劣化切削液对铝合金表面腐蚀的行为研究
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2024-09-12 17:03
四川
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彭陈元，周瑞红，程浩，孙亮，郭国强，董耀华. 劣化切削液对铝合金表面腐蚀的行为研究[J].工具技术, 2024, 58(7):24-30.Peng Chenyuan,Zhou Ruihong,Cheng Hao,Sun Liang,Guo Guoqiang,Dong Yaohua.Study on corrosion behavior of aluminum alloy surface by deteriorated cutting fluid[J].Tool Engineering, 2024, 58(7):24-30.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、可加工性好等优点，广泛应用在航天运载、战术武器领域产品结构件中。铝合金在生产过程中容易发生点蚀、变色现象，严重时造成材料失效，影响零件的外观和性能，加工过程中发生多次表面腐蚀现象，对型号产品的研制和生产造成不可挽回的损失，如图1所示。造成铝合金加工表面腐蚀的因素有：加工工序间流转等待存放时间过长、环境潮湿，加工使用切削液劣化、零件表面切削液残留等。其中，因切削液自身成分以及使用或管理不当等问题造成的切削液劣化引起的铝合金加工表面腐蚀问题尤其显著。因此，针对切削液劣化对铝合金表面腐蚀的影响，通过改善切削液的劣化情况减少铝合金表面腐蚀问题，以保证零件的质量稳定性具有较大潜在经济效益与迫切性。李广宇等采用液相全浸腐蚀试验法研究了水基切削液中缓蚀剂对7075铝防腐蚀性能的影响，结果表明，缓蚀剂添加量达到一定数值可完全抑制腐蚀。王建录等通过探讨切削液腐蚀金属工件表面的机理，认为静电所导致的氧化反应是腐蚀产生的关键因素，并推荐在切削液中减少S元素和Cl元素的含量。孙福洋等通过采用SEM、EDS和电化学测试等手段分析了2507双相不锈钢的腐蚀产物形貌和电化学腐蚀情况，并确定了腐蚀机理。同样通过浸泡试验与电化学等方法，赵天亮等研究并对比了在冷却液中三种铝合金材料的腐蚀行为。李泓雨等研究了环境因素如管道材料、营养物质、溶解氧、温度和 PH对微生物群落的影响及混合微生物协同和拮抗作用对金属腐蚀的影响。李庆宏等通过DLVO理论与乳液液滴流体动力模型分析，得出微生物对切削液中有效成分的降解降低了切削液的稳定性的结论。许萍等指出在研究微生物对金属表面腐蚀时，单一微生物的腐蚀机理并不能完全诠释实际的腐蚀现象，还需要对多种微生物混合体系下的腐蚀作用机制进行研究，并介绍了几种研究技术。吴东海等通过研究发现，相比较单独紫外线或臭氧，UV/O3的复合灭菌效果更好。王欣泽等研究发现，UV/O3联合氧化技术比单体UV和O3对去除水中有机污染物更有效。赵亚宁等在切削液循环回收利用方面进行了集中过滤研究，并将切削液的集中过滤各系统功能模块进行了解析。本文以5754铝合金为研究对象，对比其在切削液原液与劣化液中的腐蚀行为，并以微生物滋生为出发点，以微生物存在与否为变量，研究不同状态的铝合金试样的腐蚀行为。应用能谱仪（EDS）、荧光显微镜与表面轮廓仪等工具，基于电化学方法观察铝合金材料表面微生物附着与腐蚀情况，对比研究铝合金表面的腐蚀行为，进而针对切削液除菌研究劣化切削液的再生回用技术，对比不同杀菌处理方法下劣化切削液的性能恢复程度，并对经杀菌处理后的切削液对铝合金表明腐蚀的改善效果进行验证。5754铝合金材料成分如表1所示，试样使用线切割机切割成10mm×10mm×3mm，用于浸泡试验的试样使用砂纸打磨并用去离子水清洗，吹干表面水渍；用于电化学的试样使用环氧树脂将非工作面封装，露出的工作面使用砂纸打磨并使用去离子水清洗，吹干表面水渍。为排除其他微生物对试验影响，在试验前均对试样进行紫外线消毒处理。切削液使用泰伦特半合成水基金属加工切削液，切削液新液取自调配完成未经使用的新液，劣化切削液通过对生产车间机床中使用长达半年以上已明显发臭、变质的切削液取样得到。表1 5754铝合金材料的主要化学成分(wt.%)![]()
