全合成型鎂合金切削液的制備及其性能研究

劉騰飛 王宇 馬璞 戴媛靜

1 清華大學天津高端裝備研究院

2 清華大學摩擦學國家重點實驗室

以脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯和脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸按質量比1:1復配成抗硬水型鎂合金緩蝕劑，在100°DH人工硬水范圍內，其1%（質量分數）溶液均可有效抑制鎂合金腐蝕；以該抗硬水緩蝕劑制備了全合成型鎂合金切削液，并以SRV摩擦磨損試驗和攻絲扭矩試驗分析其潤滑性，以鎂合金浸泡腐蝕試驗和極化曲線分析其緩蝕性，以硬水穩定性、硬水防銹性和硬水緩蝕性分析其硬水適應性，并與某進口高端全合成型商用液X進行對比，結果表明：所制鎂合金切削液的潤滑性、緩蝕性、硬水適應性均優于商用液X。

鎂合金具有密度小、強度高、彈性模量大、易散熱、耐沖擊、電磁屏蔽性能優異、阻尼性能好、生物毒性低等特點，適用于電極材料、航空航天、汽車制造、生物醫學等領域[1，2]。然而鎂的化學性質活潑，導致鎂合金耐腐蝕性差，在加工過程中易氧化變色，切屑堆積存在爆燃等安全隱患[3]，需使用切削液作為必要的加工助劑，起到冷卻、潤滑、排屑、緩蝕等作用。加工過程中，鎂合金與切削液中的水接觸會發生化學反應，使鎂離子溶于切削液中[4]，引起水質硬度增加，造成切削液失穩、失效。這就對鎂合金切削液提出了較高的要求，而目前鎂合金專用切削液較少，且性能不佳。對鎂合金腐蝕進行控制是鎂合金切削液開發的難點，其中添加緩蝕劑是最有效且簡便的方法。鎂合金緩蝕劑主要分為無機緩蝕劑、有機緩蝕劑及復配緩蝕劑[5]。Gao等[6]研究了硅酸鈉對AZ91D鎂合金的緩蝕性，發現硅酸鈉在一定的濃度和pH值范圍內可有效抑制鎂合金腐蝕。李凌杰等[7]發現鉬酸鹽在磷酸介質中對AZ61鎂合金具有一定緩蝕性。Liu等[8]發現植酸能夠在AZ91D鎂合金表面形成保護膜，具有較好的耐蝕性。Karavai[9]等研究發現1，2，4-三氮唑可作為鎂合金的緩蝕劑。Supplit等[10]發現磷酸三乙酯和1，2，4-三氮唑可降低鎂合金在Nacl溶液中的腐蝕速率。周必芳[11]等研發了一種有機-無機復配緩蝕劑，認為各組分之間具有協同作用，可顯著增強對鎂合金緩蝕效果。在鎂合金切削液方面，目前國內外研究較少。陳郁明[12]開發了一種可生物降解的環保型鎂合金微乳化切削液，生物降解率為92%。李瑩[13]以LGZ緩蝕劑、油酸三乙醇胺和CHB防銹劑為復配緩蝕劑，制備了一種鎂合金切削液，對于AZ91D鎂合金緩蝕效率達83.5%，AM30鎂合金達86.4%。

本文考察了不同緩蝕劑對鎂合金腐蝕的抑制效果，選取高效緩蝕劑與硬水穩定劑復配成抗硬水緩蝕劑；制備了全合成型鎂合金切削液，并對其相關性能進行了分析。

試驗部分

試驗儀器及原料

試驗儀器

電子分析天平（美國G&G，JJ1000）、恒溫水浴鍋（力辰科技，DF-101T）、多功能摩擦磨損試驗機（德國Optimal，SRV-5）、攻絲扭矩儀（德國Microtap，TTTsystemG8）、電化學工作站（美國 Gamry，Reference600+）、 激光粒度儀（英國馬爾文，Zetasizer Nano）、壓差計（廣東標智，GM505）、恒溫干燥箱（上海一恒，DHP-9052）、冰箱（海爾，BCD-251WBCY）、pH計（德國賽多利斯，PB-10）、四球機（廈門天機，MS-10A）。

試驗原料

油性劑（合成酯類）、潤滑劑（聚醚類）、鎂合金緩蝕劑、防銹劑（三元酸類）、助溶劑（小分子酸類）、有機堿、硬水穩定劑、消泡劑（有機硅類）、生物穩定劑（殺菌劑類）、去離子水（電阻率≥18 MΩ）。

