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自润滑刀具材料研究综述 |
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作者：山东大学 邓建新 丁泽良 赵军 王景海 艾兴 |
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1 研究自润滑刀具的意义
在切削加工过程中，刀具的前、后刀面不断与切屑和工件接触，并发生剧烈摩擦，接触区处于高温、高压状态。发生在刀具上的摩擦与磨损会造成刀具钝化失效，使切削无法进行；发生在工件上的剧烈摩擦则会使加工表面质量恶化。为减轻切削加工时的摩擦与磨损，目前普遍采用的方法是在切削加工中使用具有润滑作用的切削液。切削液的主要作用是改善切削过程的摩擦润滑状态，降低切削温度，从而延长刀具寿命、提高加工表面质量。但在切削(尤其是高速切削)高温作用下，采用切削液润滑存在以下问题：①在切削高温作用下，切削液中的添加剂难以与刀具表面发生作用而形成接触充分的边界膜；②随着切削温度的升高，切削液的粘性呈指数性下降，加上切削压力的作用，易造成微凸体直接接触；③高温环境下易发生液态润滑(润滑油、脂)性能衰减。因此，对于高速切削等存在切削高温的加工场合，传统的切削液减摩润滑方法已难以满足加工要求。此外，在切削液的制造、使用、处理及排放过程中需消耗大量资源和能源。德国、日本专家的研究表明：使用切削液的费用约占零件制造成本的16%，使用磨削液的费用在制造成本中所占比例则更高。更为严重的是，使用切削液会造成环境污染。目前，欧美等工业发达国家为控制切削液对环境的危害，相继制定了严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用。解决这一问题最有效的途径是采用少、无切削液、对环境友好的绿色干切削加工技术。
采用干式切削时，由于缺少切削液的润滑和冷却作用，刀具—工件、刀具—切屑之间的摩擦加剧，切削力增大，切削热激增，切削温度急剧升高，极易引起刀具耐用度下降及加工表面质量恶化。为此，国内外已投入大量人力和资金对干切削技术进行研究，如从改进刀具性能着手开发干切削技术，研制适用于干切削的先进刀具材料(如新型陶瓷刀具、纳米复合涂层刀具、PCBN 刀具等)。但由于干切削(尤其是高速干切削)时摩擦条件异常严酷，切削温度极高，刀具热磨损十分严重，导致刀具寿命偏低。因此迫切需要研究开发无污染、高效率的新型润滑方式。自润滑材料的出现及发展为解决这一技术难题提供了新的思路，开发和应用自润滑切削刀具无疑是解决这一问题的最佳途径之一。自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工。由于自润滑刀具的应用可减小摩擦与磨损，省去冷却润滑系统，减少设备投资，避免切削液造成的环境污染，实现清洁化生产，降低生产成本，因此自润滑刀具是一种高效、洁净的绿色刀具，在现代切削加工中具有广阔的应用前景。
2 刀具材料自润滑功能的实现方式
目前，刀具材料自润滑功能的实现主要有三种方式：①利用刀具在切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自润滑；②通过对刀具材料进行表面涂层或表面离子注入，形成自润滑功能表面；③以固态润滑剂作为刀具材料添加剂，制备自润滑刀具材料。
1) 刀具材料表面润滑膜的生成
在切削过程中，刀具表面在切削高温作用下将发生摩擦化学反应。由于硼化物在摩擦过程中易于生成溶解有其它元素的硼氧化物反应膜，而该反应膜具有较低的剪切强度，可有效改善刀具材料的润滑性能，因此，通过对刀具材料进行合理的组分匹配设计和摩擦学设计，有望利用切削过程中的摩擦化学反应在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而达到刀具自润滑效果。采用该方法获得的刀具材料可避免添加固体润滑剂对刀具材料机械性能的不利影响。由于该润滑膜只有在刀具表面高温条件下通过摩擦化学反应才会产生，因此这种自润滑刀具材料在切削高温下具有良好的自润滑能力，尤其适用于高速干切削加工。作者曾用Al2O3/TiB2陶瓷刀具进行干切削淬硬钢的试验研究，结果表明，Al2O3/TiB2陶瓷刀具在高速干切削时具有自润滑功能。当切削速度较低时，切削温度较低，刀具磨损机制主要表现为磨料磨损；当切削速度较高时，刀具表面平均温度>800℃(瞬时最高温度更高)，对切削后刀具磨损区进行XRD分析发现，XRD图谱中出现了TiO2衍射峰(见图1)，这表明TiB2在切削高温作用下发生了氧化，TiB2的氧化物TiO2、B2O3可在切屑与刀具前刀面之间起到固体润滑剂的作用，此时由基体承受载荷，而摩擦则在氧化膜上进行。由于TiB2氧化物的弹性模量和硬度明显低于基体材料，因此可减小切削力和前刀面的平均动摩擦系数µ(见图2)，并能减轻刀具磨损，从而有利于提高刀具耐磨性能。
图1 Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬钢时刀具磨损区XRD衍射谱图
图2 Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬钢时刀—屑间平均摩擦系数随切削速度的变化
对Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/SiCw陶瓷刀具分别在空气和氮气气氛中干切削高强度钢的磨损行为试验研究表明，通入氮气会降低Al2O3/TiB2陶瓷刀具的耐磨损能力，但会提高Al2O3/TiB2/SiCw陶瓷刀具的耐磨损能力。这是因为晶须增韧陶瓷刀具在空气中高速切削时，晶须的氧化与脱落是其主要磨损机制之一，它可减弱刀具材料的增韧补强作用，加速刀具磨损；而通入氮气则有利于防止晶须氧化。 Al2O3/TiB2陶瓷刀具在空气中高速切削时，TiB2氧化生成的表面氧化膜既可起到固体润滑剂的作用，又能阻止扩散、减轻粘着，因此可降低动摩擦系数，有利于提高刀具耐磨性能；而通入氮气则不利于刀具表面氧化膜的生成。
Cheryl等人对Si3N4/TiC陶瓷刀具材料在000℃高温下的摩擦磨损试验研究结果表明，Si3N4和TiC在高温下将发生氧化，在摩擦表面生成的含Si、Ti的氧化膜可显著降低摩擦系数，并有利于提高刀具材料的耐磨性能。
2) 自润滑涂层与表面离子注入
采用涂层、镀膜等方法可将固体润滑剂涂覆在刀具表面，采用离子注入等表面处理方法也可在刀具表面形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有自润滑功能。
表面涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。近十年来，刀具涂层技术发展迅速。目前日本的硬质合金、陶瓷刀片总产量中，涂层刀片已占到41%。涂层刀具可分为两大类：一类为“硬”涂层刀具，如TiC、TiN、Al2O3等涂层刀具，其主要特点是硬度高、耐磨性能好；另一类为“软”涂层刀具(即自润滑涂层刀具)，如MoS2、WS2、TaS2、MoS2/Mo、WS2/W、TaS2/Ta、MoS2/Al/Mo等涂层刀具，其主要特点是表面摩擦系数小，不易粘结，可有效降低切削力和切削温度。与普通涂层刀具不同，自润滑涂层刀具是通过采用适当的硬、软相材料成分以及特殊工艺，在刀具表面获得适当的组织、微观结构和膜层形态，从而可在切削高温、高压下实现减摩、抗磨功能。
金属Al、Ti、Si、Mg、V、Zr、Ta、Mo、W等的氧化膜具有较小摩擦系数，在刀具材料表面通过离子注入这些元素，可形成具有极小摩擦系数和自润滑功能的摩擦表面。为改善涂层刀具的切削性能，美国学者开发了新型纳米涂层(Nanocoating)。这种涂层可由多种涂层材料以不同方式组合而成(如金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具材料具有优异的减摩、抗磨功能和自润滑性能，非常适合于高速干切削加工。
采用固态润滑剂多层纳米涂层(MoS2/Mo)的高速钢钻头与未涂层钻头的干切削对比试验(工件材料Ti-6Al4V合金，钻头直径fr.5mm，钻削速度2200r/min)结果表明：多层纳米涂层钻头钻削时的钻削力比未涂层钻头减小约33%，钻削性能明显优于未涂层钻头。采用MoS2涂层的硬质合金可转位面铣刀铣削高强度钛合金零件时，铣刀寿命可比未涂层铣刀提高20%；铣削Al-Cu-Mg合金时，MoS2涂层铣刀的生产率可比未涂层铣刀提高3倍。
3) 添加固态润滑剂制备自润滑刀具材料
由于自润滑材料在特殊工作条件下具有优良的摩擦学特性，因而受到人们的广泛关注，成为材料科学研究领域的一个重要发展方向。添加固态润滑剂是制备自润滑材料的一个重要途径。常用的固态润滑剂有MoS2、h-BN、H3BO3、TaS2、WS2等以及部分软金属(Ni、W、Al、Ti、Co等)，它们与金属材料的摩擦系数可降低至0.1～0.2，仅为普通刀具材料的1/4～1/2。固态润滑剂具有承载极限高、高温化学稳定性好、物性变化小等特点，在特殊工作条件下具有良好的润滑性能。将固态润滑剂作为添加剂加入刀具材料基体中形成复合刀具材料，可利用固态润滑剂易拖敷、摩擦系数小等特点，在刀具表面形成连续的固态润滑层，从而使刀具材料获得自润滑特性。此类自润滑刀具材料具有良好的高温摩擦性能，可适应1200℃以上的切削温度范围以及很宽的切削速度范围，并能承受高载荷，可较好满足高速切削、干式切削、硬态切削以及难加工材料加工等先进制造技术对刀具材料提出的严苛要求。
添加固态润滑剂会对刀具材料性能产生两方面的影响：一方面，固态润滑剂可在摩擦表面拖敷形成润滑膜，从而改善摩擦界面的接触状态，减小摩擦磨损；另一方面，固态润滑剂在刀具材料中的弥散可能导致材料机械性能下降。因此，为了既保证固态润滑剂的足够含量以形成连续润滑膜，从而实现稳定的润滑作用，同时又能保证刀具材料的物理机械性能不致明显下降，就必须在其物理机械性能与自润滑性能之间进行合理的综合平衡。由于此类自润滑刀具材料内部始终含有固态润滑剂，因而刀具在整个生命周期内始终具有自润滑功能，且刀具材料在很宽的温度范围内(低速到高速切削)均具有自润滑能力。
3 自润滑刀具材料的研究方向
开发和应用具有低摩擦系数和自润滑功能的新型刀具材料，可节省冷却润滑设备投资、降低加工成本、减少资源消耗、防止切削液污染环境、实现绿色加工。因此，对相关课题的研究已引起切削加工业界及学者的广泛关注和高度重视。今后，对自润滑刀具材料的主要研究方向包括：新型自润滑刀具材料的研制、自润滑膜的形成机理及其在磨损过程中的变化规律、影响自润滑膜形成及特性的主要因素、自润滑膜的组织与性能对自润滑刀具耐磨性能的影响、自润滑刀具的切削性能等。(end)
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(2/17/2005) |
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