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干货| 润滑添加剂三乙醇胺硼酸酯的摩擦学特性研究



摘要: 三乙醇胺硼酸酯是一种新的绿色水基全合成切削液防锈添加剂,但其在切削加工过程中的摩擦学特性尚未有报道。以钛合金与硬质合金为摩擦副,通过摩擦磨损试验比较三乙醇胺硼酸酯并与传统润滑添加剂丙三醇和聚乙二醇的摩擦学性能,同时考察不同含量的三乙醇胺硼酸酯水溶液的摩擦学性能。


结果表明: 三乙醇胺硼酸酯具有与丙三醇和聚乙二醇相似的减摩抗磨性能,在相对较高的载荷下,三乙醇胺硼酸酯的润滑性能更优;三乙醇胺硼酸酯水溶液的减摩抗磨性能随着其含量的增加逐渐增强,当三乙醇胺硼酸酯的体积分数达到40%以上时,溶液的润滑性能更为显著。研究表明,三乙醇胺硼酸酯有可能成为一种新型切削液润滑添加剂。


关键词: 三乙醇胺硼酸酯;摩擦磨损性能;润滑添加剂


随着工业发展,一些领域对零件机械与力学性能的要求越来越高,一些高性能但难加工材料的应用更加广泛。例如航空零件的轻量化与高强度化演变,使得钛合金被大量应用。这类材料在加工过程中极易造成刀具磨损,从而影响工件的加工质量,所以在加工时切削液的使用是必不可少的。切削液分为两大类,即油基切削液和水基切削液。


油基切削液主要由动植物油和矿物油组成,能够在刀具表面形成润滑膜,润滑作用突出。水基切削液根据添加剂中矿物油的含量又分为乳化液、半合成切削液与全合成切削液,其中全合成切削液中几乎不含矿物油,它的主要成分是水与各种添加剂,冷却作用突出。对于钛合金加工而言,刀具磨损主要是由热及化学作用造成,因而采用冷却性能好的水基全合成切削液更加合适。


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近年来金属切削液向着绿色环保的水基全合成切削液的方向发展,在满足润滑、冷却、清洗和防锈等作用的同时,对人体的危害和对环境的污染越来越小。水基全合成切削液是依靠各种添加剂来获得优异的性能,添加剂的选择多种多样,包括表面活性剂、极压润滑剂、防锈剂等,其中极压润滑剂与切削液的润滑与抗磨性能有关。传统的极压润滑剂含有硫磷氯等元素,虽然它们具有优异的抗磨性能,但是对人体和环境的危害很大。


随着科技进步,以有机硼酸酯为主的硼类极压润滑剂逐渐受到人们重视,有机硼酸酯具有良好的减摩抗磨性能,油膜强度高且无毒无害。三乙醇胺硼酸酯具有优秀的防锈性能,已被广泛用作切削液防锈剂,但目前对于其在切削液中的润滑性能鲜有研究。


目前市场上水基全合成切削液的润滑添加剂大都为丙三醇与聚乙二醇。本文作者首先对三乙醇胺硼酸酯与丙三醇和聚乙二醇的摩擦学性能进行对比,然后将三乙醇胺硼酸酯与去离子水混合,探究不同含量的三乙醇胺硼酸酯水溶液在钛合金表面的减摩抗磨性能,为研发一种适用于钛合金加工的水基全合成切削液提供参考。


1. 试验部分


1. 1 试验材料


硬质合金球:材料为YG8,直径9.525 mm,密度14.5~14.9 g/cm 3,硬度为HRA89.5。钛合金盘:材料为TC4,直径54 mm,厚度2 mm,密度4.51g/cm 3,硬度为HRC 31。三乙醇胺硼酸酯:淡黄色透明液体,20℃密度为1.25 g/cm 3,相对分子质量157,购自无锡市某公司。丙三醇:澄清黏稠液体,分析纯,相对分子质量为92.09,购自广东某股份app下载千赢手机app下载;聚乙二醇400:简称PEG-400,无色黏稠液体,平均相对分子质量为370~400,购自广东某股份app下载千赢手机app下载。


1. 2 试验方法


摩擦磨损试验采用兰州化学物理研究所研发的MFT-EC4000型电化学腐蚀摩擦磨损试验仪,如图1所示。试验时先将钛合金盘与硬质合金球固定在仪器上,然后把要测的溶液滴到接触区,运动方式为往复式,在频率为2 Hz及一定载荷下运动10min,测量溶液在钛合金与硬质合金摩擦副下的摩擦因数。


