切削液腐蚀金属工件表面的机理探讨.docx

*切削液腐蚀金属工件表面的机理探讨王建录1 ，陈曦2 ，曹荣根3 ，刘义4 ，税妍4 ，赵万华1 ，宁西京2( 1 西安交通大学机械学院，西安 710049; 2 复旦大学现代物理研究所，上海 200433;3 复旦大学材料科学系，上海 200433; 4 东方汽轮机有限公司，德阳 618000)摘要: 在原子水平上分析了切削液与金属表面反应的速率，认为静电感应电位是腐蚀产生的关键因素，并在实验室观察了铁合金表面的腐蚀现象，发现当钻头与工件表面存在静电电位差( 约 20V) 时容易在工件表面形成微米级腐蚀斑点。 采用能量色散 X 射线光谱仪( Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，EDX) 对腐蚀斑点化学成分的分析表明，氧、硫和氯元 素是导致腐蚀发生的主要原因。关键词: 切削液; 表面腐蚀; 化学反应速率中图分类号: TG17 文献标志码: A 文章编号: 16713133( 2012) 06000604Exploring the erosion mechanism of cutting fluid on metal surfaceWang Jianlu1 ，Chen Xi2 ，Cao Ronggen3 ，Liu Yi4 ，Shui Yan4 ，Zhao Wanhua1 ，Ning Xijing2( 1 School of Mechanical Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China;2 Institute of Modern Physics，Fudan University，Shanghai 200433，China;3 Department of Material Science，Fudan University，Shanghai 200433，China;4 DONGFANG TURBINE CO LTD，Deyang 618000，Sichuan，China)Abstract: The present work analyses the chemical reaction rate at atomic levels and shows that induced electronic potential is the key factor leading to the surface erosion，which was proved via experiments on the surface erosion of Fe alloys due to cutting flu- id The erosion area is on the scale of micrometer and the spectrum of EDX indicates that O，S，and Cl are the main elements in the erosion spotsKey words: cutting fluid; surface erosion; chemical reaction rate引言切削液是一种在金属切削加工过程中用来冷却、 润滑刀具和工件的工业液体。与传统的皂基乳化剂 相比较，由多种高性能的助剂配制而成的切削液具备更 良好的冷却性能、润滑性能、清洗性能和防锈性能。但 是，在切削液的实际使用过程中，偶尔会在工件表面产 生锈斑。例如西安东方机械加工厂在铝工件表面发现 了腐蚀斑点1，东方汽轮机有限公司偶尔也发现了腐 蚀斑点，其扫描电子显微镜( SEM) 图如图 1 所示。图 1a、图 1b 分别采自两个不同工件表面，但使用 同一标尺 ( 50m ) 。 由于腐蚀斑点的线径仅为数微 米，肉眼难以发现，因此可能导致由于腐蚀斑点在工 件( 如发电用汽轮机部件) 长期服役过程中逐渐变大0图 1 腐蚀班点 SEM 图而使材料失效的严重工程事故。目前关于切削液副作用的研究主要集中于如下 四个方面2: 对润滑性能的影响、对密封橡胶构件( 如 O 型圈) 寿命的影响、对机床的腐蚀3 以及腐蚀的细 菌繁殖机理4。而关于切削液腐蚀工件表面微观组 织的研究却很少见报道。