自潤滑刀具的意義

2012-11-23

▇　自潤滑刀具的意義 ..........................................................


　在切削加工過程中，刀具的前、後刀面不斷與切屑和工件接觸，並發生劇烈摩擦，接觸區處於高溫、高壓狀態。

發生在刀具上的摩擦與磨損會造成刀具鈍化失效，使切削無法進行；發生在工件上的劇烈摩擦則會使加工表面質量惡化。

為減輕切削加工時的摩擦與磨損，目前普遍採用的方法是在切削加工中使用具有潤滑作用的切削液。切削液的主要作用是改善切削過程的摩擦潤滑狀態，降低切削溫度，從而延長刀具壽命、提高加工表面質量。

但在切削 ( 尤其是高速切削 ) 高溫作用下，採用切削液潤滑存在以下問題：

1. 在切削高溫作用下，切削液中的添加劑難以與刀具表面發生作用而形成接觸
充分的邊界膜

2. 隨著切削溫度的升高，切削液的粘性呈指數性下降，加上切削壓力的作用，
易造成微凸體直接接觸

3. 高溫環境下易發生液態潤滑 ( 潤滑油、脂 ) 性能衰減


因此，對於高速切削等存在切削高溫的加工場合，傳統的切削液減摩潤滑方法已難以滿足加工要求。此外，在切削液的製造、使用、處理及排放過程中需消耗大量資源和能源。德國、日本專家的研究表明：使用切削液的費用約占零件製造成本的16%，使用磨削液的費用在製造成本中所占比例則更高。更為嚴重的是，使用切削液會造成環境的污染。

目前，歐美等工業發達國家為控制切削液對環境的危害，相繼制定了嚴格的工業排放標準，進一步限制了切削液的使用。解決這一問題最有效的途徑是採用少、無切削液、對環境友好的綠色幹切削加工技術。

採用幹式切削時，由於缺少切削液的潤滑和冷卻作用，刀具—工件、刀具—切屑之間的摩擦加劇，切削力增大，切削熱激增，切削溫度急劇升高，極易引起刀具耐用 度下降及加工表面質量惡化。為此，國內外已投入大量人力和資金對幹切削技術進行研究，如從改進刀具性能著手開發幹切削技術，研製適用於幹切削的先進刀具材 料(如新型陶瓷刀具、納米複合塗層刀具、PCBN 刀具等)。

但由於幹切削(尤其是高速幹切削)時摩擦條件異常嚴酷，切削溫度極高，刀具熱磨損十分嚴重，導致刀具壽命偏低。因此迫切需要研究開發無污染、高效率的新型 潤滑方式。自潤滑材料的出現及發展為解決這一技術難題提供了新的思路，開發和應用自潤滑切削刀具無疑是解決這一問題的最佳途徑之一。

自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨、潤滑功能，可在無外加潤滑液或潤滑劑的條件下實現自潤滑切削加工。由於自潤滑刀具的應用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤滑系統，減少設備投資，避免切削液造成的環境污染，實現清潔化生產，降低生產成本，因此自潤滑刀具是一種高效、潔淨的綠色刀具，在現代切削加工中具有廣闊的應用前景。
▇　刀具材料自潤滑功能的實現方式 ..............................................


目前，刀具材料自潤滑功能的實現主要有三種方式：

1. 利用刀具在切削高溫作用下的摩擦化學反應，在刀具材料表面原位生成
具有潤滑作用的反應膜，從而實現刀具的自潤滑

2. 通過對刀具材料進行表面塗層或表面離子注入，形成自潤滑功能表面

3. 以固態潤滑劑作為刀具材料添加劑，製備自潤滑刀具材料 圖1

Al2O3 / TiB2 陶瓷刀具幹切削淬硬鋼時刀具磨損區 XRD 衍射譜圖 圖2

Al2O3 / TiB2 陶瓷刀具幹切削淬硬鋼時刀—屑間平均摩擦係數隨切削速度的變化
1. 刀具材料表面潤滑膜的生成

在切削過程中，刀具表面在切削高溫作用下將發生摩擦化學反應。由於硼化物在摩擦過程中易於生成溶解有其他元素的硼氧化物反應膜，而該反應膜具有較低的剪切強度，可有效改善刀具材料的潤滑性能，因此，通過對刀具材料進行合理的組分匹配設計和摩擦學設計，有望利用切削過程中的摩擦化學反應在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而達到刀具自潤滑效果。