2.2 铝合金在原液与劣化液中的浸泡对比试验为探究明确铝合金在切削液原液与劣化液中的不同腐蚀行为，将试样分别浸泡与切削液原液与劣化液中24h后将试样取出，用去离子水将表面清洗干净，放入真空烘箱内烘干并放置在倒置荧光显微镜下观察，对比铝合金在切削液原液与劣化液中的不同腐蚀情况。由于在大多数条件下金属腐蚀为电化学过程，故可以通过测试其电化学参数的改变来评价其腐蚀过程和行为。为进一步深入对比分析铝合金在切削液原液与劣化液中的不同腐蚀行为，通过电化学试验的方式分别得到铝合金在切削液原液与劣化液中的极化曲线（见图2），以此对比铝合金在切削液原液与劣化液中的腐蚀行为。2.3 铝合金在含/不含微生物的切削液中的腐蚀行为对比为进一步对比铝合金在含有微生物的切削液与不含微生物的切削液中的腐蚀行为，取经杀菌消毒的新液按1%的比例加入含有微生物104CFU/ml的细菌液调配完成用于浸泡试验的含有微生物的切削液。分别将已通过无菌处理的铝合金试样悬挂于含有微生物的切削液与不含微生物的切削液中15天，在1天、3天、5天、7天、15天后，使用酒精溶液（75%）对试样脱水20min，脱水后对试样使用烘干机烘干2min，使用荧光显微镜、能谱仪（EDS）与表面轮廓仪对铝合金试样的表面形貌、表面元素成分和表面腐蚀轮廓进行分析，观察试样表面腐蚀轮廓前去除试样表面的生物膜与腐蚀产物膜。同样，使用吖啶橙溶液（1mg/ml）对试样进行染色，并放在倒置荧光显微镜下执行上述观察与分析。通过电化学试验分别得到铝合金试样浸泡在含有微生物的切削液与不含微生物切削液中的极化曲线，测量腐蚀点位和腐蚀电流密度，分析铝合金试样浸泡在不同状态切削液中的腐蚀行为。根据微生物繁殖对切削液劣化以及铝合金表面腐蚀情况的影响研究结果，即针对切削液除菌开展劣化切削液的再生回用技术研究。基于前期调研，发现采用紫外（UV）、臭氧（O3）、UV/O2以及UV/O3等处理方法可使切削废液达到再生要求。通过对比分析经不同杀菌工艺方法处理后的含菌切削液对铝合金材料的腐蚀行为，筛选出更适合劣化切削液除菌的再生回用技术。取经杀菌消毒的新液按1%的比例加入含有微生物104CFU/ml的细菌液调配完成用于浸泡试验的切削废液，对切削废液分别采用UV，O3，UV/O2以及UV/O3方法进行杀菌处理3h，观察不同方法杀菌处理后的切削液细菌含量。将处理过的铝合金试样在不同杀菌工艺处理方法后的切削液中浸泡24h，使用能谱扫描电镜观察铝合金试样表面形貌，对比分析不同杀菌工艺处理方法的杀菌性能。通过电化学试验的方式分别得到铝合金试样在切削液原液与劣化液中的极化曲线如图2所示。由图可以看到，原液中铝合金的电化学腐蚀速率明显低于劣化液中的电化学腐蚀速率，两者的差距大说明切削液的劣化加剧了铝合金的腐蚀。造成切削液的劣化的原因主要有杂质、切削热与微生物繁殖，机械加工中产生大量的切削热量使切削液中的金属杂质与切削液发生化学反应，导致切削液分解变质直至失效。切削液本身含有各种矿物油，在温度适宜的条件下会滋生厌氧菌、兼性厌氧菌。同时使用后切削液能够提供一种温度较高且适合滋生微生物和有机物的环境，导致其微生物迅速繁殖，切削液随即也发生变质。对浸泡于劣化液中的铝合金进行荧光显微镜拍照，荧光显微形貌如图3所示。由图3可知，铝合金表面附着了大量的微生物，尤其是在疑似点蚀坑附近的微生物数量更多。综上所述，铝合金在劣化液中点蚀发生的概率以及点蚀扩展的速度都比在原液中明显快很多，这是由于劣化液中的微生物造成的。图4为铝合金试样悬挂于切削液中不同时间的表面细菌附着荧光照片。图4a为试样在不含微生物的切削液中的荧光显微图，图4b~图4f分别为试样浸泡在含有微生物的切削液中1天、3天、5天、7天、15天后表面微生物附着荧光图。图4a的结果显示，铝合金试样浸泡在不含微生物的切削液中15天后仍未见微生物，而在含有微生物的切削液中，浸泡1天后的试样，零星微生物个体分布在试样表面。试样浸泡3天后表面微生物数量显著增多，浸泡5天后可以观察到试样表面细菌菌落开始形成，不再是零星个体。随着时间的推移，试样表面的菌落越来越多，到15天后，试样表面已经被一层微生物完全覆盖。铝合金试样浸泡在含微生物的切削液中1天和15天后的表面EDAX谱图如图5所示。由图可知，两者的最大区别为P和C元素含量，浸泡15天后P和C元素含量远高于浸泡1天后，在浸泡初期，试样表面基本检测不出C元素，主要为Cu，Mg，Al，Si等元素。P元素和C元素是微生物代谢的产物，铝合金试样表面元素含量的变化情况说明随着浸泡时间加长试样表面微生物附着增多并形成生物膜与腐蚀产物膜。为了进一步直观地了解微生物对铝合金材料腐蚀的影响，去掉铝合金试样表面的腐蚀产物膜和生物膜，并观察试样表面腐蚀形貌特征，对比铝合金试样浸泡在含微生物与不含微生物的切削液中的表面腐蚀程度。