離子液體在微量潤(rùn)滑磨削界面的摩擦學(xué)機(jī)理研究

王德祥 趙齊亮 張 宇 高 騰 江京亮 劉國(guó)梁 李長(zhǎng)河

1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島，2665252.青島理工大學(xué)工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島，266525

0 引言

離子液體是指在室溫或近于室溫下呈液態(tài)的離子化合物，其室溫液態(tài)特性與完全離子存在形式使其展現(xiàn)出良好的傳熱性能，是一類極具發(fā)展前途的傳熱介質(zhì)[1]。與通常采用的植物油基微量潤(rùn)滑磨削液相比，離子液體具有更高的熱導(dǎo)率，在25 ℃條件下，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF4)和1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([HMIM]BF4)的熱導(dǎo)率分別是0.186 W/(m·K)[1]和0.170 W/(m·K)[2]，而植物油的熱導(dǎo)率一般小于0.170 W/(m·K)[3]。同時(shí)，離子液體具有更好的熱穩(wěn)定性，[BMIM]BF4和[HMIM]BF4的熱分解溫度分別為403 ℃[1]和358 ℃[2]，而植物油的熱分解溫度一般為300℃左右[4]。并且，離子液體具有極低的蒸汽壓，可避免磨削區(qū)發(fā)生成膜沸騰。進(jìn)一步研究表明，離子液體還具有突出的潤(rùn)滑性能，在多種摩擦副表面易于形成具有優(yōu)良抗磨減摩性能的邊界潤(rùn)滑膜[5]。鑒于在摩擦學(xué)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，離子液體在機(jī)械加工領(lǐng)域也逐步得到關(guān)注。已有研究表明，無(wú)論是作為切削液[6]還是切削液添加劑[7-8]，離子液體均展現(xiàn)出比傳統(tǒng)油基切削液更好的潤(rùn)滑性能。得益于其優(yōu)良傳熱及潤(rùn)滑性能，離子液體具備應(yīng)用于微量潤(rùn)滑磨削加工的巨大潛力。

微量潤(rùn)滑(minimum quantity lubrication，MQL)技術(shù)利用高壓高速氣體將極微量的磨削液(一般為30～100 mL/h[9])散裂成為霧滴，形成具有極高速度和動(dòng)能的氣霧射流，然后噴向磨削區(qū)進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。目前有關(guān)微量潤(rùn)滑磨削加工的已有研究，主要包括從宏觀角度利用磨削加工實(shí)驗(yàn)分析磨削液屬性[10-11]、供液參數(shù)[12-13]和噴嘴的布置[13-14]等因素對(duì)微量潤(rùn)滑技術(shù)冷卻潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律研究，以及利用納米流體[15-16]、低溫氣體[17-18]和輔助射流[19]等手段進(jìn)行微量潤(rùn)滑技術(shù)的性能增效研究。但是，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以直接觀測(cè)微量潤(rùn)滑磨削界面磨粒-工件-霧滴之間的交互作用，因此，目前對(duì)于霧滴在磨粒/工件界面形成潤(rùn)滑油膜的內(nèi)在機(jī)理，大多是基于磨削加工后砂輪表面及工件表面的掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)或原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)圖片以及能量色散譜(energy dispersive spectrum, EDS)分析結(jié)果推測(cè)出來(lái)的，雖然能解釋部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但是還缺乏揭示微量潤(rùn)滑磨削界面潤(rùn)滑油膜形成機(jī)理的直接證據(jù)，對(duì)于霧滴在微量潤(rùn)滑磨削界面的摩擦學(xué)機(jī)理，尚缺乏系統(tǒng)的微觀尺度研究。

分子動(dòng)力學(xué)模擬是開(kāi)展模擬體系微觀尺度研究的有效方法，能從原子尺度揭示微量潤(rùn)滑磨削界面磨粒-工件-霧滴之間的交互作用[20]。本文以兩種離子液體為研究對(duì)象，分別是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF4)和1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([HMIM]BF4)，采用電鍍CBN砂輪，開(kāi)展鎳基高溫合金GH4169的微量潤(rùn)滑磨削加工實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)離子液體作為磨削液的微量潤(rùn)滑磨削加工性能，并采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和工件已加工表面X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)分析，揭示離子液體在微量潤(rùn)滑磨削界面的摩擦學(xué)機(jī)理。