抗硬水鎂合金緩蝕劑的制備

鎂合金緩蝕劑的選擇

◇分別以去離子水將試驗所選各鎂合金緩蝕劑稀釋至1%（質量分數）；

◇將AZ91D鎂合金試片打磨后浸泡于稀釋液中，置于55 ℃恒溫干燥箱中24 h；

◇取出AZ91D鎂合金試片，觀察腐蝕情況，腐蝕程度評價方法參照 GB/T 6144—2010。

硬水穩定劑的選擇

◇將所選硬水穩定劑與鎂合金緩蝕劑按照一定比例混合，得到抗硬水型鎂合金緩蝕劑；

◇參照標準JB/T 4323.2—1999配制不同硬度的人工硬水；

◇分別以不同硬度的人工硬水將所制抗硬水型鎂合金緩蝕劑稀釋至1%（質量分數），觀察稀釋液狀態；

◇將AZ91D鎂合金試片打磨后浸泡于稀釋液中，置于55 ℃恒溫干燥箱中24 h；

◇取出AZ91D鎂合金試片，觀察腐蝕情況，腐蝕程度評價方法參照 GB/T 6144—2010。

全合成型鎂合金切削液的制備

全合成型鎂合金切削液配方組成見表1。

依次將表1中各組分加入去離子水中，攪拌至體系澄清透明，即得到全合成型鎂合金切削液。

結果與討論

鎂合金緩蝕劑的制備

鎂合金緩蝕劑的緩蝕效果

由于鎂合金化學性質活潑，與水接觸可發生化學反應，反應方程式為：

生成的Mg(OH)2并不能夠形成致密的沉積膜，阻止進一步腐蝕[5]，故在切削加工中，鎂合金與切削液接觸時極易產生嚴重腐蝕。同時，該反應屬于放熱反應，且有H2生成，易發生燃爆。選擇對鎂合金緩蝕效果好的緩蝕劑有助于解決該問題。

各鎂合金緩蝕劑主要成分和對鎂合金試片的緩蝕效果見表2。

可以看到，對于該試驗所選鎂合金緩蝕劑，脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯對鎂合金的緩蝕性最佳。這是因為其在水中電離后產生的磷酸基可與Mg2+絡合[14]，在鎂合金表面形成致密的附著物，阻止鎂合金進一步腐蝕。

硬水穩定劑的抗硬水效果

鎂合金與水反應可生成Mg2+，導致水質硬度增大，而Mg2+會與部分緩蝕劑反應，使緩蝕劑失效；同時，還會破壞切削液體系平衡，導致有效成分析出。使用合適的硬水穩定劑可有效抑制該情況發生。

該試驗以硬水穩定劑和緩蝕劑A復配成抗硬水緩蝕劑，其組成和抗硬水效果見表3。

由表3可知，使用硬水穩定劑可提升緩蝕劑的抗硬水性能，而脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸效果優于EDTA-2Na，原因是脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸中的羧基可以捕捉水中鈣鎂離子，同時，其中的EO基團具有親水性，可以將其良好地分散在水中，不至于析出[15]，從而改善了緩蝕劑的抗硬水能力，在高硬度水中能夠保持良好的緩蝕性。

