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*上海市青年启明星计划项目(编号:16QB1400900);
上海航天技术研究院与上海交通大学航天先进技术联合研究中心技术创新项目(编号:USCAST2016-12)收稿日期:2018年8月
1研究背景
航空、航海、汽车工业、石油化工、电信、原子能及空间技术等新型工业的快速发展对零件的强度与质量均提出了越来越高的要求，同时，对材料性能的要求也越来越高。铝合金由于具有强度高、密度小、导电导热性强、力学性能优异等优点，在航空和国防领域中的本体、壳体、翼面、框架、尾翼接头等结构件上获得广泛应用。但是，铝合金由于化学活性较强、质地较软、黏性强，生产加工中容易出现较多问题，如切削油黏刀、切削液加工中工件表面被氧化失产生黑斑等，甚至出现严重的点蚀、晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀、微生物腐蚀等问题，致使加工效率低、加工精度差、外观瑕疵明显, 严重阻碍了我国铝合金加工工业技术水平的提高[1-3]。
因此，迫切需要针对航空航天等高新技术领域的铝合金零件加工防腐蚀技术进行研发，减少因表面腐蚀导致的零件报废现象。
切削液在铝合金加工过程中，有润滑、冷却、清洗
和防锈四个功能[4]。切削液按照介质可分为油基型和
水基型两类。油基型切削液主要由矿物油、油性剂，以及少量油溶性防锈剂和极压剂等构成，具有润滑性能和防锈性能良好的特点，但易产生油雾，甚至着火。水基型切削液具有低能耗、低成本、低公害的特点，且具有油基型切削液难以比拟的冷却性能，发展迅速。水基型切削液代替油基型切削液是目前金属切削液的主要发展趋势[5]。付广艳等[6]以6061铝合金和7075铝合金作为研究对象，通过对润滑剂、防锈剂、防腐剂与表面活性剂进行筛选，研制出一种无毒、无污染、防锈润滑效果优良的环保水基型铝合金切削液。李广宇等[7]选用含磷型缓蚀剂、杂环型缓蚀剂、硅系缓蚀剂及脂肪酸 铝合金加工防腐蚀水基型切削液的研制与试验□
董耀华1
□
王
华1
□
孙方宏1
皇室的赏赐□郭国强2
1.上海交通大学机械与动力工程学院
上海
200240
2.上海航天精密机械研究所
上海
201600摘
要：介绍了铝合金材料在切削液作用下进行切削加工时的腐蚀机理，确认铝合金在水基型切削
液中腐蚀的主要原因是细菌微生物大量繁殖及其胞外分泌物对乳化体系的影响。针对这一问题，研制
了一款适合铝合金加工且具有良好润滑、冷却、防锈性能的防腐蚀水基型切削液。进行铝合金与YG6硬质合金在油基型切削液和防腐蚀水基型切削液作用下的摩擦试验，确认防腐蚀水基型切削液能达到与油基型切削液相近的减摩效果，在节能环保的同时，可以提高铝合金零件加工表面的抗腐蚀性能。
关键词：铝合金
加工
切削液
防腐蚀中图分类号:TH117;TG501.5
文献标志码:A
文章编号:1000-4998(2019)03-0083-05
Abstract :The corrosion mechanism of aluminum alloy materials during cutting process was introduced.
It was confirmed that the principal causes for the corrosion of aluminum alloy in water-based cutting f
luid was the proliferation of bacterial microorganisms and the effect of extracellular secretions on the emulsion system.In response to this issue ,an anti -corrosion water -based cutting fluid was developed that was
suitable for aluminum alloy processing and had good performances for lubrication ,cooling and rust prevention.The friction tests of aluminum alloy and YG6carbide alloy under the action of oil-based cutting fluid and anti -corrosion water-based cutting fluid were carried out ,and it was confirmed that the anti =
corrosion water-based cutting fluid could achieve the antifriction performance close to the oil-based cutting liquid.In the meantime of energy saving and environmental protection ,it could improve the corrosion proof
performance of the machined surface of aluminum alloy parts.