1 微量潤(rùn)滑磨削加工實(shí)驗(yàn)方案

在K-P36型精密數(shù)控平面磨床上搭建微量潤(rùn)滑磨削加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。微量潤(rùn)滑供液裝置采用上海金兆節(jié)能有限公司生產(chǎn)的微量潤(rùn)滑供油系統(tǒng)，其基本原理如圖2所示。油杯通過(guò)接頭6安裝在活塞泵上，油杯中的液體進(jìn)入腔體后，脈沖氣流經(jīng)氣管17輸入活塞泵，與彈簧4協(xié)同控制活塞3往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)液體進(jìn)入油管11中。高壓空氣經(jīng)氣管14輸入活塞泵后進(jìn)入氣管12中。氣管12和油管11分別與霧化噴嘴的外殼和內(nèi)芯相連接，在霧化噴嘴內(nèi)高壓空氣將液體混合霧化，形成高速運(yùn)動(dòng)的氣霧射流。

采用電鍍CBN砂輪，開(kāi)展鎳基合金GH4169的磨削加工實(shí)驗(yàn)。工件尺寸為40 mm×30 mm×30 mm，通過(guò)線切割鎳基合金黑皮鍛件獲得。砂輪沿工件長(zhǎng)度方向磨削，磨削寬度等于砂輪寬度。采用順磨方式開(kāi)展磨削實(shí)驗(yàn)，在每組磨削實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，都通過(guò)磨削灰鑄鐵進(jìn)行砂輪修整，具體的磨削工藝參數(shù)如表2所示。在磨削過(guò)程中，采用三向壓電晶體測(cè)力儀測(cè)量磨削力，采用K型鉻鎳-鋁鎳熱電偶測(cè)量磨削區(qū)溫度，如圖3所示。磨削完成后，采用VK-X1000系列形狀測(cè)量激光顯微系統(tǒng)測(cè)量被磨工件已加工表面形貌和表面粗糙度。

表2 磨削工藝條件

圖3 磨削力和磨削溫度測(cè)量方案Fig.3 Schematic representation of the measurements ofgrinding force and grinding temperature

開(kāi)展磨削加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，先測(cè)量磨削力，再測(cè)量磨削溫度，最后測(cè)量已加工表面形貌。在每組磨削工藝參數(shù)下，測(cè)量磨削力5～10次，測(cè)量順序是干磨→MQL-[HMIM]BF4→MQL-[BMIM]BF4。測(cè)量磨削溫度時(shí)，將熱電偶被磨穿(圖4)前一次的測(cè)量值作為磨削溫度測(cè)量結(jié)果，測(cè)溫順序與測(cè)力順序相同。測(cè)量表面粗糙度時(shí)，在被測(cè)工件已加工表面選取4～6個(gè)位置測(cè)量，將測(cè)量值取平均值后作為最終測(cè)量結(jié)果。

圖4 熱電偶被磨穿的激光顯微圖像Fig.4 Laser microscopic image of thermocouplebeing grinded

2 離子液體的微量潤(rùn)滑磨削加工性能

采用磨削比能、磨削力比、表面粗糙度和磨削溫度4個(gè)指標(biāo)參數(shù)，定量評(píng)價(jià)離子液體作為磨削液的微量潤(rùn)滑磨削加工性能。

2.1 磨削比能

磨削比能es是指去除單位體積工件材料所消耗的能量比，比能越小，表明潤(rùn)滑效果越好，其表達(dá)式為es=Ftvs/(aevwb)，其中，F(xiàn)t為切向力，vs為砂輪線速度，ae為磨削深度，vw為工件進(jìn)給速度，b為磨削寬度。由圖5可知，采用離子液體進(jìn)行微量潤(rùn)滑磨削加工時(shí)，比能值相比干磨時(shí)顯著減小。在干磨時(shí)，三種磨削深度下比能均值約為62.4 J/mm3，而在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，當(dāng)磨削深度為10 μm和20 μm時(shí),[BMIM]BF4的比能均值約為47.7 J/mm3，[HMIM]BF4的比能均值約為43.9 J/mm3。當(dāng)磨削深度為30 μm時(shí)，兩種離子液體的比能值較為接近，兩者比能均值約為51.1 J/mm3，較磨削深度為10 μm和20 μm時(shí)均有增大。這是因?yàn)殡S著磨削深度的增大，氣霧射流進(jìn)入磨削界面的難度加大，導(dǎo)致磨削界面霧滴的浸潤(rùn)面積減小，潤(rùn)滑效果減弱，從而造成磨削比能增大。

