鈦合金由於（yú）具有卓越的高（gāo）溫力學性能、抗腐蝕性能以及高比強度等優點, 在國防（fáng）軍（jun1）工領（lǐng）域得（dé）到了廣泛應用. 但其機械加工性（xìng）能很差, 被認為（wéi）是最難的加工材料之一. 自50 年代以（yǐ）來, 人們從（cóng）刀具材料和形狀、表麵處理[ 1] 、加工工藝參數及潤滑劑等[ 2] 不同角（jiǎo）度來研究鈦合金的加工過程, 並獲得了大（dà）量有價值的信息（xī）. 但如（rú）何（hé）改善其加工過程的摩擦學行為至今仍是研究的焦點[ 3] .

      攻絲( tapping) 是一種工況條件比較（jiào）苛（kē）刻（kè）的機（jī）加工工（gōng）藝, 而對（duì）鈦合金的攻絲加工非常困（kùn）難, 加工（gōng）過程中絲（sī）錐（zhuī）很容（róng）易磨損、卡死甚（shèn）至（zhì）崩斷. 攻絲扭矩試驗能夠較好地模擬鈦合金加工的實際工況, 而其（qí）中的金屬陽離子（zǐ）對添加劑的摩擦學性能影響很（hěn）大[ 4] . 本文作者通過攻絲扭矩試驗來考察含Na+ 、K+ 、Ca2+ 及Ba2+金屬陽離（lí）子的4 種水基添加（jiā）劑在鈦合金加工過程中的摩擦和潤滑（huá）特性（xìng）, 進而討論（lùn）不同金屬陽離子的摩擦學作用機理.

      1　實驗部分

      1. 1　添加劑（jì）的（de）製備

      所用溶劑為分析（xī）純試劑, Ba ( OH) 2、Ca ( OH) 2、NaOH 和KOH 均為分析純試（shì）劑, 十二烷基聚（jù）氧乙烯醚磷酸酯（zhǐ）( do decy l polyethyleneox y phosphate, 簡記為DPP) 的平（píng）均分子量為1 039, 聚氧乙（yǐ）烯醚聚合度n為7, 有效（xiào）含量大於97% . Ba ( DPP ) 2、Ca ( DPP ) 2、NaDPP 及KDPP 的合（hé）成按以下反應式進（jìn）行:

      所得產物均為淡黃色膠狀產物, 在水中具（jù）有良好的溶解性. 產（chǎn）物（wù）經紅外（wài）光（guāng）譜和（hé）核磁共振分析確認為目標產物.

      1. 2　攻絲扭矩試（shì）驗和表麵分析

      采用MRG-005 型金屬加工液（yè）攻絲扭矩模擬評定試（shì）驗機( 濟南試驗機廠製造) 進行攻絲扭矩試驗, 其試樣接觸形式如圖1 所示. 采用標準試樣絲錐, 在一（yī）定（dìng）的轉速下, 對注滿切削液的標（biāo）準試樣螺母坯件進行攻絲加工, 通過傳感器連續記錄攻絲過程中主軸的扭矩, 在（zài）選（xuǎn）定的時間範圍( 或轉動次數) 內對記錄的扭矩（jǔ）數值進行積分, 算出其平均扭矩. 試驗采用的M10×1. 5 絲（sī）錐由漢中刀具廠製造, 材料為H2HSS 高速鋼; 螺母材料為Ti-6Al-4V 合（hé）金.

      稱取各添加劑配製含質量分數( 下同) 4. 0%的水溶液, 待添（tiān）加劑（jì）完全溶解後備（bèi）用, 其（qí）性能外觀見表1.

      所選參考切削液為（wéi）上海（hǎi）石油商品（pǐn）研究所提供的標準油樣, 其主要添加劑成分是2. 5% 氯化石蠟和2. 5%硫化烯烴. 此外, 選用ARAL 公司的Ar al 450EP 鈦合金切削液進行對比試驗, 其濃縮液外觀呈琥珀色透明（míng）油狀( 推薦使用濃度為（wéi）5. 0%) .