Key Words :Aluminum Alloy
Processing
Cutting Fluid Anti-corrosion
衍生物缓蚀剂，采用液相全浸腐蚀试验法研究水基型
切削液中缓蚀剂对7075铝合金防腐蚀性能的影响。李
涛[8]应用攻丝扭矩试验方法研究了铝合金加工中水基型切削液的润滑性能。王会镇等[9]在表面活性剂合成及表征的基础上，进行了高效水基型金属切削液的制
备。近年来，国外奎克、嘉实多、福斯等公司均基本完成
了新型环保切削液的全面升级，但其核心配方均对我
国保密[10]，因此，开发可满足加工要求的节能环保防腐蚀水基型切削液非常重要。笔者开展铝合金表面切削
防腐蚀技术的研究，自主研制一种适合铝合金加工，且
具有良好润滑、冷却、防锈及抗腐蚀性能的水基型切削
液，在节能环保的同时，提高铝合金零件加工表面的抗
腐蚀性能。
2铝合金切削加工腐蚀机理
铝合金在加工过程中腐蚀原因较复杂，主要包括
两个方面。一是铝化学活性高，且为两性金属，易产生
腐蚀。切削液为碱性溶液，在碱性介质中铝表面的氧化
膜会被溶解，暴露出内部金属继续受到腐蚀。二是切削
过程中的一些杂质和铝合金中某些电势较高的合金元
素会导致铝合金的电化学腐蚀，高强度铝合金，如
LC4、LY12、LC9、LD10铝合金等，含有较高含量的锌、铜、镁、锰、硅等元素，这些合金元素在提高铝合金强度的同时，会导致材料对环境中氯化物、硫化物、碳酸化合物等有害介质具有较高的腐蚀敏感性，易出现点蚀、剥蚀腐蚀、晶间腐蚀、微生物腐蚀等问题。
2.1铝合金在原液及工作液中腐蚀现象对比
针对高性能铝合金加工情况及切削液使用情况，对铝合金在水基型切削液中的腐蚀机理进行研究。结果表明，铝合金在尚未使用过的水基型切削液原液或使用一段时间后的水基型切削液工作液中均会发生不同程度的腐蚀，表现为泽暗哑的宏观腐蚀，以及成片腐蚀斑以点蚀为主要腐蚀形式的微观腐蚀。
为深入探究铝合金在水基型切削液原液和工作液中的腐蚀机理，采用电化学腐蚀测试获得铝合金在这两种腐蚀介质中的极化曲线和阻抗谱，分别如图1、图2所示，分析铝合金在不同腐蚀介质中的腐蚀速率和腐蚀倾向。极化曲线中阳极极化曲线与阴极极化曲线切线交点对应的电流密度越大，腐蚀速率就越快。阻抗谱中首尾连线中点对应的阻抗值越小，就越容易发生腐蚀。由图1可知，铝合金在工作液中阳极极化曲线与阴极极化曲线切线交点对应的电流密度较大，即铝合金在工作液中的腐蚀速率远远快于铝合金在原液中的腐蚀速率。由图2可知，铝合金在原液中的阻抗明显大于在工作液中的阻抗，即铝合金在工作液中更容易发生腐蚀。
采用扫描电镜及能谱分析对铝合金在水基型切削液原液和工作液中浸泡24h后的微观腐蚀进行表征，分别如图3~图6所示。由图3可知，经过24h原液浸泡，铝合金点蚀坑较少，且沿划痕排列，尺寸约为2
建设项目环境影响评价资质管理办法μm，处于点蚀初期。图4能谱分析结果表明，点蚀坑的元素为碳、氧、镁、铝，还保留着航天材料铝
合金的微量元素，且碳元素含量较小。由图5可知，铝合金经过工作液24h浸泡，表面点蚀坑密度较大，且点蚀坑的尺寸已经扩大到约20μm，已进入点蚀中后期。可见，若在模拟工况下，其点蚀状况会更加严重。图6能谱分析结果表明，经过工作液腐蚀的铝合金，其点蚀坑中的元素只有碳、氧、铝，且碳元素含量高达40.16%，而整个体系能提供碳元素的只有工作液中的碳氢化合物，说明工作液进入点蚀坑内，使坑内碳元素含量增大，因此宏观上铝合金表面有白斑点。
由图3和图5铝合金的微观腐蚀形貌可知，经过常温24h浸泡的铝合金，在工作液中的腐蚀比原液中更为严重，点蚀坑尺寸相差近10倍，点蚀坑数量明显增多。由图4和图6能谱分析数据可知点蚀坑内的元素差异，说明切削液优先溶解镁、铜等微量元素，即铝-镁、铝-铜金属间化合物优先溶解，形成点蚀核，在腐蚀介质的加速下不断溶解，形成点蚀坑。同一款切削液，仅仅使用时间不同，对铝合金材料的腐蚀差异便非常明显。由此可知，铝合金的腐蚀与切削液的状态密切相关，使用过程中切削液的成分变化会造成铝合金表面-22-20-18-16-14-12-10-8-6