圖5 磨削比能測(cè)試結(jié)果Fig.5 Measurements of grinding specific energy

2.2 磨削力比

磨削力比RF是切向力Ft與法向力Fn之比，力比越小，表明潤(rùn)滑效果越好，其測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可知干磨狀態(tài)下的磨削力比最大，三種磨削深度下力比均值約為0.44。在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，當(dāng)磨削深度為10 μm和20 μm時(shí)，[BMIM]BF4的力比均值約為0.19，[HMIM]BF4的力比均值約為0.23。當(dāng)磨削深度增大至30 μm時(shí)，由于磨削區(qū)霧滴浸潤(rùn)面積減小，導(dǎo)致潤(rùn)滑效果減弱，使得[BMIM]BF4的力比增大至0.22，[HMIM]BF4的力比增大至0.28。

圖6 磨削力比測(cè)試結(jié)果Fig.6 Measurements of grinding force ratio

2.3 表面粗糙度

圖7所示為垂直于磨削方向的已加工表面粗糙度測(cè)試結(jié)果，可知采用離子液體進(jìn)行微量潤(rùn)滑磨削加工時(shí)，表面粗糙度比干磨時(shí)稍低。干磨時(shí)，工件已加工表面輪廓算術(shù)平均偏差Ra=1.12 μm，微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，[BMIM]BF4的Ra值為1.07 μm，[HMIM]BF4的Ra值為1.04 μm。這是因?yàn)槲⒘繚?rùn)滑狀態(tài)下，離子液體在磨粒/工件界面形成了潤(rùn)滑油膜，一方面增大了磨粒切刃下方工件材料的彈塑性變形，另一方面緩解了磨粒與工件材料之間的黏附，從而降低了工件已加工表面粗糙度。

圖7 表面粗糙度測(cè)試結(jié)果(ae=30 μm)Fig.7 Measurements of surface roughness(ae=30 μm)

2.4 磨削溫度

圖8所示為工件已加工表面形貌，可知在干磨時(shí)已加工表面出現(xiàn)了輕微的燒傷現(xiàn)象，而在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下未見(jiàn)明顯的燒傷現(xiàn)象，這表明與干磨時(shí)相比，采用上述兩種離子液體進(jìn)行微量潤(rùn)滑磨削加工能顯著降低磨削溫度，避免發(fā)生磨削燒傷。

(a)干磨

(b)MQL-[HMIM]BF4

(c)MQL-[BMIM]BF4圖8 已加工表面形貌Fig.8 Topography of machined suface

圖9 磨削溫度測(cè)試結(jié)果(ae=30 μm)Fig.9 Measurements of grinding temperature (ae=30 μm)

磨削溫度測(cè)試結(jié)果也證實(shí)，在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下磨削區(qū)最高溫度較干磨狀態(tài)下降低了100 ℃以上，如圖9所示。當(dāng)磨削深度為30 μm時(shí)，干磨時(shí)磨削區(qū)的最高溫升為303.8 ℃，在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，[BMIM]BF4的最高溫升為191.0 ℃，[HMIM]BF4的最高溫升為185.6 ℃。

綜上分析，可知以上兩種離子液體均表現(xiàn)出良好的微量潤(rùn)滑磨削加工性能，均較干磨時(shí)可降低磨削比能、磨削力比以及工件已加工表面粗糙度，并較干磨時(shí)大幅降低磨削溫度，避免發(fā)生磨削燒傷，從而提高工件已加工表面質(zhì)量，因此，離子液體適合作為磨削液應(yīng)用于微量潤(rùn)滑磨削加工中。