* 国家自然科学基金资助项目( 50675229) ; 国家重点基础研究发展计划项目( 2007CB707703)6王建录，等: 切削液腐蚀金属工件表面的机理探讨2012 年第 6 期本文探讨偶尔产生腐蚀锈斑的物理条件以及形成锈斑的主要化学组分，发现当钻头与工件表面存 在静电电位差( 约 20 V) 时容易在工件表面形成微米 级腐蚀斑点，表明氧、硫和氯元素是导致腐蚀发生的 主要原因，为进一步开展广泛细致的相关研究打下 了基础。切削液并用钻头刻划。几分钟后，用金相显微镜观察受试表面。对四种切削液分别做两次实验( 分别为加 热样品 和 加 热 钻 头) ，都没有看到样品表面有腐蚀 痕迹。在静电模拟实验中，首先将切削液滴淀到样品表 面，然后将直流稳压电源的正、负极分别连接于钻头 和样品底面，再用钻头刻划样品上表面，最后用金相 显微镜观察表面的腐蚀状态。在一百多次实验中，所 加直流电压在大多数情况下为 20V，也使用了 5V 和10V 电压。在这些受试样品表面一般都能立即看到腐 蚀点增多现象。图 2 所示为受试前样品表面( A) 经静电冲击后形 成锈斑表面( B) 。先在未受试表面无规则地刻一些划 痕( 见图 2a) 作为观察标记，其周围并没有腐蚀斑点。 经静电钻头作用后，形成的锈斑如图 2b 所示。如果使用不加电压的钻头刻划滴淀了切削液的 表面，通常不会导致表面原有腐蚀状态的改变，如图 3 所示。理论分析笔者认为金属工件表面锈斑的形成是切削液与 工件表面发生了化学反应，而一般的化学反应都应满 足 Arrhenius 定律5，即:1 E / ( kT)R = R0 e( 1)式中: R 为化学反应速率常数; R0 为一个与温度无关的常数因子; E 为与温度无关的反应活化能; k、T 分别为Boltzmann 常数、绝对温度。在通常条件下腐蚀不易产生的原因是反应的势 垒( 活化能) E 较高，导致反应速率常数 R 很低。显 然，通过加热以使温度 T 上升是提高反应速率的一个 方法。不锈钢在 NaCl 溶液中的反应势垒约为 0 2eV， 笔者认为通常切削液与铁合金表面的势垒 E 也具有 同样量级。以此为依据，使用式( 1) 可知，当工件表面 温度从 300K( 室温) 升高到 500K 或 800K 时( 实际切 削加工时工件表面温度在 0 1s 内可升高至 600K 以 上) ，反应速率可分别提高 20 倍、120 倍。考虑到在室温条件下将工件浸泡到常用切削液 中保持数百小时也不会产生表面锈斑，因此上述分析 表明在普通机加工过程中( 假定工件表面温度 500 800K) 不应产生腐蚀锈斑( 假定切削液在 500 800K 工件表面滞留 1h) 。该分析与日常机加工过程中不产 生锈斑的事实相吻合。如在工件表面的切削液中存 在10 20V 的静电电位差而使其中的离子获得 10 20eV 的动能，则由式( 1 ) 可知腐蚀反应速率将是室温 条件下反应速率的 2 000 倍，因此所导致锈斑的几率 将比 500 800K 的热表面大约 20 倍。图 2受试前样品表面( A) 经静电冲击后形成锈斑表面( B)图 3 用不带静电的钻头刻划涂覆了切削液的表面( A) 不会产生新的锈斑( B)实验验证为了验证上述的理论分析，笔者分别用加热和加电 压方法模拟了实际切削过程。实验中所用工件材料为 同一种铁合金，而所用的切削液有四种，分别是 E206、4000CF 巴索、EP161 洛斯和 800G( 工业标号) 。对样品 形貌和化学成分的分析使用了金相显微镜和 SEM。在加热实验中，首先将表面抛光过的样品置于加 热炉中加热至 500K，然后取出并立即向工件表面滴淀2为了进一步考察图 2b 所示的锈斑是否是由切削液中的化学元素所致，笔者用带电钻头分别刻划了空 气中和去离子水浸泡后的样品表面，没有发现新增加 的锈斑点，说明锈斑与切削液密切相关。为了探讨产生锈斑的主要化学元素，笔者使用 SEM 对受静电冲击的样品表面进行了 EDX 微区分 析。考虑到样品表面化学组分分布的不均匀性，在72012 年第 6 期现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)实际采样过程中，首先找到腐蚀点，然后测量该点附近洁净( 无锈斑形成) 区域的成分( 可视为样品本身 的成分) ，然后再对腐蚀点进行元素分析。EDX 微区 分析表明，样品表面各点( 无锈斑点) 的化学组分基 本相同，其 EDX 图谱如图 4 所示，主要含有 C、Fe、Cr、 O 等元素，其中 C 和 Cr 的含量较少，O 含量稍高一点， Fe 元素所占比例最大。