原液
工作液
原液
工作液
▲图1铝合金极化曲线
阳极阳极
阴极
阴极
腐蚀程度的明显差异。2.2
水基型切削液杂质及理化指标分析
将水基型切削液工作液置于离心管中，在高速离心机作用下进行固液分离。离心结束后将沉淀物用硝
酸进行分解，然后对沉淀物与硝酸发生硝解反应后形成的溶液进行原子发射光谱仪分析，以判断加速铝合金腐蚀的元素变量，结果如图7所示。沉淀物中含有大量钛、铁、硅等成分，其中某些元素可与铝形成原电池，发生氧化还原反应，产生的丝束电流加速铝腐蚀。
工作液与原液理化指标对比见表1，工作液的大部分指标都已超标，防锈试验符合国家标准，这说明国
言，未涉及微观腐蚀。对比各项指标，微生物浓度差别最大，工作液中的微生物浓度数量级高达106cfu/mL ,
这说明切削液中的微生物腐蚀会造成金属腐蚀速率成倍地加快。
以上结果表明，造成切削液腐蚀速率加快的因素有两个：一是切削液中其它金属杂质的引入，二是切削液中细菌微生物的大量繁殖。
表1
工作液与原液理化指标对比2.3水基型切削液微生物多样性分析
对航天领域水基型切削液工作液进行生物平板及
1.71.31.00.70.3C
启动子O Mg Al
元素元素质量百分数元素原子百分比C
2.44% 5.24%O 2.12%
3.42%Mg 1.61%
1.71%
Al
93.83%89.64%元素
元素质量百分数元素原子百分比C
23.90%40.16%O 5.69%
7.18%
Al
70.41%52.67%▲图3
铝合金在原液中微观腐蚀形貌
▲图4铝合金在原液中能谱分析结果
C O Al
5μm
20μm
项目
工作液原液GB/T 6144—2010《合成切削
液》
透明度
半透明
pH 值
8.478.86消泡性/[mL ×(10min )-1]4 1.5表面张力/(mN ·m -1)
43.8528腐蚀试验最长无腐蚀时间/h
715
单片24h 防锈试验合格
合格
最大无卡咬负荷值/N —自建评价方法
电导率/(ms ·cm -1)
2.723
0.5964浓度
8.47%9.81%微生物浓度/[cfu ·(mL )-1]
2158000攻丝扭矩/(N ·cm )165.7109.6大分子物质含量
多中
微生物基因检测，分析其中微生物的种类、数量，以及主要菌种及其胞外分泌物，其中含有106数量
级细菌微生物，大部分为伯克霍尔德氏菌、间孢囊菌、硫酸盐还原菌等。这些细菌的分泌物大多呈酸性，大量微生物分泌的胞外分泌物将会显著降低溶液pH值，附着于铝合金表面会造成严重的微生物腐蚀。
针对铝合金材料进行微生物腐蚀验证试验，将铝合金在37℃环境下浸泡于工作液中24h，对铝合金表面进行染固定。在荧光显微镜及扫描电镜下观察，以获取铝合金表面的微生物信息，结果如图8和图9所示。结果表明，微生物大多数呈杆状，在铝合金表面附着程度较为密集，而且在点蚀坑附近的密度尤为密集。由此可知，引起航天领域铝合金腐蚀的主要原因是微生物腐蚀。
3自制铝合金防腐蚀水基型切削液
基于铝合金腐蚀机理，优化了传统切削液原料配方，通过制备新型环保的缓蚀剂，有效抑制铝合金表面钝化膜溶解与点蚀。通过改性缓冲剂，将切削液的pH 值控制在合适范围内。若pH值太低，则易繁殖细菌，导致切削液劣化和机床锈蚀。若pH值太高，则会降低切削液润滑性，引起铝合金腐蚀。采用无磷无硅的基础油以保证切削液的绿环保性，而非采用毒性高的芳香烃基础油作为切削液的基础油。针对航天领域铝合金的机械加工状况，自主研制一款铝合金耐腐蚀水基型切削液，这一切削液含新型复合型金属缓蚀剂，可有效避免铝合金加工中出现的白斑、泽暗哑等问题。4性能测试及分析
