鈦合金（jīn）由（yóu）於（yú）具有卓越的高溫力學性能、抗腐蝕性（xìng）能（néng）以及高比強度等優點, 在國防軍工領域得到了廣泛應用. 但其機（jī）械加工性能很差, 被認為是最難的加工（gōng）材料之一. 自（zì）50 年代以來, 人們從（cóng）刀具材料和形狀、表麵處理[ 1] 、加工工藝參（cān）數（shù）及潤滑劑等[ 2] 不同角度來研究鈦合金（jīn）的（de）加工過程, 並獲得了大量有價值的信息. 但如何改善其加（jiā）工過程的摩擦學行為至今仍是研究（jiū）的焦點[ 3] .

      攻絲( tapping) 是一種工（gōng）況（kuàng）條件比較苛刻的機加工工藝, 而對鈦合金的攻絲加工非常困難, 加工過程中（zhōng）絲錐很容易（yì）磨損、卡死甚至崩斷. 攻絲扭矩（jǔ）試驗能夠較好（hǎo）地模擬鈦合金加工的實（shí）際（jì）工況, 而其中的金屬陽離子對添加劑的摩擦學性能影響很大（dà）[ 4] . 本文作者通過攻絲扭矩試驗來（lái）考（kǎo）察含Na+ 、K+ 、Ca2+ 及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（cā）和（hé）潤滑特（tè）性, 進而討論不同金屬陽離子的摩擦學作用機理.

      1　實驗部分

      1. 1　添加劑的製備

      所用溶劑為分（fèn）析純試（shì）劑, 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酸酯( do decy l polyethyleneox y phosphate, 簡記（jì）為DPP) 的（de）平均分子量為1 039, 聚氧（yǎng）乙（yǐ）烯醚聚合度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進行:

      所得產物均為（wéi）淡黃色膠（jiāo）狀產物（wù）, 在水中具有良好的溶解性. 產物經紅外光（guāng）譜和核磁共振分析確認為目標產物.

      1. 2　攻絲扭矩試驗和表麵分析

      采用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（chǎng）製造) 進行攻絲扭矩試驗, 其試樣接觸形式（shì）如圖1 所示. 采用標準試樣絲錐, 在一定的轉速下, 對注滿切削液的標準試樣螺母坯件進行攻絲加工, 通過傳感器連續記錄攻絲（sī）過程中主軸的扭矩, 在選（xuǎn）定的時間（jiān）範圍( 或轉（zhuǎn）動次數) 內對記（jì）錄的扭矩數值進行積分, 算出其平均扭矩（jǔ）. 試驗采用的M10×1. 5 絲錐由（yóu）漢中刀具廠製造, 材料為H2HSS 高速鋼; 螺母材料為Ti-6Al-4V 合金（jīn）.

      稱（chēng）取各添加劑配製含質量分（fèn）數（shù）( 下同（tóng）) 4. 0%的水（shuǐ）溶液（yè）, 待添加劑完全溶解後備（bèi）用, 其性能外觀見表1.

      所選參（cān）考切削液為上海石油商品研究所提供的（de）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（tài）合金切削液進行對比試驗, 其濃（nóng）縮液外觀呈琥珀色（sè）透明油狀( 推薦使用濃度（dù）為（wéi）5. 0%) .

      加工後的螺母用丙酮和石油醚超聲清洗並幹燥,用JEM-1200EX 型掃描電子顯微鏡( SEM) 觀察鈦合金螺母的加工表麵形貌. 螺母（mǔ）加工表麵的XPS 分析在PHI-5702 型多功能X 射線光電子能譜儀上進（jìn）行,采用通過能量為29. 35 eV 的MgKA線作為激發（fā）源,以汙染碳C1s的電子結合（hé）能作為參考內標（biāo）, 儀器分辨率（lǜ）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（rùn）滑下Ti合金攻絲加工中的攻絲扭矩隨加工周次（cì）變化的關（guān）係曲線. 可（kě）以看出, 在攻絲（sī）加（jiā）工過（guò）程中, 開始階段扭矩隨著絲錐的（de）切入迅速上升, 達到最大值以後扭矩開始下（xià）降, 這主（zhǔ）要是切削寬度變化所致. 此外, 含有不（bú）同添加劑（jì）的切削液作用下扭矩的變化情況也不（bú）相同. 雖然（rán）高化學活性的參考油在鋼鐵材料攻絲時平均扭矩隻有7. 5 N·m, 但其在本文實驗條件下的潤（rùn）滑作用不佳.含（hán）Ba( DPP) 2 切削（xuē）液（yè）的（de）攻絲扭矩最小, 我們推（tuī）測這是由於該添加劑在切削（xuē）過程中具有（yǒu）特殊的摩（mó）擦化學作用機理導致的（de）.

