镁合金在切削加工过程中容易出现的问题与对策

材料
水 油 铁
导热系数/W·（m·K)-1
0.628 0.125～0.210 36.0～53.2
表2 有关数据
比热容/J·（kg·K）-1
汽化热/J·g-1
4 186 1 670～2 090
460.5
2 260 167～314
—
粘度（20 ℃）/mm2·s-1
1.0 20～300
—
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图2 燃烧后的使用水性切削液加工镁合金的机床
图3 发生腐蚀的使用常规乳化切削液的镁合金加工机床
图4 腐蚀的镁合金零件（使用常规乳化切削液加工） 达到镁合金的燃点温度而发生燃烧。当有水存在的时 候，高温下镁与水发生的反应比其与空气中氧的反应 更为剧烈：Mg + 2H2O=H2+Mg(OH)2+△Q，反应释 放出大量的热与氢气，氢与空气中的氧结合形成的水 2011年第3期
铸铁件没有发生腐蚀，而浸泡在自来水中铸铁伴已经 明显腐蚀了（见图8）。
（a）将相同材质的铸铁件同时浸泡在切削液（左）和 自来水(右)后24 h的表面状态
图7 铁-水的pH-E图 经过对缓蚀物质的筛选、组合，制备出pH值为 9~10、对钢铁和镁合金都具有缓蚀效果的水基切削 液。该切削液不发霉、无异味、对人体皮肤刺激小； 不使用亚硝酸盐等ROHS标准限制的物质，对环境友 善；切削后的镁合金零件在不清洗、不吹干的条件 下，不出现腐蚀。 3.2.3 用制备的水基切削液进行缓蚀性能试验 （1）钢铁缓蚀试验 a.将相同材质的铸铁样件同时浸泡在制备的切削 液和自来水中24 h后观察。浸泡在制备的切削液中的
切削液的冷却效果与其导热系数、比热容、汽化
热、粘度及其流量等都有密切关系，表2列出了有关 数据。从中可见，从冷却效果和清除沾附在零件表面 的切削液的难易程度及生产成本考虑，采用水性切削 液比较理想。但如果使用不适当的水性切削液加工镁 合金零件，将会导致几个问题：a.容易引起加工机床 的腐蚀；b.粘附在零件表面的乳化液容易引起零件腐 蚀；c.沾有乳化液的镁屑在回收、储存过程中由于发 生析氢反应，自燃的可能性比较大。这些都是需要特 别注意的。 3.2 水基镁合金切削液的研制 3.2.1 pH值与粘度范围的选择
（见图12）。
图11 使用没有缓蚀剂的切削液加工AZ91D 镁合金后不清洗出现的腐蚀斑点
图10 将AZ91D镁合金同时浸泡在pH值为9的切削液（上） 和自来水（下）中11 min时的结果 使用常规的水基乳化切削液加工的镁合金零件表
面很快就出现明显的白色腐蚀斑点（见图11），而 使用制备的水基切削液加工的镁合金零件，即使加工 后不清洗，零件表面也不会出现明显的白色腐蚀斑点
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材
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料应用
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（a）腐蚀发生前
（b）腐蚀初期 图6 沾附镁屑的铸铁的腐蚀过程
（c）腐蚀后期
同样原因导致沾附潮湿镁屑的镁合金零件也容易 发生腐蚀。
3 问题的解决措施
3.1 正确选择镁合金切削冷却液 金属加工切削液具有冷却、润滑、清洗和防锈4
［1］刘镇昌.金属切削液——选择、配制与使用［M］.北
京:化学工业出版社，2007.
［2］宋光铃.镁合金腐蚀与防护［M］.北京：化学工业
出版社，2006.
［3］表面处理工艺手册［M］.上海：上海科学技术出版
社，1991.
AT &M
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关键词：镁合金 切削液 腐蚀 缓蚀剂 中图分类号：TG501.5 文献标识码：B
徐关庆 林键彬 陆勇林
1 镁合金在切削加工过程中容易出现 的问题
镁合金是常用金属中最轻的金属，而且加工性能 十分良好，是重要的汽车轻量化材料之一。由表1看 出，与其他金属相比，镁合金是切削功率消耗比最低 的金属。一般情况下，只需要经过一次精加工便可以 达到最终要求的表面粗糙度。但镁合金在切削加工过 程中，容易出现燃烧或者加工机床/加工零件被腐蚀
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图12 使用添加了缓蚀剂的切削液加工AZ91D 镁合金后不清洗不出现腐蚀斑点
4 结束语
镁合金在切削加工过程中容易发生燃烧、机床/
加工零件被腐蚀的问题。主要原因在于加工时产生的
镁屑燃点低、化学活性高。通过正确选择、使用切削
液，可以减少上述事故的发生。
参考文献：
水基切削液的各种标准中规定其pH值一般为 8~10。若pH值过低，对钢、铸铁和铜的防锈性能下 降；过高，对铝件容易生产腐蚀；若pH值达到10.5 以上，则会对皮肤产生较强的刺激性[1]。参考上述要 求，镁合金水基切削液的pH值也应该控制在9~10.5 范围内为佳。
另外，随着切削液中矿物油和有机添加剂浓度 的增加，切削液的粘度也随之增加，使切削液的导
图5 镁-水的pH-E图 镁合金在切削过程中，铸铁机床的某些表面大 部分时间沾附着潮湿的、松散的、单体颗粒较小的镁 屑。这些镁屑和机床（铸铁）表面组成了原电池，发 生如下的电化学腐蚀。 阳极（镁屑）区域：Mg-2e=Mg2+ 阴极（钢铁）区域：2H2O+2e=H2+2OH-， Mg2++2OH-=Mg(OH)2 铸铁表面生成的白色粘性Mg(OH) 2胶体不但 没有电化学保护作用，反而成为腐蚀介质的吸附点 而变成了原电池的阴极区域，引发铸铁的局部腐蚀 （见图6）。
