鈦合金由於具有卓（zhuó）越的高溫力學性能、抗腐蝕性能以及高比強度等優點, 在國防（fáng）軍工（gōng）領域得到（dào）了廣泛應用. 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（yǐ）來, 人們從刀具材料和形狀、表麵處理[ 1] 、加（jiā）工工藝參數（shù）及潤滑劑等[ 2] 不同角度來研究鈦合（hé）金的加工過（guò）程, 並獲得了大量有價值的信息. 但如何改善其加工過程的摩擦學行（háng）為至今仍是（shì）研究的焦點[ 3] .

      攻絲( tapping) 是一種工況條件比較苛刻（kè）的機加工工藝, 而對鈦合金的攻（gōng）絲加工非（fēi）常困難, 加工過程中絲錐很容易磨損、卡死甚至崩（bēng）斷. 攻絲扭矩試驗能夠（gòu）較好地模擬鈦合（hé）金加工的實際工況（kuàng）, 而其中的金屬陽離子（zǐ）對添加劑的摩（mó）擦學性（xìng）能影響很大[ 4] . 本文作者通過攻絲扭矩試驗來考（kǎo）察含（hán）Na+ 、K+ 、Ca2+ 及Ba2+金屬陽離子的4 種水（shuǐ）基添加劑在鈦合金加工過（guò）程中的摩擦和潤滑特性, 進而討論不同金屬陽離子（zǐ）的摩擦學作（zuò）用機理.

      1　實驗部（bù）分

      1. 1　添加劑的（de）製備

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

      所得產物均為淡黃色膠狀產物（wù）, 在水中具有良好（hǎo）的溶解性. 產物經紅外光譜（pǔ）和核磁共（gòng）振分析確認為目標產物.

      1. 2　攻（gōng）絲扭矩試驗和（hé）表麵（miàn）分析

      采用（yòng）MRG-005 型金屬加工液攻絲扭矩模擬評定試驗機( 濟南試驗機廠製造) 進行攻絲扭矩試驗, 其試（shì）樣（yàng）接觸形式如圖1 所示. 采用標準試樣絲錐, 在一定的轉速下, 對注滿切削液的（de）標（biāo）準試樣螺母坯件進（jìn）行攻絲加工, 通過傳感（gǎn）器連續記錄攻絲過程中主（zhǔ）軸的扭矩（jǔ）, 在選定的時間範圍( 或轉（zhuǎn）動次數) 內對記錄（lù）的扭矩數值進行積分, 算出其平均（jun1）扭（niǔ）矩（jǔ）. 試驗采用的M10×1. 5 絲錐由漢中刀具廠製造（zào）, 材料為H2HSS 高速鋼; 螺母材料為Ti-6Al-4V 合金.

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

      所選參考切削（xuē）液為上海石油商品（pǐn）研究所提供的標準油樣, 其（qí）主要添加劑（jì）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（háng）對（duì）比試驗, 其（qí）濃縮液外觀呈琥珀色透明油狀( 推薦使用濃度為5. 0%) .

      加（jiā）工後的螺母用（yòng）丙酮和石油醚超聲（shēng）清洗並幹燥,用JEM-1200EX 型掃（sǎo）描電子顯微鏡( SEM) 觀察鈦合金螺母的加工表麵形貌. 螺母加工表麵的XPS 分析在PHI-5702 型多功能X 射線光電子能譜儀（yí）上進行,采（cǎi）用通過能量為29. 35 eV 的MgKA線作（zuò）為激發源,以汙染碳C1s的電子結（jié）合能作為參考內標, 儀器分辨率為0. 3 eV.

      2　結果與討論

      圖2示出了含添加劑的水基切削液潤滑（huá）下Ti合金攻絲加工中（zhōng）的攻絲扭矩隨加工周次變化的關係曲線. 可以看出（chū）, 在攻絲加工過程中, 開始階段（duàn）扭矩（jǔ）隨（suí）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（kuān）度變化所致（zhì）. 此（cǐ）外（wài）, 含有不同添加劑的切削液作用下扭矩的變化情況也（yě）不相同. 雖然高（gāo）化學活性的參考油在鋼鐵材（cái）料攻（gōng）絲時平均扭矩隻有7. 5 N·m, 但其在（zài）本文實驗條件下的潤（rùn）滑作用不佳（jiā）.含Ba( DPP) 2 切削液的攻絲扭矩最（zuì）小, 我們推測這是由於該添加（jiā）劑在切削過（guò）程中具有特殊的摩擦化學作用機理導致的.

      根據（jù）平均扭矩計算所得的對應於各切削液的攻絲效率如（rú）圖3 所示. 可以（yǐ）看出: KDPP、Ca ( DPP) 2、Ba ( DPP) 2 以及ARAL 450EP 的攻絲效率均（jun1）大於（yú）100%; 而NaDPP 的攻絲效（xiào）率略遜（xùn）於參考油, 其中Ba ( DPP) 2 的攻絲效率最高, 甚至優於ARAL 450EP 鈦合金切削液, 是一種在鈦合金加工中非常有（yǒu）應用前途的添（tiān）加（jiā）劑.