表1 全合成型鎂合金切削液配方組成

表2 鎂合金緩蝕劑主要成分及緩蝕效果

表3 抗硬水緩蝕劑組成和抗硬水效果

鎂合金切削液性能表征

使用抗硬水緩蝕劑①，按照表1制備全合成型鎂合金切削液（以下簡稱自研切削液），對其相關性能進行測試，并與某進口高端全合成型商用液X（以下簡稱商用液X）作對比。

潤滑性

以SRV-5多功能摩擦磨損試驗機測試鎂合金切削液的潤滑性，得到摩擦系數，摩擦系數越小，其潤滑性越好。測試條件見表4。

測試結果見圖1、表5。

從圖1、表5中可以看到，使用自研切削液時，摩擦系數低于商用液X，說明自研切削液在鎂合金表面形成的潤滑膜更穩定，對鎂合金潤滑性更好。

以MicrotapTTT攻絲扭矩儀測試鎂合金切削液的潤滑性。得到攻絲扭矩，扭矩值越小，摩擦力越小，其潤滑性越好。測試條件見表6。

測試結果見圖2。

由圖2可知，切削攻絲時，使用自研切削液所獲得的平均扭矩值小于商用液X，說明自研切削液對鎂合金潤滑性較優。

鎂合金緩蝕性

以去離子水分別將自研切削液和商用液X稀釋至5%（質量分數），測試其對鎂合金緩蝕性。

參照標準GB/T 6144—2010，測試了AZ91D鎂合金試片在切削液中的腐蝕情況，結果見表7。

分別以5%（質量分數）的自研切削液和商用液X為電解質溶液，以AZ91D鎂合金試片為工作電極，測試其極化曲線，結果見圖3。

表4 SRV-5摩擦磨損測試條件

圖1 切削液摩擦系數

表5 切削液平均摩擦系數

表6 攻絲扭矩測試條件

對極化曲線進行擬合，得到參數見表8。

由圖3、表8可知，以自研切削液為電解質溶液，可獲得更小的電流密度和腐蝕速率，說明自研切削液對鎂合金緩蝕性更佳。

硬水適應性

參照標準JB/T4323.2—1999，配制不同硬度的人工硬水，分別將自研切削液和商用液X稀釋至5%，測試其硬水適應性，分為硬水穩定性、硬水防銹性及硬水緩蝕性3個方面的測試。

觀察不同水質硬度下切削液稀釋液狀態，并測定其平均粒徑和Zeta電位，結果見表9、圖4、圖5。

由圖4可知，在100°DH范圍內，隨水質硬度變大，自研切削液平均粒徑保持穩定，變化不大；商用液X平均粒徑則有明顯增大：在去離子水中為13.7 nm，50°DH時即變為71.4 nm，100°DH時變為368.3 nm，此時，體系平衡已破壞。

由圖5可知，在100°DH范圍內，隨水質硬度變大，自研切削液和商用液X的Zeta電位絕對值均變小，但商用液X變化更大，由去離子水中的-34.6 mV變為100°DH時的-4.1 mV；自研切削液則由去離子水中-32.0 mV變為100°DH時的-13.5 mV，變化較小。

由表9可知，在100°DH范圍內，自研切削液稀釋液狀態無明顯變化，均無析出物；商用液X在50°DH時，稀釋液狀態由無色透明變為乳白色，有析出物，100°DH時，析出嚴重。

故自研切削液具有更好的硬水穩定性。

參照標準JB/T 9189-1999以鑄鐵屑法測試鎂合金切削液的硬水防銹性，結果見表10。

圖2 切削液平均攻絲扭矩

表7 鎂合金試片腐蝕情況

圖3 極化曲線

表8 極化曲線擬合參數

表9 不同水質硬度下切削液稀釋液狀態

圖4 水質硬度對切削液體系粒徑的影響

圖5 水質硬度對切削液體系Zeta電位的影響

由表10可知，當稀釋水硬度超過60°DH時，自研切削液出現銹蝕；而當稀釋水硬度超過30°DH時，商用液X即出現銹蝕，說明自研切削液具有更好的硬水防銹性。

參照標準GB/T 6144—2010以AZ91D鎂合金試片測試切削液硬水緩蝕性，結果見表11。

由表11可知，在100°DH范圍內，自研切削液無腐蝕出現，緩釋等級均為A級；當水質硬度為60°DH時，商用液X試片即出現輕度變暗，緩蝕等級為B級，當稀釋水硬度≥70°DH時，鎂合金試片出現中度變暗，緩蝕等級為C級。

綜上所述，自研切削液具有更好的硬水適應性。

基本理化性能

測試了自研切削液的其他基本理化性能，結果見表12。

結論

☆脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯具有優異的鎂合金緩蝕性，其與脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸按照質量比1:1復配成抗硬水緩蝕劑，在高硬度人工硬水中仍可保持良好的鎂合金緩蝕性；

☆通過SRV測試和攻絲扭矩測試，使用抗硬水緩蝕劑制備的自研切削液對鎂合金具有優異的潤滑性；

☆通過鎂合金試片腐蝕情況和極化曲線分析，自研切削液可有效抑制鎂合金腐蝕；

☆在100°DH人工硬水范圍內，隨水質硬度增加，自研切削液稀釋液表觀無變化，平均粒徑保持穩定，Zeta電位變化小，硬水穩定性佳；此外，人工硬水硬度60°DH時，自研切削液硬水防銹性試驗結果仍可保持0級無銹蝕；人工硬水硬度100°DH時，硬水緩蝕性試驗結果為A級無蝕。

表10 鎂合金切削液硬水防銹性

表11 鎂合金切削液硬水緩蝕性

表11 鎂合金切削液硬水緩蝕性

表12 鎂合金切削液理化性能