امولسیفایر سولفونات سدیم به سولفونات کلسیم تبدیل می شود، افزودنی که دیگر  امولسیفایر نیست. بی ثباتی امولسیون باعث جدا شدن روغن و از دست دادن

غلظت سیال می شود. در سیالات سنتتیک، مشکلات پایداری آب سخت به صورت تشکیل کف صابون روی سطح سیال و ماشین آلات قابل مشاهده است. معمولا  افزودنی‌های آنیونی ممکن است مشکلات پایداری آب سخت داشته باشند، در حالی که افزودنی‌های نوع غیر یونی نسبت به نمک ‌های آب سخت پایدار هستند. از عوامل کیلیت ساز (ماده ای که با اتصال به یون های فلزی ساختار حلقه ای پایدارتر تشکیل می دهد ) مانند EDTA نیز ممکن است برای حبس کردن یون های سختی آب کلسیم و منیزیم استفاده شود و باعث از دسترس خارج کردن آنها در  واکنش با امولسیفایرهای آنیونی شود.

• قابلیت اختلاط کنسانتره سیال

سهولت رقیق شدن کنسانتره سیال از منظر عملی مهم است. برای اطمینان از مخلوط شدن سریع و کامل، روغن باید بدون ژل شدن در آب » پخش شود «. اغلب کنسانتره سیال از قبل در بعضی نقاط مخلوط نمی شود و در نقطه ای از مخزن که ممکن است هم زدن کمی وجود داشته باشد باقی بماند. بدون اختلاط خوب، کنسانتره سیال می تواند ته نشین شود، در نتیجه به افزایش غلظت سیال آنطور که در نظر گرفته شده است کمکی نکند. ترکیبات با درصد صابون بالا و  کنسانتره دارای گرانروی زیاد می تواند باعث ایجاد مشکل اختلاط پذیری شود.

• کف

به دلیل هم زدن دائم، پاشش و چرخش مجدد سیالات عملیات ماشین کاری فلزات، کف به راحتی در مخزن ایجاد می شود. علاوه بر مزاحم بودن، کف با نقش روانکاری و خنک کنندگی سیال تداخل دارد. هوا روغن کاری نمی کند، بنابراین هوای وارد شده در سیال باعث بی اثر شدن سیال می شود. کف همچنین باعث مزاحمت و تداخل در  دید کارگر نسبت به قطعه کار  می شود و بر دقت و اندازه گیری ماشین کاری تأثیر می گذارد.

بسیاری از امولسیون‌کننده‌ها و افزودنی‌های روان‌کننده ممکن است در یک سیستم راکد به خوبی کارائی خود را نشان دهند، اما در صورت کف کردن ممکن است  به میزان محدودی مفید باشند. برای کاهش کف می توان از عوامل ضد کف استفاده شود.

• پسماندها/ قابلیت تمیز شوندگی

سیال نباید بر روی قطعات یا تجهیزات  ترکیبات چسبنده یا چسبناکی باقی بگذارد. برخی از بازدارنده‌های خوردگی بر پایه بور، مانند محصولات مبتنی بر صابون در آب سخت، می ‌توانند پسماند چسبناکی از خود به جای بگذارند. پارافین‌های کلردار و افزودنی‌ های روان‌کننده رنگدانه ‌دار می ‌توانند در عملیات تمیز کردن به سختی حذف شوند.

• بازدارنده خوردگی

سیالات برای خواص بازدارندگی خوردگی آزمایش می شوند. از آنجایی که آب رقیق کننده اکثر سیالات است، مهار خوردگی بسیار مهم است. برخی از افزودنی ‌ها فیلم تشکیل می‌دهند (آمین کربوکسیلات)، برخی بیشتر شبیه بازدارنده‌های فاز بخار (بورات‌های مونو اتانول آمین) هستند، در حالی که برخی دیگر در واقع یک روکش آلیاژی با سطح فلز برای ایجاد محافظت (آزول‌ها) تشکیل می‌دهند. هم آلیاژهای فلزی آهنی (آهن) و هم غیرآهنی (آلومینیوم، مس) را در نظر داشته باشید.