15～30 5～20
注：假定镁合金切削功率消耗为1。
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图1 燃烧后的干式加工镁合金的机床
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又迅速汽化，由此而引起爆炸。 2.2 镁合金加工机床/镁合金加工零件容易被腐蚀的 原因
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镁合金在切削加工过程中容易出现的 问题与对策
摘要：镁合金在切削加工过程中容易出现燃烧、加工机床/加工零件被腐蚀等问题，而正确使 用镁合金切削液可以减少这类问题的发生。分析了镁合金在切削加工过程中容易出现的各种问题的 原因；介绍了选择镁合金切削液的原则；通过试验，配制了对钢铁和镁合金都具有缓蚀效果的水基 切削液。
在实际生产中发现，使用常规乳化切削液的镁 合金加工机床往往比切削钢铁或者切削铝合金的机床 腐蚀得严重，同时被切削的镁合金零件也容易发生腐 蚀。分析原因如下。
从 图 5 [2]可 知 ， 只 有 在 p H ≥ 1 2 的 强 碱 条 件 下，镁的表面才能因形成具有一定钝化性能的Mg （OH）2而呈现稳定状态；镁及其合金在酸、弱碱 及潮湿的大气中都不稳定。镁在常温、纯净水中的 反应比较温和，水中电解质浓度的增加、镁材料中 杂质的增多、镁材料表面积的增加，都会加速镁的 腐蚀。
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热性能和清洗性能下降，不利于镁合金的加工，因 此镁合金水基切削液的粘度应该控制在比较低的范围 （5~10 mm2/s）为佳。 3.2.2 缓蚀剂的选择
由图5和图7[3]可见，在pH值为9~10的碱性溶液 中，只要没有大量的Cl-等活性离子存在，钢和铸铁 都处于钝化状态；而镁合金在pH值为9~11的碱性溶 液中依然处于活性状态，而且其活性随着溶液中酸根 离子（如Cl-、PO43-、CO32-）浓度的增加而增加。 这说明使用没有特殊缓蚀剂的pH值为9~11的切削 液，在切削过程中镁合金会发生腐蚀，切削后滞留 在零件表面的切削液也会继续腐蚀镁合金零件。因 此，配制镁合金水基切削液的关键在于控制其pH值 为9~10，同时切削液中还必须含有对铸铁和镁合金 都具有缓蚀作用的缓蚀剂。
表1 几种金属材料的切削功率消耗比较
材料
相对功率消耗
粗车时的切削速度/mm·min-1
采用5～10 mm钻头的钻削速度/mm·min-1
镁合金
1.0
铝合金
1.8
铸铁
3.5
可达1 200 75～750 30～90
150～500 60～400 10～40
低碳钢 镍合金
6.3 10.0
40～200 20～90
的问题，这成为困扰镁合金推广应用的原因之一。图 1和图2是燃烧后的加工镁合金的机床，图3是腐蚀的 镁合金加工机床，图4是腐蚀的镁合金加工件。
2 问题的原因分析
2.1 镁合金在切削加工过程中容易燃烧的原因 镁的化学性质活泼、燃点低，切削过程产生的
灼热加速了比表面积很大的镁屑与空气中的氧进行放 热反应：Mg + O 2=MgO +△Q，切屑越薄，越容易
图9 使用研制的镁合金切削液机床表面有一层白色、 指甲可以刮去的滑腻的干膜防止钢铁腐蚀
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（2）镁合金AZ91D缓蚀试验 将AZ91D镁合金同时浸泡在制备的pH值为9的 水基切削液和自来水中。浸泡5 min后在自来水中 的镁合金试样表面开始有气体析出，浸泡11 min 时镁合金试样表面吸附气泡明显；而浸泡在水基切 削液中的镁合金试样表面几乎没有气体吸附（见图 10）；将经过精加工的镁合金轴承套试样浸泡在加 入研制的缓蚀剂（5 g/L）的硫酸溶液（15~20 mL/ L）中3~5 min，取出、水洗后，用内径千分尺测量 加工尺寸没有变化。可见，研制的缓蚀剂对镁合金 具有明显的缓蚀效果。
个功能。正确地选择和使用适合于镁合金加工的切削 液，可以有效地解决上述生产中遇到的问题。
镁合金切削功率消耗比低，且化学性质活泼，易 发生燃烧。因此选择镁合金切削液时应侧重于冷却、 清洗和防锈性能。切削液通过热传导的作用降低切削 温度，使镁屑的温度在加工过程中始终低于其燃点温 度，从而可以避免燃烧事故的发生。国外提倡采用矿 物油切削液加工镁合金，可以抑止镁和水/空气发生 反应，避免发生燃烧事故和加工机床/镁合金零件被 腐蚀。然而使用矿物油切削液存在着冷却/清洗效果 差、成本高、本身容易燃烧——给生产管理带来诸多 困难等问题。
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（b）在切削液（左）和自来水(右)中浸泡24 h后取出 不清洗的铸铁表面状态
图8 用制备的水基切削液进行铸铁缓蚀性能试验 b.采用制备的水基切削液进行镁合金加工3个月 的机床表面没有出现黄色的锈斑，而是有一层白色用 指甲可以刮去的滑腻的干膜（见图9），这是因为制 备的水基切削液中含有硬脂酸钠等成分，切削过程中 在机床表面形成了皂化干膜。