3 微量潤(rùn)滑磨削界面分子動(dòng)力學(xué)模擬

離子液體表現(xiàn)出良好微量潤(rùn)滑磨削加工性能的關(guān)鍵是它在磨粒/工件界面形成了潤(rùn)滑油膜。但是，由于在微量潤(rùn)滑磨削加工時(shí)，難以在線觀測(cè)磨粒-工件-霧滴之間的交互作用，對(duì)于磨粒/工件界面潤(rùn)滑油膜的形成機(jī)制，尚缺乏揭示其內(nèi)在機(jī)理的直接證據(jù)。本節(jié)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，以[BMIM]BF4為微量潤(rùn)滑磨削液，從原子尺度揭示磨粒/工件界面潤(rùn)滑油膜的形成機(jī)制。

3.1 分子動(dòng)力學(xué)模型

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件LAMMPS進(jìn)行模擬計(jì)算，采用后處理軟件OVITO對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化，所建立的分子動(dòng)力學(xué)模型如圖10所示。

(a)建模原理圖

3.1.1幾何模型

工件材料、離子液體和磨粒材料的選取均與筆者前期研究[20]一致。工件材料是鎳、鐵和鉻三組分鎳基合金，晶格常數(shù)是0.352 nm，三種元素的原子數(shù)百分比分別為52%、30%和18%，各元素原子在工件材料內(nèi)部隨機(jī)分布。將工件建立為30 nm×11 nm×5 nm的長(zhǎng)方體，并設(shè)置邊界層、恒溫層和牛頓層。邊界層和恒溫層的厚度均為0.5 nm，設(shè)置邊界層是為了防止磨粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中工件發(fā)生整體移動(dòng)，設(shè)置恒溫層是為了及時(shí)傳導(dǎo)出熱量，防止模擬體系溫度過(guò)高造成崩潰，牛頓層是實(shí)際參與磨削的部分。

磨粒材料是晶格常數(shù)為0.362 nm的單晶立方氮化硼，其形狀為去除錐頂?shù)乃睦忮F，棱錐底面邊長(zhǎng)為17 nm，棱錐高度為8.5 nm，沿錐頂去除3.5 nm，磨粒剩余高度為5 nm。利用光學(xué)顯微鏡觀察砂輪表面形貌后發(fā)現(xiàn)，磨粒側(cè)面凹凸不平，磨鈍表面存在許多由微破碎所導(dǎo)致的凹槽狀斷口(圖11)，因此，建立磨粒幾何模型時(shí)，將磨粒側(cè)面建立為不平整表面，將磨粒磨鈍表面為建立為帶有凹槽狀斷口的表面，如圖10b所示。磨粒也設(shè)置邊界層、恒溫層和牛頓層，邊界層和恒溫層的厚度均為0.5 nm。

圖11 砂輪表面形貌Fig.11 Surface topography of grinding wheel

建立液膜的幾何模型時(shí)，首先利用Gaussian 09軟件[21]進(jìn)行量子化學(xué)計(jì)算，得到[BMIM]BF4分子的最優(yōu)構(gòu)型(圖12)；然后利用Packmol軟件和Moltemplate軟件構(gòu)建尺寸為10 nm×10 nm×2 nm的離子液體液膜，液膜由380個(gè)陰陽(yáng)離子對(duì)構(gòu)成；在液膜內(nèi)部設(shè)置恒溫層，其形狀是邊長(zhǎng)為1 nm的正方體，且其對(duì)稱中心與液膜的對(duì)稱中心重合，除恒溫層外，液膜內(nèi)部其他原子都是牛頓層原子。

圖12 [BMIM]BF4分子的最優(yōu)構(gòu)型[20]Fig.12 Optimal configuration of [BMIM]BF4 molecule[20]

3.1.2模擬細(xì)節(jié)

除進(jìn)行微量潤(rùn)滑狀態(tài)下的模擬外，本文還進(jìn)行了一組干磨狀態(tài)下的分子動(dòng)力學(xué)模擬，并將其作為參照組進(jìn)行對(duì)比分析。分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，將工件長(zhǎng)度方向(x向)和高度方向(z向)設(shè)為固定邊界條件，將寬度方向(y向)設(shè)為周期性邊界條件，且每組模擬均分為弛豫、下降和磨削三個(gè)階段。