採用該方法獲得的刀具材料可避免添加固體潤滑劑對刀具材料機械性能的不利影響。由於該潤滑膜只有在刀具表面高溫條件下通過摩擦化學反應才會產生，因此這種自潤滑刀具材料在切削高溫下具有良好的自潤滑能力，尤其適用於高速幹切削加工。作者曾用Al2O3/TiB2陶瓷刀具進行幹切削淬硬鋼的試驗研究，結果表明，Al2O3/TiB2陶瓷刀具在高速幹切削時具有自潤滑功能。

當切削速度較低時，切削溫度較低，刀具磨損機制主要表現為磨料磨損；當切削速度較高時，刀具表面平均溫度>800℃(暫態最高溫度更高)，對切削後刀具磨損區進行XRD分析發現，XRD圖譜中出現了TiO2衍射峰(見圖1)，這表明TiB2在切削高溫作用下發生了氧化，TiB2的氧化物TiO2、B2O3可在切屑與刀具前刀面之間起到固體潤滑劑的作用，此時由基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進行。由於TiB2氧化物的彈性模量和硬度明顯低於基體材料，因此可減小切削力和前刀面的平均動摩擦係數μ(見圖2)，並能減輕刀具磨損，從而有利於提高刀具耐磨性能。

對Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/SiCw陶瓷刀具分別在空氣和氮氣氣氛中幹切削高強度鋼的磨損行為試驗研究表明，通入氮氣會降低Al2O3/TiB2陶瓷刀具的耐磨損能力，但會提高Al2O3/ TiB2/ SiCw陶瓷刀具的耐磨損能力。這是因為晶須增韌陶瓷刀具在空氣中高速切削時，晶須的氧化與脫落是其主要磨損機制之一，它可減弱刀具材料的增韌補強作用，加速刀具 磨損；而通入氮氣則有利於防止晶須氧化。Al2O3/TiB2陶瓷刀具在空氣中高速切削時，TiB2氧化生成的表面氧化膜既可起到固體潤滑劑的作用，又能阻止擴散、減輕粘著，因此可降低動摩擦係數，有利於提高刀具耐磨性能；而通入氮氣則不利於刀具表面氧化膜的生成。

Cheryl等人對Si3N4/TiC陶瓷刀具材料在1200℃高溫下的摩擦磨損試驗研究結果表明，Si3N4和TiC在高溫下將發生氧化，在摩擦表面生成的含Si、Ti的氧化膜可顯著降低摩擦係數，並有利於提高刀具材料的耐磨性能。



2. 自潤滑塗層與表面離子注入

採用塗層、鍍膜等方法可將固體潤滑劑塗覆在刀具表面，採用離子注入等表面處理方法也可在刀具表面形成固體潤滑膜，從而使刀具材料具有自潤滑功能。

表面塗層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。近十年來，刀具塗層技術發展迅速。目前日本的硬質合金、陶瓷刀片總產量中，塗層刀片已占到41%。塗層刀具可分為兩大類：一類為“硬”塗層刀具，如TiC、TiN、Al2O3等塗層刀具，其主要特點是硬度高、耐磨性能好；另一類為“軟”塗層刀具(即自潤滑塗層刀具)，如MoS2、WS2、TaS2、MoS2/Mo、WS2/W、TaS2/Ta、MoS2/Al/Mo等塗層刀具，其主要特點是表面摩擦係數小，不易粘結，可有效降低切削力和切削溫度。

與普通塗層刀具不同，自潤滑塗層刀具是通過採用適當的硬、軟相材料成分以及特殊工藝，在刀具表面獲得適當的組織、微觀結構和膜層形態，從而可在切削高溫、高壓下實現減摩、抗磨功能。

