鈦合金由於具有卓越的高溫力學（xué）性能、抗腐蝕性能以（yǐ）及高比強（qiáng）度等優點, 在國防軍工領域得到了廣泛應（yīng）用. 但其機械加工性能很差, 被認為是最難的加工材料之一. 自50 年代以來, 人（rén）們從刀具材料和形狀、表麵處理[ 1] 、加工工藝參數及潤滑劑等[ 2] 不同角度（dù）來研（yán）究鈦合金的加工過程, 並獲得了大量有（yǒu）價值的（de）信息. 但如何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苛刻的機加工工藝, 而對（duì）鈦合金的攻絲（sī）加工非常困難, 加工過程中絲錐很容易磨損、卡死甚至崩斷（duàn）. 攻絲扭矩試驗能夠較好地模擬鈦合金加工的（de）實際（jì）工況, 而其中的金屬陽離子對添（tiān）加劑的摩擦學性能影響（xiǎng）很大[ 4] . 本（běn）文作者通過攻絲扭矩試驗來考察含（hán）Na+ 、K+ 、Ca2+ 及（jí）Ba2+金屬陽離子的4 種水基添加劑在鈦合金加工過程中的摩擦和潤滑特性, 進而討論不同金屬陽（yáng）離子的摩擦學作用機理.

      1　實驗部分

      1. 1　添加劑的製備

      所用溶劑（jì）為分析純試劑（jì）, Ba ( OH) 2、Ca ( OH) 2、NaOH 和（hé）KOH 均為分析純試劑, 十二烷基聚（jù）氧乙烯醚（mí）磷酸酯( do decy l polyethyleneox y phosphate, 簡記為DPP) 的平均（jun1）分子量為1 039, 聚氧乙（yǐ）烯（xī）醚聚合（hé）度（dù）n為（wéi）7, 有效含量大於97% . Ba ( DPP ) 2、Ca ( DPP ) 2、NaDPP 及KDPP 的合成按以下反應式（shì）進行:

      所得產物均為淡黃色膠狀產物, 在水中具有良好的溶解性. 產物經紅外（wài）光譜和核磁共振分（fèn）析確認為目標產物（wù）.

      1. 2　攻絲扭矩試驗和表麵（miàn）分析

      采用MRG-005 型金屬加工液攻絲（sī）扭矩模擬（nǐ）評定試驗機( 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（shì）. 采用標準（zhǔn）試樣絲錐, 在一定的轉速下, 對注滿切削液的標準試樣螺母坯件（jiàn）進行攻絲加工, 通（tōng）過傳感器（qì）連續記錄攻絲過程中主軸的扭矩, 在（zài）選定的時間（jiān）範圍( 或轉動次數) 內對記錄的扭矩數值進行積分, 算出其平均（jun1）扭矩. 試（shì）驗采用的M10×1. 5 絲錐由漢中刀具廠製造, 材料為H2HSS 高速鋼; 螺母材料為（wéi）Ti-6Al-4V 合金.

      稱取各（gè）添加劑配製含質（zhì）量分數( 下同) 4. 0%的水溶液, 待添加劑完全溶解後備用, 其性（xìng）能外觀見表1.

      所選參考切（qiē）削液為上海石油商品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（gōng）司的Ar al 450EP 鈦合金切削液進行對比試驗（yàn）, 其濃縮液外觀呈琥珀色透明油狀( 推薦使用濃度為5. 0%) .

      加工後的螺母用丙酮和石油（yóu）醚超聲清洗並幹燥,用JEM-1200EX 型（xíng）掃（sǎo）描電（diàn）子顯微鏡( SEM) 觀察鈦合金（jīn）螺母的加工表麵形貌. 螺母加工表麵的XPS 分（fèn）析在PHI-5702 型多功能（néng）X 射線光電子能譜儀上進行（háng）,采用通（tōng）過能量為29. 35 eV 的MgKA線作為激發源,以汙染碳C1s的（de）電子結合能作為參考（kǎo）內標, 儀器（qì）分辨率為0. 3 eV.

      2　結果與討論

      圖2示（shì）出了（le）含添加劑的水基切削液潤滑下Ti合金攻（gōng）絲加工中的攻絲扭矩隨加工周次變（biàn）化的關係曲線（xiàn）. 可以（yǐ）看出, 在攻絲加工過程中, 開始階段扭矩隨著絲錐的（de）切入（rù）迅速（sù）上升, 達到最大值以後扭矩開始下降, 這主要是切削寬度變（biàn）化所致. 此（cǐ）外, 含有不同添加劑的切削液作用下扭矩的變化情況也不相同. 雖然高（gāo）化學活性的參考油在（zài）鋼鐵材料攻絲時（shí）平均扭矩隻有（yǒu）7. 5 N·m, 但其（qí）在本文實（shí）驗條（tiáo）件（jiàn）下的潤滑作用不佳.含Ba( DPP) 2 切削液的攻絲扭矩最小, 我們推測這是由於該添加（jiā）劑在切削過程中具有（yǒu）特殊（shū）的摩擦化學作（zuò）用機理導致的.

      根據平均扭矩（jǔ）計（jì）算所（suǒ）得的對（duì）應於各切削（xuē）液的攻絲（sī）效率如圖3 所示. 可以看出: KDPP、Ca ( DPP) 2、Ba ( DPP) 2 以及ARAL 450EP 的攻（gōng）絲效率均大於100%; 而NaDPP 的攻絲效率略遜於（yú）參考油, 其中Ba ( DPP) 2 的攻絲效率最高, 甚至（zhì）優於ARAL 450EP 鈦合金切削液, 是一種在鈦合金（jīn）加工中非常有應用前途的添加劑.