弛豫階段：首先，在正則系綜(NVT)下采用Berendsen熱浴控溫，控制溫度為298 K，分別將工件、磨粒和液膜(干磨時(shí)無(wú)液膜)弛豫至平衡態(tài)，弛豫時(shí)間為0.2 ns；然后，利用已弛豫至平衡態(tài)的工件、磨粒和液膜構(gòu)建模擬體系，并采用共軛梯度法對(duì)模擬體系進(jìn)行能量?jī)?yōu)化；最后，在NVT系綜下采用Berendsen熱浴控溫，控制溫度也為298 K，將模擬體系弛豫至平衡態(tài)，弛豫時(shí)間也為0.2 ns。

下降階段：在微正則系綜(NVE)下，磨粒沿-z方向以50 m/s的速度向下切入工件，切入深度分別為0.5 nm、1.0 nm和1.5 nm，同時(shí)，采用Nose-Hoover熱浴將磨粒、工件和液膜的恒溫層溫度控制在298 K；待下降階段完成后，繼續(xù)采用Nose-Hoover熱浴將模擬體系弛豫至新的平衡態(tài)。

磨削階段：在NVE下，繼續(xù)采用Nose-Hoover熱浴控溫，使磨粒沿x方向以50 m/s的速度磨削工件，磨?？傂谐虨?5 nm，時(shí)長(zhǎng)為0.3 ns。

以上各階段模擬時(shí)間步長(zhǎng)均為1 fs。

3.1.3勢(shì)函數(shù)

本文所用勢(shì)函數(shù)與筆者前期研究[20]完全一致，簡(jiǎn)述如下。采用擴(kuò)展Tersoff勢(shì)函數(shù)[22]、嵌入原子勢(shì)(EAM)勢(shì)函數(shù)[23]和全原子力場(chǎng)[24]分別描述磨粒、工件和離子液體[BMIM]BF4內(nèi)部原子之間的相互作用。采用Morse勢(shì)函數(shù)描述磨粒與工件原子之間的相互作用，采用Lennard-Jones勢(shì)函數(shù)描述液膜與磨粒、工件之間的相互作用，具體的勢(shì)函數(shù)參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20,22-24]。

3.1.4磨削力和應(yīng)力分布的計(jì)算方法

用于后續(xù)分析的參數(shù)主要有磨削力和應(yīng)力分布，本節(jié)介紹上述兩參數(shù)的計(jì)算方法。磨削力的計(jì)算利用了LAMMPS的內(nèi)部命令compute reduce，通過(guò)計(jì)算磨粒所受x、y和z向的力獲得，且每1000個(gè)時(shí)間步輸出一次。

應(yīng)力分布的計(jì)算過(guò)程為：①采用LAMMPS進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，計(jì)算模擬體系中所有原子的應(yīng)力張量σ′(分量為σ′x,σ′y,σ′z,τ′xy,τ′xz,τ′yz)；②逐個(gè)掃描模擬體系內(nèi)所有原子，以被掃描原子為球心，以1 nm為半徑作球面，累加球面內(nèi)所有原子的各應(yīng)力分量后，再除以球體的體積，即可計(jì)算出各原子處宏觀應(yīng)力張量σ(分量為σx,σy,σz,τxy,τxz,τyz)；③計(jì)算各原子處von Mises等效應(yīng)力σv。上述涉及的計(jì)算公式如下：

式中，V為球體的體積；N為球面內(nèi)原子數(shù)。

3.2 模擬結(jié)果分析

(a)磨粒切入深度為1.5 nm時(shí)模擬結(jié)果

圖13a所示是磨粒切入深度為1.5 nm時(shí)的切向力模擬結(jié)果，可知當(dāng)磨粒行程在5 nm之后切向力基本趨于穩(wěn)定，因此取磨粒行程在5～15 nm階段的切向力平均值用于后續(xù)分析。在干磨(無(wú)液膜)和微量潤(rùn)滑(有液膜)狀態(tài)下，當(dāng)磨粒切入深度分別為0.5 nm、1.0 nm和1.5 nm時(shí)，切向力模擬計(jì)算結(jié)果如圖13b所示，可知微量潤(rùn)滑狀態(tài)下的切向力較干磨狀態(tài)下減小了10%以上。