铝合金试样浸泡在含微生物的切削液中7天和15天后的表面轮廓图如图6a和图6b所示，铝合金试样浸泡在不含微生物的切削液中15天的表面轮廓图如图6c所示。相比于图6c，图6a和图6b可见明显点蚀，且图6b中点蚀直径较图6a中更大，说明点蚀情况更严重。图6a中的铝合金试样表面平整，没有观察到明显的点蚀现象，说明微生物的附着，特别是微生物膜的形成对试样的腐蚀起到加剧作用。铝合金浸泡在含/不含微生物的切削液中1天、5天、7天和15天的极化曲线如图7所示。由图7a可见，在不含微生物的切削液中，随着浸泡时间延长，腐蚀点位Ecorr发生明显正移，腐蚀电流密度icorr出现了逐渐下降的趋势；由图7b可见，在含微生物的切削液中，随着浸泡时间延长，腐蚀点位Ecorr发生明显负移，腐蚀电流密度icorr出现了逐渐上升的趋势。以上结论证明，与浸泡在不含微生物的切削液中的试样相比，浸泡在含微生物的切削液中的试样腐蚀速度明显增高，这是因为微生物的参与加剧了铝合金的腐蚀失效。![]()
（a）不含微生物的切削液![]()
（b）含微生物的切削液图7 铝合金浸泡1天、5天、7天和15天的极化曲线图8a和图8b分别为切削废液处理前后的菌落总数与杀菌率。由图可以看出，UV/O2协同作用的杀菌效果最好，处理3h后的杀菌率高达99.27%，UV/O3方法的杀菌率为98%，O3方法的杀菌率为97.5%，UV/O2方法的杀菌率略高于O3以及UV/O3的杀菌率。经过不同方法处理后的切削废液中细菌含量对比如图9所示，其中，图9a为切削废液未经处理24h后自然沉淀状态，图9b、图9c、图9d以及图9e分别为切削液废液经过UV处理3h、O3处理3h、UV/O3处理3h以及UV/O2处理3h后的状态。铝合金试样浸泡在未经处理的切削废液中24h的金相图如图10a所示；浸泡在UV处理3h后的切削废液中的金相图如图10b所示；在O3处理3h后的切削废液中的金相图如图10c所示；在UV/O3处理3h后的切削废液中的金相图如图10d所示；在UV/O2处理3h后的切削废液金相如图10e所示。图10a中铝合金试样金相图已有明显腐蚀迹象，表面暗淡发黑；图10b中铝合金试样金相图显示也略有暗淡，说明单独UV处理的杀菌效果不够彻底；而图10c、图10d与图10e中铝合金试样金相图未见暗淡，金相组织清晰，特别是图10e中铝合金试样表面形貌，基本未发生改变。图10 5754铝合金在不同方法处理后的切削液中的腐蚀形貌O3单独处理后的切削液对铝合金的腐蚀程度比UV单独处理大，原因在于溶解于水中的残余O3对工件本身有一定的腐蚀，而UV/O3协同作用时，杀菌率最快，微生物含量最少，同时UV可光解O3使得溶解在溶液中的残余O3含量降低，因此UV/O3协同作用时腐蚀抑制效果明显。工业上常采用O3杀菌方法来消除切削废液的细菌，但是O3属于有害气体，浓度过高时会危害人体健康，UV协同O2工艺的杀菌效果与光催化协同臭氧的杀菌效果接近，而且UV/O2处理切削废液的方法更加绿色环保，更加适合于工业生产现场。综上所述，四种处理技术中，UV/O2处理效果最佳，铝合金表面基本无腐蚀。为进一步论证UV/O2处理的杀菌效果，图11分别为铝合金试样浸泡在切削废液以及UV/O2处理3h后的切削液中的扫描电镜图（SEM），可以明显地看出铝合金在切削废液中表面有许多黑色的腐蚀斑点，而铝合金在经过UV/O2处理后的切削液中表面除了有少量的划痕以及打磨过程中留下的铝合金削，并没有其他腐蚀痕迹，验证了UV/O2杀菌处理有效性。图11 5754铝合金在切削废液以及经UV/O2处理后切削液中SEM形貌（1）切削液原液中铝合金的电化学腐蚀速率明显低于劣化液中的电化学腐蚀速率，即铝合金在劣化液中点蚀发生的概率以及点蚀扩展的速度都要比在原液中明显快很多，这是由于劣化液中的微生物造成。（2）微生物的附着，特别是微生物膜的形成，对试样的腐蚀起到加剧作用，与浸泡在不含微生物的切削液中的试样相比，浸泡在含微生物的切削液中的试样腐蚀速度明显增高，这是因为微生物的参与加剧了铝合金的腐蚀失效。（3）在紫外（UV）、臭氧（O3）、UV/O2以及UV/O3四种切削液废液处理方法中，UV/O2处理效果最佳，处理3h后的切削废液中24h后铝合金表面基本无腐蚀，且UV/O2处理方法经济又环保，作用更加显著，更利于推广。⊙文章版权归《工具技术》所有，欢迎转发，转载请联系。E-mail：toolmagazine@chinatool.nethttp://gjjs.cbpt.cnki.net工研所官方微信
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