图 4 样品表面两个不同( 无锈斑) 点 A、B 的 EDX 图谱样品表面四个不同点( 有锈斑) 的 EDX 图谱如图5 所示。与清洁点比较，多数锈斑点氧元素相对含量 大幅增加( 见图 5a、5b、5c) ，特别是多数锈斑点新出现 了硫元素的强谱峰( 见图 5a、5b、5d) ，还有一些锈斑点 出现了氯元素谱峰( 见图 5c) ; 此外，在个别锈斑点碳 元素含量大幅度增加( 见图 5a) ，在个别锈斑点也偶尔 发现 Al、Mn 或 Ca 元素的谱峰( 见图 5b、5d) 。笔者认为，氧含量增加的原因是锈斑点上形成了氧 化铁，而锈斑点上 S 与 Cl 元素谱峰的出现则表明硫化 物或卤化物的形成。这里的 S 与 Cl 元素主要来自于切 削液中的极压剂。除此之外，硫元素可能还来自于其他 没有极压作用的含硫化合物，如基础油中的天然硫化物 以及防锈剂、抗氧剂等。关于 Al、Mn 或 Ca 元素谱峰的 偶尔出现，笔者认为是原样品的杂质所致。8图 5 样品表面四个不同点( 有锈斑) C、D、E、F 的 EDX 图谱( 下转第 80 页)2012 年第 6 期现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)半精加工和粗加工也可以。使用时，将镗刀杆装入图1 所示滑体 3 的莫氏锥孔中，并装上镗刀，粗调镗刀位 置，拧紧图 1 所示的紧定螺钉 13 便可以进行加工。在 完成一次走刀或试切一段孔后，测量孔的大小，计算 出双边加工余量，然后松开图 1 中的紧定螺钉 13，精 确拧动外圆滚花防滑处理的调节旋钮 20，使调节旋钮20 的旋转刻度数 K = 双边加工余量 0 005。调整好 后，拧紧图 1 中的紧定螺钉 13，便可以进行加工。该机构对刀具直径的调节量最大为 7 5mm，调节 范围较窄，但这一装置主要是针对精加工时精确调刀 困难而开发设计的，其对孔径的调节精度在0 005 mm， 完全能够满足高精度孔的加工精度要求。精加工时， 直径调整范围在 0 7 5mm，完全可以满足使用要求。 而在粗镗孔时，使用该装置也可以加工，由于粗加工 时，加工尺寸精度要求很低，出现调节范围不够时，可 以直接拧松图 1 中螺钉 1，采用轻轻敲击，用钢板尺检 查，便能将镗刀直径调整好，然后拧紧螺钉 1，便可以 加工。因此，通过必要时更换刀杆，该装置的孔径加 工范围可以在 30 300mm 尺寸内。以平行于镗杆轴线而不垂直于镗杆轴线，使整个装置外轮廓周边无外伸物件，安全性得到提高，结构紧凑。 装置中有两个刀杆安装位置，可以实现高效的镗刀排 加工方式。装置通过刀杆装刀方式，接口采用莫氏 5 # 锥实现联接，使刀具安装的通用性较高，既可以安装 镗刀进行镗孔，也可以安装钻头进行钻孔，还可以安 装铣刀进行铣孔。该装置不但适合普通镗铣床，也适 用于数控镗铣床。总之，该装置具有高精度、高效、安 全可靠及通用性强的使用特点。参 考 文 献:1杨黎明，黄凯，李恩至，等 机械零件设计手册M 北京:国防工业出版社，1986乐兑 谦 金 属 切 削 刀 具M 北 京: 机 械 工 业 出 版 社，1992北京第一通用机械厂 机械工人切削手册M 北京: 机 械工业出版社，1978机械工程手册编委会 机械工程手册第 8 卷M 北京:机械工业出版社，1982234结语3该装置成功地解决了镗刀直径的精确调节问题，采用螺距差动，使螺杆的相对螺距为 0 25mm，与一般 的螺杆螺距相比，微调精度更高。装置中还采用斜楔 作为微调和传动换向机构，使差动螺杆的空间布置可作者简介: 胡运林，副教授，高工，工学硕士，主要从事机械设计与制造研究。E-mail: huyunlin 666 163 com收稿日期: 2011-12-23( 上接第 8 页)2001，23( 2) 敖小宝 防止切削液腐蚀机床的措施J 机械制造与自 动化，2004，33( 4) 刘敏 浅析水溶性切削液对机床 腐 蚀J 山 东 机 械，2001( 3) 秦丽雁 不锈钢应用中的几个腐蚀问题研究D 天津:天津大学，2006Arrhenius S On the reaction rate of the inversion of non-re- fined sugar upon souringJ Z Phys Chem ，1889( 4) 结语本文经理论分析和