钛合金切削用磷酸酯类添加剂润滑特性及有机碱复配研究

发布时间：2021-02-06 00:19

　　目的提高水基润滑液对钛合金的润滑抗磨性能。方法针对钛合金/硬质合金摩擦副,使用SRV往复式球盘摩擦磨损实验机,测试了常用的三种切削液及四种水溶性磷酸酯溶液的摩擦磨损效果。通过三维白光干涉形貌仪与扫描电子显微镜对磨损表面形貌及磨痕内外能谱进行检测,分析磨损机理及润滑性能,探究对钛合金具有高效润滑作用的水溶性添加剂,并通过有机碱调节溶液的pH,复配适用于钛合金的润滑体系。结果对铝合金具有很好润滑作用的切削油对钛合金润滑效果很差,而所选水基润滑液效果较好。研究发现,四种水溶性磷酸酯溶液在质量分数为2%时即可对钛合金产生较好的润滑效果,其中,脂肪醇醚磷酸酯（MOA-3P）润滑效果最突出,摩擦系数最低（0.15）,且稳定、粘着磨损最少。通过二甘醇胺及三乙醇胺调节磷酸酯溶液pH至碱性,除支链烷基化磷酸酯（CP-NF-3）溶液外,其他溶液的摩擦系数均有所变大,且波动性增强,而CP-NF-3磷酸酯碱性溶液润滑时,摩擦系数变化很小,稳定在0.2左右。结论水溶性磷酸酯与适当的有机碱复配的润滑液,可实现对钛合金的良好润滑,用于钛合金水基切削液体系的研发。 

【文章来源】：表面技术. 2020,49(09)北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

摩擦学特性

图3为不同浓度的四种磷酸酯水溶液摩擦系数。其中，CP-NF-3溶液在质量分数较低时（0.5%），摩擦系数大于0.40，且波动较大；当其质量分数增大至2%时，摩擦系数会降低，经过50 s的磨合期，摩擦系数下降至0.20且保持稳定。JP-212水溶液的摩擦系数在0.20～0.50间剧烈波动，即使质量分数为2%，依然会频繁出现摩擦系数的突然跳跃。MOA-3P溶液和ELPK溶液的情况整体优于CP-NF-3溶液，其摩擦系数的波动较小，2%的磷酸酯水溶液摩擦系数后期均稳定在0.13左右，同时0.5%的磷酸酯水溶液仍然具有良好的润滑性。综合以上结果可知，试验用的四种磷酸酯对钛合金/硬质合金体系均具有一定的润滑作用，经过一段时间的磨合期后，摩擦系数可减小并保持稳定，且远小于纯水润滑时的摩擦系数。一般来说，溶液的浓度越高，稳定后溶液的摩擦系数越小，磨合时间越短。同一浓度下，MOA-3P溶液的摩擦系数最小，润滑性最好，ELPK溶液次之，JP-212溶液摩擦系数曲线波动较大，与其溶解性差有关，使用时可加入乳化剂改善其溶解状态。选取2%的四种磷酸酯溶液润滑后的钛合金试样用纯水超声清洗，去除残留溶液及磨屑，使用扫描电镜观察接触区微观形貌，如图4所示。其中，2%的水溶液摩擦系数保持较低的稳定水平，粘着磨损和犁沟磨损显著降低，故对应的钛合金表面光滑，未发现明显的粘着撕裂痕迹。通过EDS能谱定性分析表面元素种类，谱图如5所示。由于四种溶液润滑后表面元素的能谱图相差不大，故仅给出其中之一。谱图曲线表明：磨痕内存在磷元素，说明四种磷酸酯分子均可在钛合金表面发生吸附，进而起到润滑作用。由此可知，虽然不同的磷酸酯分子结构差别较大，但均可在钛合金表面发生吸附，形成具有一定润滑和抗磨能力的边界膜。因此，磷酸酯类添加剂适宜钛合金的润滑，在进行钛合金切削液的开发时，可根据体系需要选择具有不同HLB值的磷酸酯类添加剂对体系进行调配，实现优异的润滑效果。

已有研究表明，含磷化合物可通过P—O—Ti共价键与钛合金表面结合[26-27]，本文所用四种磷酸酯溶液润滑后的钛合金表面，磨痕内均检测到磷元素（如图5），磷酸酯分子的高活性官能团磷酸酯基与钛合金表面结合。对于吸附机理，作者课题组在论文[19]中对壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯（PPE）与钛合金表面的成键形式进行了深入探究。通过XPS对使用PPE溶液润滑后的钛合金试样磨痕内外进行检测，分析元素谱图，发现磨痕内存在磷元素，而磨痕外未检测到磷元素，这说明磨痕内部存在含磷化合物；进一步分析磨痕内外氧元素窄谱，与磨痕外明显不同的是，磨痕内出现了P—O—Ti(531.6 e V）和P—OH(532.8 e V），由此可推断，磷酸酯分子和Ti-6Al-4V基底之间通过P—O—Ti共价键相连。在摩擦过程中形成的化学吸附层与基底紧密结合，不易被挤出接触区，起到很好的润滑和承载作用。图5 磨痕内EDS能谱图


本文编号：3019823