(b)各切入深度下切向力平均值圖13 切向磨削力的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果Fig.13 Molecular dynamics simulations oftangential grinding force

受限于分子動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算能力，模型中磨粒/工件界面的尺度僅為納米級(jí)，而實(shí)際磨削加工時(shí)，磨粒/工件界面的尺度是微米級(jí)，因此，兩者的尺度不同。雖然這會(huì)導(dǎo)致切向力的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)量級(jí)上不一致，但是兩者得到的定性規(guī)律是一致的，即微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，切向力較干磨時(shí)有所減小，這必然與磨粒/工件界面形成了潤(rùn)滑油膜有關(guān)。

以磨粒切入深度是1.5 nm為例，當(dāng)磨粒行程為11 nm時(shí)，磨粒/工件界面的接觸狀態(tài)如圖14所示，可知與干磨狀態(tài)下相比，在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，磨粒/工件界面不僅存在磨粒工件直接接觸的區(qū)域，還存在磨粒工件不直接接觸的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，存儲(chǔ)于磨鈍表面凹槽狀斷口內(nèi)的離子液體將磨粒與工件分隔開(kāi)，形成了潤(rùn)滑油膜。根據(jù)摩擦學(xué)基礎(chǔ)理論[25]，磨粒與工件之間的摩擦力Ff可表達(dá)為

Ff=τsAs+τlAl

式中，τs為工件材料的剪切強(qiáng)度；As為磨粒與工件之間的直接接觸面積；τl為離子液體的黏滯阻力；Al為潤(rùn)滑油膜的作用面積。

(a)干磨

(b)微量潤(rùn)滑圖14 磨粒/工件界面的接觸狀態(tài)Fig.14 Contact state of abrasive grain/workpiece interface

在干磨狀態(tài)下，凹槽狀斷口內(nèi)擠滿了工件材料，如圖14a所示，而在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，吸附在凹槽狀斷口內(nèi)的離子液體分子形成了潤(rùn)滑油膜，如圖14b所示，油膜減小了磨粒與工件之間的直接接觸面積As，從而減小了摩擦力Ff。

由圖14b還可得知，在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，在磨粒切刃及除凹槽狀斷口外的磨鈍表面上并未形成吸附膜，這是由于這些位置存在極大的擠壓應(yīng)力(圖15)，離子液體分子被擠出磨粒工件接觸表面，因此在磨粒/工件界面上形成的是邊界潤(rùn)滑膜。

圖15 磨粒/工件界面的應(yīng)力分布Fig.15 Stress distribution of abrasivegrain/workpiece interface

通過(guò)本節(jié)分析可知，磨粒磨鈍表面上由于微破碎所形成的凹槽狀斷口是離子液體進(jìn)入磨粒/工件界面的主要輸運(yùn)通道，離子液體分子吸附在凹槽狀斷口內(nèi)形成邊界潤(rùn)滑膜，通過(guò)減小磨粒工件之間的直接接觸面積來(lái)減小摩擦力。

4 工件已加工表面XPS分析

分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，在微量潤(rùn)滑狀態(tài)下，磨粒/工件界面形成了物理吸附膜，本節(jié)通過(guò)對(duì)工件已加工表面進(jìn)行XPS分析來(lái)研究磨粒/工件界面化學(xué)反應(yīng)膜的形成機(jī)制。

開(kāi)展XPS測(cè)試時(shí)，首先線切割制作尺寸為5 mm×5 mm×3 mm的測(cè)試樣品，然后利用酒精和超聲振蕩儀清洗工件，最后采用PHI5000 Versaprobe Ⅲ型XPS分析儀測(cè)試工件已加工表面，分析工件材料的主要金屬元素鎳(Ni)、鐵(Fe)和鉻(Cr)，以及離子液體主要元素硼(B)、氟(F)和氮(N)。每個(gè)樣品均測(cè)試3個(gè)不同位置的點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的測(cè)試區(qū)域均是直徑為200 μm的圓。

