固体润滑剂切削加工应用

2015-09-23   来源：润滑油情报 网友评论 0 条

固体润滑剂由于摩擦性能优良、承载能力和耐磨性较高、良好的宽温特性和时效性等特点，可以应用在不能使用润滑油脂的地方、环境恶劣及无需维护的场合，在切削加工中也广泛应用固体润滑剂来改善摩擦的润滑情况。

对切削加工进行润滑的方法主要有三种：①采用具有润滑功能的切削液；②在刀具表面进行润滑涂层；③使用自润滑刀具。

在切削液中，固体润滑剂只是以添加剂的形式起辅助作用，来提高切削液的性能；而在后两种润滑方法中固体润滑剂是其发挥润滑作用的主要因素。

本文主要阐述固体润滑剂在涂层刀具及自润滑刀具上的应用。

应用于涂层刀具

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，近十年来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占14%。

涂层刀具可分为两大类：一类是“硬”涂层刀具，如TiC及Al2O3等涂层刀具，主要优缺点是表面硬度高、耐磨性能较好；另一类是“软”涂层刀具，如MoS2、WS2、TaS2、MoS2/Mo、MoS2/Ti以及WS2/W等涂层刀具，与工件材料的摩擦系数很低(0.01左右)，可减小粘结，降低切削力和切削温度。

目前常用的刀具涂层材料主要为各种硬质氮化物、氧化物、碳化物或硼化物陶瓷，都具有很高的硬度，优异的耐热性、耐氧化性和耐腐蚀性。
由于涂层材料的形成自由能低、化学性能稳定、与工件材料的化学亲和力小，因此可在刀-屑、刀-工界面之间有效地起到抗粘结的作用。在切削区高温条件下，TiC、TiN等涂层材料还可以被氧化生成一些较软的TiO2膜。Al2O3在800℃以上也具有相当的流动性，可起到极压润滑作用。从摩擦学观点来看，这两方面都使涂层材料起到了很好的固体润滑剂的作用，不仅使刀具抗粘结磨损的能力增强，对降低切削力、切削温度和提高加工质量均有好处。

用涂层和镀膜等方法将固体润滑剂粘结在刀具表面而形成固体润滑膜，可以起到润滑功效。具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，其本身的各层之间有较低的剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜将转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间。即使摩擦发生在固体润滑膜内部，也可达到减小摩擦系数和降低刀具磨损的目的。

应用于自润滑刀具

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。

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。目前，在切削过程中实现刀具自润滑的方法主要有两种：①利用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自润滑作用的反应膜；②直接将固体润滑剂添加到刀具材料中，实现刀具自润滑。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、hBN、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格要求。

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。

固体润滑剂在切削液中的应用，大大提高了切削的润滑特性、承载能力和温度适应性能，改善了加工表面质量，使切削液在苛刻加工条件下的性能大大提高。

将固体润滑剂应用到涂层刀具中制备出具有润滑功能的涂层刀具，可以改善刀具的摩擦性能，比单独使用硬涂层的刀具具有更高的使用寿命和较低的摩擦系数。对刀具表面进行涂覆润滑涂层是一种很有前途的润滑方式之一，目前国内外发展都很快，但是涂层刀具中的润滑涂层在切削过程中难以补充，一旦润滑涂层磨损或脱落便会发生润滑失效，因此，从目前的情况来看，切削加工中最有前途的润滑技术可能是自润滑刀具，它具有优异的减摩和抗磨作用，并可节省冷却润滑系统、减小设备投资、降低加工成本、减小资源消耗和防止切削液对环境的污染，在高速切削、干切削、硬切削和难加工材料的加工等方面有广阔的应用前景。