固體潤滑劑切削加工應用

2015-09-23   來源：潤滑油情報

固體潤滑劑由于摩擦性能優(yōu)良、承載能力和耐磨性較高、良好的寬溫特性和時效性等特點，可以應用在不能使用潤滑油脂的地方、環(huán)境惡劣及無需維護的場合，在切削加工中也廣泛應用固體潤滑劑來改善摩擦的潤滑情況。

對切削加工進行潤滑的方法主要有三種：①采用具有潤滑功能的切削液；②在刀具表面進行潤滑涂層；③使用自潤滑刀具。

在切削液中，固體潤滑劑只是以添加劑的形式起輔助作用，來提高切削液的性能；而在后兩種潤滑方法中固體潤滑劑是其發(fā)揮潤滑作用的主要因素。

本文主要闡述固體潤滑劑在涂層刀具及自潤滑刀具上的應用。

應用于涂層刀具

對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，近十年來，刀具涂層技術取得了飛速發(fā)展，涂層工藝越來越成熟。在日本的硬質(zhì)合金和陶瓷刀片總產(chǎn)量中，涂層刀片占14%。

涂層刀具可分為兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如TiC及Al2O3等涂層刀具，主要優(yōu)缺點是表面硬度高、耐磨性能較好；另一類是“軟”涂層刀具，如MoS2、WS2、TaS2、MoS2/Mo、MoS2/Ti以及WS2/W等涂層刀具，與工件材料的摩擦系數(shù)很低(0.01左右)，可減小粘結(jié)，降低切削力和切削溫度。

目前常用的刀具涂層材料主要為各種硬質(zhì)氮化物、氧化物、碳化物或硼化物陶瓷，都具有很高的硬度，優(yōu)異的耐熱性、耐氧化性和耐腐蝕性。
由于涂層材料的形成自由能低、化學性能穩(wěn)定、與工件材料的化學親和力小，因此可在刀-屑、刀-工界面之間有效地起到抗粘結(jié)的作用。在切削區(qū)高溫條件下，TiC、TiN等涂層材料還可以被氧化生成一些較軟的TiO2膜。Al2O3在800℃以上也具有相當?shù)牧鲃有�，可起到極壓潤滑作用。從摩擦學觀點來看，這兩方面都使涂層材料起到了很好的固體潤滑劑的作用，不僅使刀具抗粘結(jié)磨損的能力增強，對降低切削力、切削溫度和提高加工質(zhì)量均有好處。

用涂層和鍍膜等方法將固體潤滑劑粘結(jié)在刀具表面而形成固體潤滑膜，可以起到潤滑功效。具有層狀結(jié)構的固體潤滑劑與摩擦表面具有較強的粘結(jié)能力，其本身的各層之間有較低的剪切強度，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜將轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤滑膜之間。即使摩擦發(fā)生在固體潤滑膜內(nèi)部，也可達到減小摩擦系數(shù)和降低刀具磨損的目的。

應用于自潤滑刀具

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(xiàn)自潤滑切削加工。由于自潤滑刀具的應用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤滑系統(tǒng)，減少設備投資，避免切削液造成的環(huán)境污染，實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，因此自潤滑刀具是一種高效、潔凈的綠色刀具，在現(xiàn)代切削加工中具有廣闊的應用前景。

由于自潤滑材料在特殊工作條件下具有優(yōu)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(fā)展方向。目前，在切削過程中實現(xiàn)刀具自潤滑的方法主要有兩種：①利用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自潤滑作用的反應膜；②直接將固體潤滑劑添加到刀具材料中，實現(xiàn)刀具自潤滑。添加固態(tài)潤滑劑是制備自潤滑材料的一個重要途徑。常用的固態(tài)潤滑劑有MoS2、hBN、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系數(shù)可降低至0.1-0.2，僅為普通刀具材料的1/4-1/2。固態(tài)潤滑劑具有承載極限高、高溫化學穩(wěn)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(tài)潤滑劑作為添加劑加入刀具材料基體中形成復合刀具材料，可利用固態(tài)潤滑劑易拖敷、摩擦系數(shù)小等特點，在刀具表面形成連續(xù)的固態(tài)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℃以上的切削溫度范圍以及很寬的切削速度范圍，并能承受高載荷，可較好滿足高速切削、干式切削、硬態(tài)切削以及難加工材料加工等先進制造技術對刀具材料提出的嚴格要求。

添加固態(tài)潤滑劑會對刀具材料性能產(chǎn)生兩方面的影響：一方面，固態(tài)潤滑劑可在摩擦表面拖敷形成潤滑膜，從而改善摩擦界面的接觸狀態(tài)，減小摩擦磨損；另一方面，固態(tài)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(tài)潤滑劑的足夠含量以形成連續(xù)潤滑膜，從而實現(xiàn)穩(wěn)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。

由于此類自潤滑刀具材料內(nèi)部始終含有固態(tài)潤滑劑，因而刀具在整個生命周期內(nèi)始終具有自潤滑功能，且刀具材料在很寬的溫度范圍內(nèi)(低速到高速切削)均具有自潤滑能力。

固體潤滑劑在切削液中的應用，大大提高了切削的潤滑特性、承載能力和溫度適應性能，改善了加工表面質(zhì)量，使切削液在苛刻加工條件下的性能大大提高。

將固體潤滑劑應用到涂層刀具中制備出具有潤滑功能的涂層刀具，可以改善刀具的摩擦性能，比單獨使用硬涂層的刀具具有更高的使用壽命和較低的摩擦系數(shù)。對刀具表面進行涂覆潤滑涂層是一種很有前途的潤滑方式之一，目前國內(nèi)外發(fā)展都很快，但是涂層刀具中的潤滑涂層在切削過程中難以補充，一旦潤滑涂層磨損或脫落便會發(fā)生潤滑失效，因此，從目前的情況來看，切削加工中最有前途的潤滑技術可能是自潤滑刀具，它具有優(yōu)異的減摩和抗磨作用，并可節(jié)省冷卻潤滑系統(tǒng)、減小設備投資、降低加工成本、減小資源消耗和防止切削液對環(huán)境的污染，在高速切削、干切削、硬切削和難加工材料的加工等方面有廣闊的應用前景。