      加工後的螺母（mǔ）用丙酮和石油醚超聲清洗並幹燥,用JEM-1200EX 型掃描電子顯微（wēi）鏡（jìng）( SEM) 觀察（chá）鈦合金螺母的加工表麵（miàn）形貌. 螺母（mǔ）加工表麵的（de）XPS 分析在PHI-5702 型多功能X 射線光電子能譜儀上進行,采用通過能量（liàng）為29. 35 eV 的MgKA線（xiàn）作為激發源,以汙染碳C1s的電子結合能作為參考內（nèi）標, 儀器分辨率為0. 3 eV.

      2　結果與討論

      圖2示出了含添加劑（jì）的水基切削液潤滑下（xià）Ti合金攻絲加工中的攻（gōng）絲扭矩隨加工周次變化的關係曲線. 可以看出, 在攻絲加工過程中, 開始階（jiē）段扭矩隨著絲錐的切入迅速上升, 達到最大值以後扭矩開始下降, 這主要是切削寬度變化所致. 此（cǐ）外, 含（hán）有不同（tóng）添加劑（jì）的切削液作用下扭矩的變化（huà）情況也不相同. 雖然高化學活性的參考油在鋼鐵材料攻絲時平均（jun1）扭矩隻有7. 5 N·m, 但其在本（běn）文實驗條件下的潤滑作（zuò）用不佳.含Ba( DPP) 2 切削液的（de）攻絲扭矩（jǔ）最小, 我們推測這是由於該添加劑在切削過程中具有特殊的摩擦化學作用機理導致的.

      根據平均扭矩計（jì）算所得的對應於各切削液的攻絲效率如（rú）圖3 所示. 可以看出: KDPP、Ca ( DPP) 2、Ba ( DPP) 2 以及ARAL 450EP 的攻（gōng）絲效率（lǜ）均大於100%; 而NaDPP 的攻絲效率略遜於參考油, 其（qí）中Ba ( DPP) 2 的攻絲（sī）效率最高, 甚至優於ARAL 450EP 鈦合金（jīn）切削液, 是一種（zhǒng）在鈦（tài）合金加工中非常有應用前途的添（tiān）加劑.

      攻絲加工後Ti-6Al-4V 螺紋表麵形（xíng）貌SEM 照（zhào）片如圖4 所示（shì）. 可以看出: 不同的添加劑對加工表麵質量有較大影響. 一般地, 攻絲效率與（yǔ）表麵質量有比較（jiào）好（hǎo）的對應關係, 攻絲效率越高（gāo）, 表麵光潔度越好; 其中含Ba( DPP) 2 的切削液（yè）作用下的Ti 合金加工表麵最光滑, 而含其它添加劑的切削液作用（yòng）下的T i 合金加工表麵存在不同程度的擦傷和犁溝現（xiàn）象.

      對鈦合金加工表麵的XPS 分（fèn）析結果列於表2.可以看出, Ba ( DPP) 2 作為水基切削液添加劑時, C元素（sù）以幾種化（huà）學形態存在, 在284. 6 eV 、285. 8 eV和288. 2 eV 處的C1s電子結（jié）合能分別對（duì）應於汙染碳的參（cān）考內標、C—O 和C O 鍵[ 5] ; C—O 鍵和（hé）C O 鍵的形成可能源於添加劑分（fèn）子中長（zhǎng）碳鏈物質在摩擦過程中的（de）氧化作用. 在529. 8 eV 處的O1s對應於鋁合金加工表麵氧化生成的T iO2, 處於531. 4 eV和532. 7 eV 的O1s分別對（duì）應於Fe( OH) 2 或FePO4 和AlPO4 [ 5] ; 這一點也可以從P2p的結合能得以證實, 而處於1 3 2 . 9eV 和1 3 3 . 6eV 的P2p 歸屬於AlPO4 和FePO4 . 從T i2p的結合能可以看出, 在鈦合金表麵有多（duō）種化（huà）合價態的Ti 存在, 其中458. 4 eV 處（chù）對應於TiO2 , 而455. 1 eV 對應於低價態的T iO ( 或T i2O3) ,這說明在水基潤滑下摩（mó）擦氧（yǎng）化占主（zhǔ）導地位, 這與文獻 [ 6] 報（bào）導一致; 位於453. 9 eV 的Ti2p 對應（yīng）於（yú）單（dān）質Ti[ 7] . 在（zài）777. 9 eV 處出現很（hěn）強的Ba3d譜峰, 歸屬於BaT iO3, 在（zài）779. 6 eV 處的肩峰可歸屬於BaCO3 或Ba3 ( PO4 ) 2 . 這說明在摩擦表麵（miàn）Ba2+ 主要（yào）以BaT iO3形式（shì）存在, 部分以BaCO3 或Ba3( PO4 ) 2 形式存在[ 8] .