      根據平均扭矩計算（suàn）所（suǒ）得的對應於各（gè）切削液的攻絲效率如圖3 所示. 可以看出: KDPP、Ca ( DPP) 2、Ba ( DPP) 2 以及ARAL 450EP 的攻絲效率均大於100%; 而NaDPP 的攻絲效率略遜於參考（kǎo）油, 其中Ba ( DPP) 2 的（de）攻絲效率最高, 甚至優於ARAL 450EP 鈦合金切削液, 是一（yī）種在鈦合金加工中非常有應用前途的添加劑.

      攻絲加工後Ti-6Al-4V 螺紋表麵（miàn）形貌SEM 照片如圖4 所（suǒ）示. 可以看出（chū）: 不同（tóng）的添加劑對加工表麵質量有較大影（yǐng）響. 一般地, 攻絲效率（lǜ）與表（biǎo）麵質量有比較好的對應關係, 攻絲效率越高, 表麵光潔度越好; 其中含Ba( DPP) 2 的切（qiē）削液（yè）作用下的Ti 合金加工表麵（miàn）最光滑, 而含其它添加（jiā）劑的（de）切削液作（zuò）用下的T i 合金加工表麵（miàn）存在不同程度的擦傷和犁溝現象.

      對鈦合金加工表麵的XPS 分析結果（guǒ）列於（yú）表（biǎo）2.可（kě）以看出（chū）, Ba ( DPP) 2 作（zuò）為水基切（qiē）削液添（tiān）加劑時, C元素以幾種化（huà）學形態存在, 在284. 6 eV 、285. 8 eV和288. 2 eV 處的C1s電子結合能分別對應於（yú）汙（wū）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（tàn）鏈（liàn）物質在摩（mó）擦過程中（zhōng）的氧化作用. 在529. 8 eV 處的O1s對應於鋁合（hé）金加工表麵氧（yǎng）化生成的（de）T iO2, 處於531. 4 eV和532. 7 eV 的O1s分別對應於Fe( OH) 2 或FePO4 和AlPO4 [ 5] ; 這一點也可以從P2p的結合能得以證（zhèng）實, 而處於（yú）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（hé）金（jīn）表麵有多種化合價態的Ti 存在, 其中（zhōng）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（shuō）明在水基潤滑下摩擦氧化占主導地位, 這與文獻 [ 6] 報導一致（zhì）; 位於453. 9 eV 的Ti2p 對應於單（dān）質Ti[ 7] . 在777. 9 eV 處出（chū）現很強的Ba3d譜（pǔ）峰, 歸屬於（yú）BaT iO3, 在779. 6 eV 處（chù）的肩峰可歸屬（shǔ）於BaCO3 或Ba3 ( PO4 ) 2 . 這說明在摩擦表麵Ba2+ 主要以BaT iO3形式存在（zài）, 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C1s、O1s 和Ti2p 的電子結合能與（yǔ）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（de）一（yī）致. 因Na 鹽和K 鹽中P 的豐度很低, 未見明顯的譜（pǔ）峰, 這可能是由於摩擦過程中形成的含Na 和K 的化合物在水中的溶解度較高, 從而使得加（jiā）工表麵P 的含量（liàng）較低所致. Na1s的電子（zǐ）結合（hé）能在1 071. 2 eV, 歸屬（shǔ）於摩擦表（biǎo）麵形成的Na2HPO4 等（děng）含Na—O 鍵的化合物（wù）; Ca2p 在（zài）347. 3 eV 處的譜峰歸屬（shǔ）於Ca3 ( PO4 ) 2或CaTiO3 [ 9] .

      從以上分（fèn）析可知, Ba( DPP) 2 在Ti-6Al-4V 攻絲試（shì）驗中表現出優越的攻絲效率和表麵質量, 這可能是由於在界（jiè）麵上生成BaTiO3 所致. 眾所周知, 摩擦過程中固體表麵微觀尺寸上的電化學和電物理（lǐ）過程對界麵處物質質量和能量的轉移（yí）和轉化機製有極（jí）其重要的影響[ 10] . 我們認為（wéi）, 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Ba2+ 可彼此（cǐ）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 是一種特殊的（de）介電材+料[ 11] , 具有很大的介電常數( a 軸向可達4 000) , 並具有壓電效應（yīng）, 可實現機械（xiè）能-電能的（de）直接轉化. 由於界麵上特殊介電性質物質的存在, 固（gù）體表麵的電化學和電（diàn）物理效應發生改變, 可以容許更高的表麵電荷（hé）存儲, 延緩固體（tǐ）表麵的放電現象, 其壓電效應可以改變表麵（miàn）微觀能量轉化機製, 從而從本（běn）質（zhì）上改變固體的磨損機製, 起到（dào）良好的邊界潤滑效果.

      3　結論

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

      b. 　Ba ( DPP) 2 添加劑的（de）攻絲效率和表麵質量與進口（kǒu）切削液相當. 其在摩擦過程中可以生成具有特（tè）殊介電性質的BaTiO3 物質.

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