      攻絲加工（gōng）後Ti-6Al-4V 螺紋表麵形貌SEM 照片如圖4 所示. 可以看出: 不同的添加劑對加工表麵質量有較大（dà）影（yǐng）響. 一般地, 攻絲效率與表麵質量有比較好的對應關係（xì）, 攻絲效率越高, 表麵光潔度越好（hǎo）; 其中含Ba( DPP) 2 的切削液作用下的Ti 合（hé）金加工表麵最光滑, 而含（hán）其它添（tiān）加劑的切削液作用下（xià）的T i 合金加工表麵存在不同程度的擦傷和犁溝（gōu）現（xiàn）象.

      對鈦合金加工表麵的（de）XPS 分析結果列於表2.可以看出, Ba ( DPP) 2 作為水基切削液添加劑時, C元素以幾種化學形態存在, 在284. 6 eV 、285. 8 eV和288. 2 eV 處的C1s電子結合能分別對應（yīng）於汙染碳的參考內標、C—O 和C O 鍵[ 5] ; C—O 鍵和C O 鍵的形成可能源於添加劑分子中長碳鏈物質在摩擦過程中的氧化作用（yòng）. 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（yú）531. 4 eV和532. 7 eV 的O1s分別對應於（yú）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（de）P2p 歸屬（shǔ）於AlPO4 和FePO4 . 從T i2p的結合能可以（yǐ）看（kàn）出, 在鈦合金表麵有多種化合價態的Ti 存在, 其中458. 4 eV 處對應於TiO2 , 而455. 1 eV 對應於低價態的T iO ( 或T i2O3) ,這說明在（zài）水基潤滑下摩擦氧化占（zhàn）主導地位, 這與文獻 [ 6] 報導一致; 位於（yú）453. 9 eV 的Ti2p 對應於單（dān）質Ti[ 7] . 在（zài）777. 9 eV 處出現很強的Ba3d譜峰, 歸（guī）屬於BaT iO3, 在779. 6 eV 處的肩峰可（kě）歸屬於BaCO3 或Ba3 ( PO4 ) 2 . 這說明在摩擦表麵Ba2+ 主（zhǔ）要以BaT iO3形（xíng）式存在, 部分以BaCO3 或Ba3( PO4 ) 2 形式存在[ 8] .

      當采用含（hán）NaDPP、KDPP 和Ca ( DPP) 2 等（děng）添加（jiā）劑的水基切削液時, T i 合金加（jiā）工（gōng）表麵的C1s、O1s 和Ti2p 的電子（zǐ）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電子結合能與Ba 鹽的一致. 因Na 鹽和K 鹽中P 的豐度很低, 未見明顯的（de）譜峰, 這可能是由於摩擦過程中形成的含Na 和K 的化合物在水中的（de）溶解度較（jiào）高, 從而使得加工表麵P 的（de）含量較低所致. Na1s的電子結合能在（zài）1 071. 2 eV, 歸（guī）屬於摩擦表麵形成的（de）Na2HPO4 等含Na—O 鍵的化合物; Ca2p 在347. 3 eV 處的譜峰歸（guī）屬（shǔ）於Ca3 ( PO4 ) 2或CaTiO3 [ 9] .

      從以上分析可知, Ba( DPP) 2 在Ti-6Al-4V 攻（gōng）絲試驗中表現出優越的攻絲效率和表麵質量, 這可能（néng）是由於在界麵上生成（chéng）BaTiO3 所致（zhì）. 眾（zhòng）所周知, 摩擦過程中固體表麵微（wēi）觀尺寸上的電化學和電（diàn）物理過程對界麵處物質（zhì）質量（liàng）和能量的轉移和轉（zhuǎn）化（huà）機製有極其重要的（de）影響[ 10] . 我們認為, 在摩擦體係中（zhōng）, 當T i4+ 和（hé）Ba2+ 共存（cún）時, 二者的（de）氧化物（wù）可相互反應, 尤其是Ti4+和Ba2+ 可彼此取代晶格位置, 形成（chéng）具有特殊介電性質的物質( 如BaT iO3 ) . BaT iO3 是一種特（tè）殊的介電材（cái）+料[ 11] , 具有很大的介電常數( a 軸向可達4 000) , 並（bìng）具有壓電（diàn）效應, 可實現機械（xiè）能-電能的直接轉化. 由於界麵上特殊介（jiè）電性質物（wù）質的（de）存在, 固體表麵的電化學和電物理效應發生改變, 可以容許更高（gāo）的表麵電荷存儲, 延緩固體表麵的放電現象, 其壓電效應可以（yǐ）改變表麵微觀能量轉化機製, 從而從本質上改變固體的磨損機製, 起到良好的邊界潤滑效果.

      3　結（jié）論

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

      b. 　Ba ( DPP) 2 添加劑的（de）攻絲效率和（hé）表麵質量（liàng）與進口（kǒu）切削液相當（dāng）. 其在摩（mó）擦過程中可以生成具有特殊介（jiè）電性質的BaTiO3 物質.

      c. 　在水基潤滑條件下（xià）的Ti 合金攻絲加工過程中, 摩擦氧化占據主（zhǔ）導（dǎo）地位.