图1 MFT-EC4000 型电化学腐蚀摩擦磨损试验仪.jpg

图1 MFT-EC4000 型电化学腐蚀摩擦磨损试验仪


采用光学显微镜观察磨痕的形貌并测量磨痕的宽度,测量前先将待测工件进行超声清洗,测量时利用垂直线测量法以减少误差。采用TIME3220型粗糙度仪测量磨痕轮廓得到磨痕深度,测量时使粗糙度仪探针的运动方向垂直于磨痕的方向,对测量的原始数据进行处理得到磨痕深度。


2. 试验结果及分析


2.1 减摩抗磨性能实验研究


2.1.1 减摩性能对比研究


在不同载荷下对三乙醇胺硼酸酯及丙三醇、聚乙二醇400溶液进行摩擦磨损试验,得到的摩擦因数结果如图2所示。可以看出,当载荷低于10 N时,3种溶液的摩擦因数从低到高依次为丙三醇、三乙醇胺硼酸酯和聚乙二醇400;当载荷大于10 N后,三乙醇胺硼酸酯的摩擦因数最低。其中聚乙二醇400的摩擦因数在不同载荷下变化幅度较小,三乙醇胺硼酸酯与丙三醇的变化幅度相似。综合来看,三乙醇胺硼酸酯与丙三醇和聚乙二醇400的润滑性能接近,特别是在载荷较高时,三乙醇胺硼酸酯的润滑性能相对更优,所以三乙醇胺硼酸酯具有成为切削液润滑添加剂的可能。


图2 不同载荷下3种溶液摩擦因数对比.jpg

图2 不同载荷下3种溶液摩擦因数对比



2.1.2 抗磨性能对比研究


在不同载荷下测量3种溶液润滑下试样的磨痕宽度与磨痕深度。图3示出了不同载荷下3种溶液润滑下试样的磨痕宽度。可得,磨痕宽度随着载荷的增大而增大,在同一载荷下3种溶液润滑下的磨痕宽度相差不大,但聚乙二醇400溶液润滑下的磨痕宽度始终最大。当载荷为2~10 N时,丙三醇润滑下的磨痕宽度低于三乙醇胺硼酸酯润滑下的磨痕宽度,而在15~20 N载荷下结果相反。


图3 不同载荷下3种溶液润滑下的磨痕宽度.jpg

图3 不同载荷下3种溶液润滑下的磨痕宽度


图4示出了不同载荷下3种溶液润滑下的磨痕深度。可以看出,磨痕深度同样随着载荷的增大而增加,其中在载荷为2~5 N时,三乙醇胺硼酸酯溶液润滑下的磨痕深度相对较大,而在20 N载荷下三乙醇胺硼酸酯润滑下的磨痕深度最小。


图4 不同载荷下3种溶液润滑下的磨痕深度.jpg

图4 不同载荷下3种溶液润滑下的磨痕深度


磨痕宽度与磨痕深度反应的是溶液的抗磨损性能,由此可见对于钛合金摩擦副,三乙醇胺硼酸酯与丙三醇和聚乙二醇400的抗磨损性能比较接近,而在载荷相对较大的情况下,三乙醇胺硼酸酯的抗磨性能甚至优于丙三醇和聚乙二醇400溶液。结合试验得到的摩擦因数与磨痕宽度和深度,可知三乙醇胺硼酸酯可以作为钛合金切削液的润滑添加剂。


2.2 添加剂含量对摩擦学性能的影响


水基切削液是由各种添加剂与水构成,所以将不同体积的三乙醇胺硼酸酯与去离子水混合,分别配置体积分数为10%~100%的三乙醇胺硼酸酯水溶液,通过分析摩擦因数、润滑稳定性、磨痕轮廓与形貌等参数,研究三乙醇胺硼酸酯作为切削液润滑添加剂的摩擦学性能。


2.2.1 添加剂含量对减摩性能的影响


通过摩擦磨损试验,考察不同体积分数的三乙醇胺硼酸酯水溶液对钛合金与硬质合金摩擦副的减摩性能。图5所示为摩擦因数随三乙醇胺硼酸酯体积分数的变化关系。试验在载荷为10 N下一共测量了3组,每组摩擦因数的变化范围分别为0.241~0.269、0.098~0.267、0.125~0.261。