      當采用含NaDPP、KDPP 和Ca ( DPP) 2 等添加劑的水基切削液時, T i 合金加工表麵的（de）C1s、O1s 和Ti2p 的電子結合能與Ba( DPP) 2 作為添加劑時的一致. Ca 鹽添加劑相應的P2p電子結合能（néng）與Ba 鹽的一致. 因Na 鹽和K 鹽中P 的豐度很低, 未見明顯的譜峰, 這可能是由於摩擦過程中形成的含Na 和K 的化合物在（zài）水中的溶解度（dù）較高, 從而（ér）使得加工（gōng）表麵P 的含量較低所致. Na1s的（de）電子結合能在1 071. 2 eV, 歸屬於摩擦表麵形成的Na2HPO4 等含Na—O 鍵的化合物; Ca2p 在（zài）347. 3 eV 處的譜峰（fēng）歸屬於Ca3 ( PO4 ) 2或CaTiO3 [ 9] .

      從以上分析可知, Ba( DPP) 2 在Ti-6Al-4V 攻絲試驗中表現（xiàn）出優越的攻絲效率和表麵（miàn）質量, 這可能（néng）是由於在界麵上生成BaTiO3 所致. 眾所周（zhōu）知, 摩擦（cā）過程中固體表（biǎo）麵（miàn）微觀尺寸上的電化學和電物理過程對界麵處（chù）物質質量和能量的轉移和（hé）轉（zhuǎn）化機製有極其重要的影響[ 10] . 我（wǒ）們認為, 在摩擦體係中（zhōng）, 當T i4+ 和Ba2+ 共存時, 二者的氧（yǎng）化物可相互（hù）反應, 尤其是Ti4+和Ba2+ 可（kě）彼此（cǐ）取代晶格位置, 形成具有特殊介（jiè）電性質的物（wù）質( 如BaT iO3 ) . BaT iO3 是一種特殊的介電材+料[ 11] , 具有很大的介（jiè）電常數( a 軸（zhóu）向可達4 000) , 並具有壓電效（xiào）應（yīng）, 可實現機械（xiè）能-電能的直接轉化（huà）. 由（yóu）於界（jiè）麵上特殊介電性質物質的存在, 固體表麵的電化學和電（diàn）物理效應發生改變, 可以（yǐ）容許（xǔ）更高的表麵電荷存儲, 延緩固體表（biǎo）麵的（de）放電現象, 其壓電效應可以改變（biàn）表麵微觀能量轉化機製, 從而從本質上改變固體的磨損（sǔn）機製, 起到良好的（de）邊界（jiè）潤滑效果.

      3　結論

      a. 　通過分（fèn）子改性所製備的4 種含不同（tóng）堿金屬和堿土金屬離子（zǐ）水基添加劑具有比較強的表麵活性,且在（zài）水中的溶解性能較好.

      b. 　Ba ( DPP) 2 添（tiān）加劑的攻絲效率和（hé）表麵質量與進口切（qiē）削液相當. 其在摩擦過程中可（kě）以生成具有特殊介電性質的BaTiO3 物質.

      c. 　在水基潤滑條件下的（de）Ti 合金攻絲加工過程中, 摩擦氧化占據主導地位.