• روانکاری

افزودنی های آزمایش شده برای روانکاری را می توان برای به دست آوردن انواع مختلفی از خواص روانکاری، بسته به نیاز سیال، با هم ترکیب کرد.

روان کننده های لایه مرزی مانند روغن خوک، سولفونات های فوق قلیایی، استرها، صابون ها و روغن های سولفاته بین قطعه کار و ابزار روانکاری لایه مرزی ایجاد می کنند. این لغزندگی برای همه سیستم ها، به ویژه هنگام ماشین کاری آلومینیوم، ایده آل است. فلزات نرم نیاز به روان کاری لایه مرزی  دارند تا  از جوش خوردن ابزار روی قطعه کار آلومینیوم جلوگیری کنند، تا  جدا کردن فلز را امکان پذیر سازند.

مواد افزودنی کنترل کننده فشار شدید مانند گوگرد، کلر و فسفر در واقع در دمای بالا با سطح فلز، کمپلکس‌ های فلزی تشکیل می‌دهند. افزودنی‌ های کلردار با 40 تا 70 درصد کلر در افزودنی در مقایسه با افزودنی‌ های سولفوره شده با 10 تا 15 درصد گوگرد یا استرهای فسفاته با 5 تا 15 درصد فسفر مؤثرترین هستند. هر کدام مشکلات خودش را دارد، مواد افزودنی کلردار، به طور کلی، به دلیل نگرانی در مورد خطرات بهداشتی با احتیاط استفاده می شوند. مواد سولفوره می توانند فلزات را لکه دار کنند و به سرعت باعث ترشیدگی و بوی تعفن شوند. استرهای فسفات که کمترین اثربخشی در بین این سه را به عنوان روان کننده دارند، می توانند باعث رشد قارچ وکپک شوند زیرا فسفر یک ماده مغذی خوب است.

افزودنی های روانکاری هیدرودینامیکی تغییراتی در روانکاری لایه مرزی با توجه به گرانروی بالا در سیال ایجاد می کند. معمولا این اصطلاح هنگام توصیف روغن های برش پایه معدنی خام همراه با بهبود دهنده گرانروی استفاده می شود، در حالی که برخی از سیالات  سنتتیک با افزودنی های پلیمری با گرانروی بالا فرموله می شوند که ظاهری لغزنده و سفت به سیال می بخشند.

این پلیمرهای الاستیک ممکن است تحت برش و گرما گرانروی خود را کاهش دهند، اما اگر افزودنی های رئولوژیکی واقعی باشند، پس از سرد شدن  به گرانروی  اولیه خود باز می گردند.

• کنترل میکروبی

همانطور که آب در استخر برای کنترل رشد میکروبی نیاز به مواد شیمیایی دارد، سیالات عملیات ماشین کاری فلزات پایه آب به یک یا چند عامل کنترل میکروبی تایید شده توسط EPA  (میکروب کش‌ها) نیاز دارند تا به کاهش تعداد باکتری‌ها و کپک‌ها کمک کنند. میکروب کش های تغلیظ شده فرمالدئیدی معمولاً برای کنترل باکتری ها استفاده می شوند.

در حالی که سدیم پیریدینتیون اغلب برای کنترل کپک استفاده می شود. ارتوفنیل فنل یا پارا کلرو متا کرزول ممکن است زمانی استفاده شود که وجود مواد فنلی باعث مشکلات زیست محیطی دفع پسماند نداشته باشد. سیالات به اصطلاح مقاوم زیستی یا زیست پایدار گاهی اوقات بدون میکروب کش های ثبت شده از طریق انتخاب دقیق مواد تشکیل دهنده که تجزیه پذیری زیستی پایینی دارند، فرموله می شوند.

• ساختارهای شیمیایی

ماهیت شیمیایی بیشتر مواد افزودنی سیال فلزکاری آلی است. شکل های زیر و روبرو ساختار شیمیایی برخی از این افزودنی ها را نشان می دهد.

امولسیفایرها، بازدارنده های خوردگی و مواد افزودنی روان کننده همگی در فرمولاسیون سیالات فلزکاری  دارای اهمیت هستند.