图5 摩擦因数随三乙醇胺硼酸酯体积分数的变化关系.jpg

图5 摩擦因数随三乙醇胺硼酸酯体积分数的变化关系


可以看出,在体积分数低于40%时,3组实验数据均显示出三乙醇胺硼酸酯水溶液的摩擦因数基本与去离子水的摩擦因数相同;当体积分数在50%~90%之间时,溶液的摩擦因数均出现了较为显著的下降,并且在体积分数为90%~100%时,摩擦因数又出现更为显著的下降。由此得出结论:针对YG8硬质合金与TC4钛合金摩擦副,三乙醇胺硼酸酯水溶液具有有效的润滑作用。当溶液中三乙醇胺硼酸酯的体积分数低于40%时润滑效果较低,当体积分数在50%~90%之间时润滑效果良好,体积分数为100%时润滑效果最好。


摩擦因数反应的是溶液的抗摩擦性能,单从摩擦因数来看三乙醇胺硼酸酯作为水基切削液的润滑剂,其体积分数在50%~90%之间润滑效果较好,且性价比最优,而体积分数在低于40%时几乎没有润滑作用,这一现象可能是三乙醇胺硼酸酯只作为防锈添加剂而没有被用作润滑添加剂的原因。


2.2.2 添加剂含量对润滑稳定性的影响


通过摩擦磨损试验,考察不同体积分数的三乙醇胺硼酸酯水溶液在摩擦过程中润滑效果的稳定性。图6示出了不同体积分数的三乙醇胺硼酸酯水溶液的摩擦因数随时间变化的关系。可以看出,三乙醇胺硼酸酯的体积分数为0~60%时摩擦因数曲线波动较大,其润滑稳定性较差,与去离子水相差无几;而当三乙醇胺硼酸酯的体积分数为80%~100%时摩擦因数曲线波动较小。可见,三乙醇胺硼酸酯作为极压剂添加到水基切削液中,其润滑作用的稳定性会随着三乙醇胺硼酸酯含量的提高而提高。但润滑稳定性这一要素对切削液性能来说影响不大。由此可以推断出,三乙醇胺硼酸酯水溶液的体积分数高于80%时,其在钛合金与硬质合金之间具有稳定的润滑性能,且润滑稳定性接近纯三乙醇胺硼酸酯溶液。


图6 不同体积分数三乙醇胺硼酸酯水溶液的摩擦因数.jpg

图6 不同体积分数三乙醇胺硼酸酯水溶液的摩擦因数



2.2.3 添加剂含量对抗磨性能的影响


通过观测磨痕宽度和深度,分析不同体积分数的三乙醇胺硼酸酯水溶液对钛合金摩擦副抗磨损性能的影响。图7示出了三乙醇胺硼酸酯的体积分数与磨痕宽度和深度的关系。图中磨痕宽度的变化范围为0.65~0.79mm,磨痕深度的变化范围为10~17.4μm。


图7 磨痕的宽度和深度与三乙醇胺硼酸酯体积分数的关系.jpg

图7 磨痕的宽度和深度与三乙醇胺硼酸酯体积分数的关系


可见,磨痕的宽度和深度在三乙醇胺硼酸酯的体积分数低于90%时都呈现出不规则的变动。其中体积分数低于70%时变动幅度相对较大;体积分数为70%~90%时变化幅度相对来说较小;而当体积分数为90%~100%时,无论磨痕宽度还是磨痕深度都明显减小。由此可以得出,溶液中三乙醇胺硼酸酯的体积分数对磨痕的宽度和深度影响不大,但为了保证钛合金加工后的表面质量,应当使其含量尽可能高一点。