4.1切削液性能比较
自制防腐蚀水基型切削液与国外切削液的各项性能指标对比见表2。根据GB/T6144—2010《合成切削液》的规定，切削液的理化指标应能表征冷却、润滑、防锈、清洗四种功能。国标中对切削液的检测一般有酸碱性、消泡性、稳定性、腐蚀性、润滑性等。自制防腐蚀水基型切削液的pH值控制在铝合金加工的理想范围
希洛人8.5~9.5内，各项指标优于GB/T6144—2010中的标准要求，且润滑性能明显提高。
4.2磨损试验
为模拟铝合金材料在国外切削液与自制防腐蚀水基型切削液作用下的实际切削加工效果，采用图10所示球-盘旋转式摩擦磨损试验机进行铝合金球与YG6硬质合金平片的对摩试验。上试样摩擦副为准6mm铝合金球，下试样摩擦副为14mm×14mm×5mmYG6硬质合金平片。摩擦润滑条件包括两种，即国外切削液润滑与自制防腐蚀水基型切削液润滑，空气湿度为35%。摩擦过程中，上试样固定于装有传感器的悬臂梁上，下试样固定于旋转台上，旋转台转速为200r/min，载荷恒定为1N，切削液流量为2mL/min。图11所示为铝合金球试样与YG6硬质合金平片在国外切削液和自制防腐蚀水基型切削液两种润滑条件下的摩擦因数曲线。由图11可知，两种切削液润滑条件下的摩擦因数均在开始的一小段时间内逐渐减小，随后趋于平稳。试验刚开始时摩擦因数较大，是由于尚未形成一定厚度的润滑膜。随着时间的延长，逐渐形成一层均匀的润滑膜，使摩擦因数减小且趋于稳定，即切削液润滑膜的形成及
润滑作用的体现需要一个磨合过程。国外切削液与自制防腐蚀水基型切削液两种润滑条件下达到平稳阶段后的摩擦因数值都维持在0.23左右，两者差距非常小，这表明自制防腐蚀水基型切削液可以达到国外切削液的减摩效果，在节能环保的同时，提高铝合金零件加工表面的抗腐蚀性能，降低企业在切削液购置及废液处理上的经济成本，真正实现绿生产。5结论
笔者开展铝合金在切削液加工过程中的腐蚀机理研究，指出铝合金在水基型切削液中腐蚀的主要原因是细菌微生物的大量繁殖及其胞外分泌物对乳化体系
▲图8铝合金表面微生物荧光显微镜形貌
20μm
10μm
表2自制防腐蚀水基切削液与国外切削液性能指标对比项目国外切削液自制防腐蚀切削液
浓缩液
外观淡黄淡黄
贮存性无分层、相变及胶状等，试验后能恢复原状
稀释液(5%稀释
浓度)
透明度半透明透明
pH值8.869.15消泡性/[mL×(10min)-1] 1.50.2表面张力/(mN·m-1)2819腐蚀试验最长无腐蚀时间/h1516单片24h防锈试验合格合格最大无卡咬负荷值/N——对机床油漆适应性合格合格
NO2浓度检测——
自建性能测试方法
电导率/(mS·cm-1)0.5964 1.154
电化学腐蚀速率/(mm·a-1)0.08260.0268
攻丝扭矩/(N·cm)109.689
大分子物质量中中
微生物浓度/[cfu·(mL)-1]00
0102030405060
自制防腐蚀水基型切削液
国外切削液
的影响。
在研究的基础上，自主研制一款适合铝合金加工且具有良好润滑、冷却、防锈及抗腐蚀性能的水基型切削液，形成面向增强铝合金零件加工表面耐腐蚀性能的绿加工工艺。
磨损试验表明，自制防腐蚀水基型切削液可以达到国外切削液的减摩效果，从而在节能环保的同时，提高铝合金零件加工表面的抗腐蚀性能。
参考文献
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作者简介院湿地公园规划设计
董耀华（1983—），男，副教授，主要研究方向为纳米材料。
（编辑平平）
dcs1800《机械制造》月刊1950年3月创刊邮发代号4-18
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