      攻絲加工後Ti-6Al-4V 螺（luó）紋表麵形貌SEM 照片如（rú）圖（tú）4 所示. 可以看出（chū）: 不同的（de）添加劑對加工表麵質量有較（jiào）大影響（xiǎng）. 一般（bān）地, 攻絲（sī）效率與（yǔ）表麵質量有比（bǐ）較好的對應關（guān）係, 攻絲效率越高, 表麵光潔度越好; 其中含Ba( DPP) 2 的切削液作用（yòng）下的Ti 合金加工表麵最光滑, 而（ér）含其它添加劑的切削液作（zuò）用下的T i 合金加工表麵存在不同程度（dù）的擦傷和犁溝現象（xiàng）.

      對鈦合金加工表麵的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（jiā）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（hé）能分別對應於汙染碳的參考內標、C—O 和C O 鍵[ 5] ; C—O 鍵和C O 鍵（jiàn）的形成可能源於（yú）添加劑分子中長碳鏈物質在摩擦過程中的氧化作用. 在529. 8 eV 處的O1s對應（yīng）於鋁合（hé）金加工表麵氧化生成的T iO2, 處於531. 4 eV和532. 7 eV 的O1s分（fèn）別對應於Fe( OH) 2 或FePO4 和AlPO4 [ 5] ; 這一點也可（kě）以從P2p的結合能得（dé）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（de）結合能可以看出, 在鈦合金表麵有多種化（huà）合價態的Ti 存（cún）在（zài）, 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（míng）在水基潤滑下摩擦氧（yǎng）化占主導地位, 這與文獻 [ 6] 報導一致; 位於（yú）453. 9 eV 的Ti2p 對應於單質Ti[ 7] . 在777. 9 eV 處出現很強的Ba3d譜峰, 歸屬（shǔ）於BaT iO3, 在779. 6 eV 處的肩峰可歸屬於BaCO3 或Ba3 ( PO4 ) 2 . 這說明在摩擦表麵Ba2+ 主要以BaT iO3形式（shì）存在, 部（bù）分以BaCO3 或Ba3( PO4 ) 2 形式存在[ 8] .

      當采用含NaDPP、KDPP 和Ca ( DPP) 2 等添（tiān）加劑的水基切削液時（shí）, T i 合金加工表（biǎo）麵的（de）C1s、O1s 和Ti2p 的電子結（jié）合能與Ba( DPP) 2 作（zuò）為添加劑時的一致. Ca 鹽添加劑（jì）相應的P2p電子（zǐ）結合能與Ba 鹽的一致. 因Na 鹽和K 鹽中P 的（de）豐（fēng）度很低, 未見（jiàn）明顯的（de）譜峰, 這可（kě）能是由於摩擦過程中形（xíng）成（chéng）的含Na 和K 的（de）化合物在（zài）水中的溶解度較高, 從而使得加工（gōng）表麵P 的含量較低所致. Na1s的電子結合能在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347. 3 eV 處的譜峰歸屬於Ca3 ( PO4 ) 2或CaTiO3 [ 9] .

      從以上分析可知, Ba( DPP) 2 在Ti-6Al-4V 攻絲試驗中表現出優越的（de）攻絲效率和表麵質量（liàng）, 這可能是由於在界麵上生成（chéng）BaTiO3 所致. 眾所周知, 摩擦過程中固體表麵微觀（guān）尺寸上的電化學和電物理（lǐ）過程對界（jiè）麵處物質質（zhì）量和能量的轉移和轉（zhuǎn）化機製有極（jí）其重要的（de）影響[ 10] . 我（wǒ）們認為, 在摩擦體係中, 當T i4+ 和Ba2+ 共存時, 二者的氧化物可相互反應, 尤其是Ti4+和（hé）Ba2+ 可彼（bǐ）此取代晶格位置, 形成具有特殊介電性質的物質( 如BaT iO3 ) . BaT iO3 是一種特殊的（de）介電材+料[ 11] , 具有很大的介電常數( a 軸（zhóu）向可（kě）達4 000) , 並具有（yǒu）壓電效應, 可實現（xiàn）機械能-電能的直接轉化. 由（yóu）於界麵上（shàng）特殊介電性質（zhì）物質的存在, 固體表麵的電化（huà）學和電物理（lǐ）效應發生（shēng）改變（biàn）, 可（kě）以容許更高的表麵電荷存儲, 延緩固（gù）體表麵的放電現象（xiàng）, 其壓電（diàn）效應可以改變表麵微觀能量轉化機製, 從而從本質（zhì）上改變固體的磨損機製, 起到良好的邊界潤滑效果.

      3　結論

      a. 　通過分（fèn）子改性所製備的4 種（zhǒng）含不同堿金屬和（hé）堿土金屬離子（zǐ）水基添加劑具有比較強的（de）表麵活性,且在水（shuǐ）中的（de）溶解性能較好（hǎo）.

      b. 　Ba ( DPP) 2 添加劑的攻（gōng）絲效率和表麵質量與進口切削液相當. 其在摩擦過程中可（kě）以生成具有特殊（shū）介電性質的BaTiO3 物質.

      c. 　在（zài）水基潤滑條件下的Ti 合金（jīn）攻絲加工（gōng）過程中, 摩擦氧（yǎng）化占據主導地位.