2.2.4 添加剂含量对磨痕形貌的影响


通过观测钛合金表面的磨痕形貌,分析不同体积分数三乙醇胺硼酸酯水溶液对抗磨损性能的影响。图8所示为不同体积分数的三乙醇胺硼酸酯水溶液润滑下的钛合金表面的磨痕形貌。


图8 不同体积分数三乙醇胺硼酸酯水溶液润滑下的磨痕形貌.jpg

图8 不同体积分数三乙醇胺硼酸酯水溶液润滑下的磨痕形貌


如图8所示,纯去离子水润滑时对应的磨痕形貌十分粗糙,并呈现出划痕挤压的凸起现象,从而使犁沟断断续续;溶液中三乙醇胺硼酸酯体积分数低于40%时的磨痕形貌,都呈现出与去离子水润滑时相似的结果;随着三乙醇胺硼酸酯体积分数的增加磨损程度越来越轻,当体积分数高于60%时,磨痕形貌显得比较细致,挤压现象已经消失,犁沟细而密并清晰可见。由此可见,随着溶液中三乙醇胺硼酸酯体积分数的增加,溶液的抗磨损性能逐渐增强,尤其在体积分数达到60%以后,摩擦副表面质量有显著提高。


三乙醇胺硼酸酯的体积分数对磨痕形貌的影响与对摩擦因数的影响是一致的,均表明当三乙醇胺硼酸酯的体积分数达到40%以上时,溶液的润滑性能才能明显地显示出来。


2.2.5 三乙醇胺硼酸酯的润滑机制与展望


三乙醇胺硼酸酯是由硼酸和三乙醇胺在带水剂的作用下反应生成,反应式如图9所示。


图9 生成三乙醇胺硼酸酯的反应式.jpg

图9 生成三乙醇胺硼酸酯的反应式


反应过程中硼酸中的羟基与三乙醇胺羟基中的氢原子反应生成水,硼原子直接与三乙醇胺羟基中的氧原子结合,带水剂不断带走水,最终形成三乙醇胺硼酸酯,其立体分子结构如图10所示。三乙醇胺硼酸酯是形如“笼”状的杂环化合物,从组分上来看属于含氮硼酸脂。合成三乙醇胺硼酸酯的目的是将氮原子引入硼酸脂中,形成氮与硼的配位键,增大空间位阻从而增强硼酸脂的水解稳定性,从而解决由于硼原子的缺电子性导致硼酸脂容易水解的问题。而硼与氮这2种元素本身又具有极压润滑性能,以烃基为载体相连进一步增强润滑性能。


图10 三乙醇胺硼酸酯 3D 分子结构.jpg

图10 三乙醇胺硼酸酯 3D 分子结构


综合考虑不同体积分数三乙醇胺硼酸酯水溶液润滑下的摩擦因数及磨痕形貌等参数,以及溶液的减摩抗磨能力与润滑稳定性,可知,对于钛合金与硬质合金摩擦副,三乙醇胺硼酸酯在其水溶液中的含量越高时其减摩抗磨能力越好。但是目前市场上切削液中的润滑添加剂含量不会这么高,这源于水基全合成切削液注重冷却性能,所以水的含量最多。然而从三乙醇胺硼酸酯的分子组成中可以发现,其具有氮原子与硼原子,那么在切削工况下特别是在第一接触区,一部分三乙醇胺硼酸酯分子会受到挤压从而使分子链断裂,导致氮原子与硼原子的活动更加自由。


由于切削加工时的高温特性,氮原子与硼原子有可能结合生成微小的六方氮化硼颗粒(六方氮化硼具有跟石墨相似的层状结构,有“白色石墨”之称,具有优异的润滑性能与导热性能),这种微小的六方氮化硼颗粒可能以纳米固体超滑分子的形式存在于切削液中,以增强润滑性能与导热性能。根据这一推断,三乙醇胺硼酸酯相对于丙三醇与聚乙二醇,作为切削液润滑添加剂更具有优势。


以上推断仅仅是从理论上推导所得,具体情况还应在实际切削加工过程中进行验证。


3. 结论


(1) 以钛合金与硬质合金为摩擦副时,试验研究发现三乙醇胺硼酸酯具有与丙三醇和聚乙二醇相媲美的减摩抗磨能力,特别是在载荷较高时,三乙醇胺硼酸酯的润滑性能相对更优,所以三乙醇胺硼酸酯具有成为切削液润滑添加剂的可能。


(2) 三乙醇胺硼酸酯水溶液的减摩抗磨性能随着其含量的增加逐渐增强,当三乙醇胺硼酸酯的体积分数达到40%以上时,溶液的润滑性能更为显著。


(3) 三乙醇胺硼酸酯同丙三醇和聚乙二醇等润滑剂一样,具有成为水基全合成切削液润滑添加剂的可能。该研究结论为基于三乙醇胺硼酸酯的绿色环保切削液开发提供了理论依据。


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