金屬 Al、Ti、Si、Mg、V、Zr、Ta、Mo、W 等的氧化膜具有較小摩擦係數，在刀具材料表面通過離子注入這些元素，可形成具有極小摩擦係數和自潤滑功能的摩擦表面。為改善塗層刀具的切削性能，美國學者開發了新型納米塗層 (Nanocoating)。

這種塗層可由多種塗層材料以不同方式組合而成(如金屬/金屬、金屬/陶瓷、陶瓷/陶瓷等)，以滿足不同的功能和性能要求。設計合理的納米塗層可使刀具材料具有優異的減摩、抗磨功能和自潤滑性能，非常適合於高速幹切削加工。

採用固態潤滑劑多層納米塗層(MoS2/Mo)的高速鋼鑽頭與未塗層鑽頭的幹切削對比試驗(工件材料Ti-6Al4V合金，鑽頭直徑r.5mm，鑽削速度2200r/min )結果表明：多層納米塗層鑽頭鑽削時的鑽削力比未塗層鑽頭減小約33%，鑽削性能明顯優於未塗層鑽頭。採用MoS2塗層的硬質合金可轉位面銑刀銑削高強度鈦合金零件時，銑刀壽命可比未塗層銑刀提高20%；銑削Al-Cu-Mg合金時，MoS2塗層銑刀的生產率可比未塗層銑刀提高3倍。



3. 添加固態潤滑劑製備自潤滑刀具材料

由於自潤滑材料在特殊工作條件下具有優良的摩擦學特性，因而受到人們的廣泛關注，成為材料科學研究領域的一個重要發展方向。添加固態潤滑劑是製備自潤滑材料的一個重要途徑。

常用的固態潤滑劑有MoS2、h-BN、H3BO3、TaS2、WS2等以及部分軟金屬(Ni、W、Al、Ti、Co 等)，它們與金屬材料的摩擦係數可降低至0.1～0.2，僅為普通刀具材料的1/4～1/2。

固態潤滑劑具有承載極限高、高溫化學穩定性好、物性變化小等特點，在特殊工作條件下具有良好的潤滑性能。將固態潤滑劑作為添加劑加入刀具材料基體中形成複合刀具材料，可利用固態潤滑劑易拖敷、摩擦係數小等特點，在刀具表面形成連續的固態潤滑層，從而使刀具材料獲得自潤滑特性。

此類自潤滑刀具材料具有良好的高溫摩擦性能，可適應1200℃以上的切削溫度範圍以及很寬的切削速度範圍，並能承受高載荷，可較好滿足高速切削、幹式切削、硬態切削以及難加工材料加工等先進製造技術對刀具材料提出的嚴苛要求。

添加固態潤滑劑會對刀具材料性能產生兩方面的影響：一方面，固態潤滑劑可在摩擦表面拖敷形成潤滑膜，從而改善摩擦介面的接觸狀態，減小摩擦磨損；另一方面，固態潤滑劑在刀具材料中的彌散可能導致材料機械性能下降。

因此，為了既保證固態潤滑劑的足夠含量以形成連續潤滑膜，從而實現穩定的潤滑作用，同時又能保證刀具材料的物理機械性能不致明顯下降，就必須在其物理機械性能與自潤滑性能之間進行合理的綜合平衡。

由於此類自潤滑刀具材料內部始終含有固態潤滑劑，因而刀具在整個生命週期內始終具有自潤滑功能，且刀具材料在很寬的溫度範圍內(低速到高速切削)均具有自潤滑能力。
▇　自潤滑刀具材料的研究方向 ..........................................................

開發和應用具有低摩擦係數和自潤滑功能的新型刀具材料，可節省冷卻潤滑設備投資、降低加工成本、減少資源消耗、防止切削液污染環境、實現綠色加工。因此，對相關課題的研究已引起切削加工業界及學者的廣泛關注和高度重視。

今後，對自潤滑刀具材料的主要研究方向包括：新型自潤滑刀具材料的研製、自潤滑膜的形成機理及其在磨損過程中的變化規律、影響自潤滑膜形成及特性的主要因素、自潤滑膜的組織與性能對自潤滑刀具耐磨性能的影響、自潤滑刀具的切削性能等。