XPS分析結(jié)果表明，采用[BMIM]BF4作為微量潤(rùn)滑磨削液時(shí)，在工件已加工表面均檢測(cè)出了上述6種元素，而F元素只存在于離子液體中，這表明在磨削過(guò)程中離子液體與工件材料發(fā)生了某種化學(xué)反應(yīng)，形成了化學(xué)反應(yīng)膜。圖16是[BMIM]BF4作為微量潤(rùn)滑磨削液時(shí)工件已加工表面的XPS圖譜，可知Fe元素的結(jié)合能峰值出現(xiàn)在710.4 eV和711.4 eV處，分別歸屬于Fe2O3和FeF2中的Fe元素；Ni元素的峰值出現(xiàn)在855.0 eV處，對(duì)應(yīng)于NiO中的Ni元素；Cr元素的結(jié)合能峰值在出現(xiàn)在576.2 eV和579.8 eV處，分別歸屬于Cr2O3和CrF3中的Cr元素；F元素在684.9 eV和685.6 eV存在兩個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)于FeF2和CrF3中的F元素；B元素和N元素的結(jié)合能峰值分別出現(xiàn)在190.5 eV和398.4 eV處，各自對(duì)應(yīng)于BN中的B元素和N元素。上述分析結(jié)果表明，在微量潤(rùn)滑磨削加工過(guò)程中，[BMIM]BF4與工件材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了FeF2和CrF3，并且最終在磨粒/工件界面形成了氟化物與氧化物共存的化學(xué)反應(yīng)膜。

(a)Fe2p (b)Ni2p

(c)Cr2p (d)F1s

(e)B1s (f)N1s圖16 工件已加工表面XPS譜峰圖(MQL-[BMIM]BF4)Fig.16 XPS spectrum on the finished surface ofthe workpiece(MQL-[BMIM]BF4)

(a)Fe2p (b)Ni2p

(c)Cr2p (d)F1s

(e)B1s (f)N1s圖17 工件已加工表面XPS譜峰圖(MQL-[HMIM]BF4)Fig.17 XPS spectrum on the finished surface ofthe workpiece(MQL-[HMIM]BF4)

采用[HMIM]BF4作為微量潤(rùn)滑磨削液時(shí)，上述6種元素也均被檢測(cè)到，相應(yīng)的XPS圖譜如圖17所示。其中，F(xiàn)e元素以Fe2O3和FeF2的形式存在，Ni元素以NiO的形式存在，Cr元素以Cr2O3和CrF3的形式存在，B和N元素以BN的形式存在。這表明在微量潤(rùn)滑磨削加工過(guò)程中，[HMIM]BF4與工件材料也發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成了FeF2和CrF3，同樣在磨粒/工件界面形成了氟化物與氧化物共存的化學(xué)反應(yīng)膜。

上述分析結(jié)果表明，在微量潤(rùn)滑磨削加工時(shí)，由于處在磨削界面高溫高壓的環(huán)境下，離子液體會(huì)發(fā)生分解，使得陰離子中的F元素與工件材料中的Fe和Cr元素結(jié)合生成氟化物。摩擦學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究表明，F(xiàn)eF2具有剪切強(qiáng)度低、減摩抗磨性能好等優(yōu)點(diǎn)[26]，可以在微量潤(rùn)滑磨削界面起到良好的潤(rùn)滑作用。

5 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，離子液體適合作為磨削液應(yīng)用于微量潤(rùn)滑磨削加工中，既能較干磨時(shí)降低磨削比能和磨削力比，提高工件已加工表面質(zhì)量，又能較干磨時(shí)大幅降低磨削溫度，降幅達(dá)100 ℃以上，避免發(fā)生磨削燒傷。

(2)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，離子液體分子通過(guò)吸附在磨粒磨鈍表面的凹槽狀斷口內(nèi)來(lái)進(jìn)入磨粒工件接觸界面從而形成邊界潤(rùn)滑膜，通過(guò)減小磨粒工件之間的直接接觸面積來(lái)減小摩擦力。

(3)XPS分析結(jié)果表明，在微量潤(rùn)滑磨削加工過(guò)程中，[BMIM]BF4和[HMIM]BF4兩種離子液體均與工件材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，均在磨粒/工件界面形成了氟化物與氧化物共存的化學(xué)反應(yīng)膜。