1.3 切削液对加工质量及服役性能的影响

除常规的冷却润滑等功能外，切削液对表面加工质量存在着不可忽视的相互作用。经过充分的文献调研、前期预研及分析总结，切削液对金属表面质量及服役性能的影响主要体现在以下方面：

（1）切削液与金属材料的匹配决定二者的物理/化学/电化学作用。

切削液的研制追求通用性，通常包含大量不同的功能添加剂，这些组分与金属元素、金相间存在独立于切削过程的材料匹配问题。由于乳化液微观结构和性能不均匀，加之金属晶粒晶界的性能差异，切削液在金属表面的微观吸附特性存在明显不均匀性（图1-16）；不同吸附物与金属表面间存在复杂的化学/电化学作用，会造成有效元素的流失（如不锈钢中的Cr）以及晶粒尺度内的材料损伤（如晶间腐蚀），导致金属加工表面质量的微观不均匀及表面性能下降。

图1-16 乳化型切削液在金属表面的微观吸附不均匀性

（2）切削过程中应力、热作用下切削液影响材料去除过程及新鲜表面的形态演变。

切削过程中应、热力等作用下切削液与表面发生复杂的相互作用。切削液的冷却、润滑特性影响切削力、温度及刀具磨损，导致不同的表面材料特性和几何特性；新鲜表面形成瞬间处于活性极高的非平衡状态，存在多种缺陷，切削液会形成复杂的吸附/反应层（图1-17），而且所吸附的成分会改变材料表面能及变形规律，并加速表面的失效（Rehbinder效应）；切削液中的成分会通过晶界、位错、原子间隙等向亚表层扩散，改变了金属表面元素成分及力学性能（图1-18）；晶界扩散及反应扩散属于固体扩散理论中的高速扩散机制，无法直接通过成熟的间隙扩散或置换扩散机制进行分析，目前暂无完善的普适性扩散模型；晶界成分及性能的改变容易诱发材料的晶间腐蚀，造成材料性能的急剧下降。

图1-17 新鲜表面的形态演变

（a）加工表层原子的非平衡状态；（b）微观吸附状态；（c）表面吸附/扩散层

图1-18 切削液成分向金属表面的扩散机制

（3）严苛服役环境下切削液的扩散/残留及表面特性对服役性能造成长期影响。

切削液带来的残余应力、粗糙度、元素流失等表面质量的差异和各种缺陷，会直接影响工件的服役性能；切削液在金属表面的吸附、扩散、残留等，会在严苛服役工况下造成表面成分及形态的进一步变化，导致服役性能退化，影响部件的服役寿命和可靠性。

（4）切削液成分及性能变化对表面质量和性能的影响存在时变特性。

切削液的成分和性能并不是固定不变的，对表面质量的影响存在时变特性。随着使用时间延长及污染程度加剧，切削液的成分和微观结构会发生变化，杂质离子/分子、固体杂质微粒不断累积，切削液的各项理化性能会发生明显退化，并最终反映在加工表面质量及服役性能上。

切削液对表面质量影响的完整研究涉及材料、化工、切削、表面化学、摩擦学等多学科交叉，涉及学科众多且学科跨度大、研究难度高、工作量大，在国内高校和工业界尚未引起足够的重视，与之相关的基础研究和技术储备非常薄弱，亟待进行深入、系统的理论探索和研究。

针对上述问题，本书选择汽轮机、燃气轮机高温端关重件叶片与转子典型材料镍基高温合金与耐热不锈钢为研究对象，围绕切削液对典型难加工材料精密加工表面完整性及长期服役性能的影响，以切削液的理化性能为基础，探索切削液的Rehbinder效应对难加工材料高速剪切变形过程的影响，将加工表面的几何特性、材料特性与切削液的理化性能联系起来，初步建立切削液的理化性能与加工表面粗糙度、残余应力、成分演变等表面完整性指标的关联，基于电化学检测分析了切削液的长期腐蚀对加工表面服役性能可能的影响。本书的研究结果可以为面向长期服役性能的难加工材料精密加工过程中切削液的选用、使用过程控制与管理提供理论基础与技术支持。