2 刀具材料自潤滑功能的實(shí)現(xiàn)方式

圖1 Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼時(shí)刀具磨損區(qū)XRD衍射譜圖

圖2 Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼時(shí)刀—屑間平均摩擦系數(shù)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(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)。由于硼化物在摩擦過程中易于生成溶解有其它元素的硼氧化物反應(yīng)膜，而該反應(yīng)膜具有較低的剪切強(qiáng)度，可有效改善刀具材料的潤滑性能，因此，通過對(duì)刀具材料進(jìn)行合理的組分匹配設(shè)計(jì)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，有望利用切削過程中的摩擦化學(xué)反應(yīng)在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應(yīng)膜，從而達(dá)到刀具自潤滑效果。采用該方法獲得的刀具材料可避免添加固體潤滑劑對(duì)刀具材料機(jī)械性能的不利影響。由于該潤滑膜只有在刀具表面高溫條件下通過摩擦化學(xué)反應(yīng)才會(huì)產(chǎn)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，尤其適用于高速干切削加工。作者曾用Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具進(jìn)行干切削淬硬鋼的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具在高速干切削時(shí)具有自潤滑功能。當(dāng)切削速度較低時(shí)，切削溫度較低，刀具磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨料磨損；當(dāng)切削速度較高時(shí)，刀具表面平均溫度>800℃(瞬時(shí)最高溫度更高)，對(duì)切削后刀具磨損區(qū)進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，XRD圖譜中出現(xiàn)了TiO₂衍射峰(見圖1)，這表明TiB₂在切削高溫作用下發(fā)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(shí)由基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進(jìn)行。由于TiB₂氧化物的彈性模量和硬度明顯低于基體材料，因此可減小切削力和前刀面的平均動(dòng)摩擦系數(shù)µ(見圖2)，并能減輕刀具磨損，從而有利于提高刀具耐磨性能。
   
   對(duì)Al₂O₃/TiB₂、Al₂O₃/TiB₂/SiC_w陶瓷刀具分別在空氣和氮?dú)鈿夥罩懈汕邢鞲邚?qiáng)度鋼的磨損行為試驗(yàn)研究表明，通入氮?dú)鈺?huì)降低Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具的耐磨損能力，但會(huì)提高Al₂O₃/TiB₂/SiC_w陶瓷刀具的耐磨損能力。這是因?yàn)榫ы氃鲰g陶瓷刀具在空氣中高速切削時(shí)，晶須的氧化與脫落是其主要磨損機(jī)制之一，它可減弱刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用，加速刀具磨損；而通入氮?dú)鈩t有利于防止晶須氧化。 Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具在空氣中高速切削時(shí)，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(kuò)散、減輕粘著，因此可降低動(dòng)摩擦系數(shù)，有利于提高刀具耐磨性能；而通入氮?dú)鈩t不利于刀具表面氧化膜的生成。
   
   Cheryl等人對(duì)Si₃N₄/TiC陶瓷刀具材料在000℃高溫下的摩擦磨損試驗(yàn)研究結(jié)果表明，Si₃N₄和TiC在高溫下將發(fā)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系數(shù)，并有利于提高刀具材料的耐磨性能。
   
   
2. 自潤滑涂層與表面離子注入
   
   采用涂層、鍍膜等方法可將固體潤滑劑涂覆在刀具表面，采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(shù)發(fā)展迅速。目前日本的硬質(zhì)合金、陶瓷刀片總產(chǎn)量中，涂層刀片已占到41%。涂層刀具可分為兩大類：一類為“硬”涂層刀具，如TiC、TiN、Al₂O₃等涂層刀具，其主要特點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好；另一類為“軟”涂層刀具(即自潤滑涂層刀具)，如MoS₂、WS₂、TaS₂、MoS₂/Mo、WS₂/W、TaS₂/Ta、MoS₂/Al/Mo等涂層刀具，其主要特點(diǎn)是表面摩擦系數(shù)小，不易粘結(jié)，可有效降低切削力和切削溫度。與普通涂層刀具不同，自潤滑涂層刀具是通過采用適當(dāng)?shù)挠�、軟相材料成分以及特殊工藝，在刀具表面獲得適當(dāng)?shù)慕M織、微觀結(jié)構(gòu)和膜層形態(tài)，從而可在切削高溫、高壓下實(shí)現(xiàn)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系數(shù)，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系數(shù)和自潤滑功能的摩擦表面。為改善涂層刀具的切削性能，美國學(xué)者開發(fā)了新型納米涂層(Nanocoating)。這種涂層可由多種涂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(shè)計(jì)合理的納米涂層可使刀具材料具有優(yōu)異的減摩、抗磨功能和自潤滑性能，非常適合于高速干切削加工。
   
   采用固態(tài)潤滑劑多層納米涂層(MoS₂/Mo)的高速鋼鉆頭與未涂層鉆頭的干切削對(duì)比試驗(yàn)(工件材料Ti-6Al4V合金，鉆頭直徑fr.5mm，鉆削速度2200r/min)結(jié)果表明：多層納米涂層鉆頭鉆削時(shí)的鉆削力比未涂層鉆頭減小約33%，鉆削性能明顯優(yōu)于未涂層鉆頭。采用MoS₂涂層的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀銑削高強(qiáng)度鈦合金零件時(shí)，銑刀壽命可比未涂層銑刀提高20%；銑削Al-Cu-Mg合金時(shí)，MoS₂涂層銑刀的生產(chǎn)率可比未涂層銑刀提高3倍。
   
   
3. 添加固態(tài)潤滑劑制備自潤滑刀具材料
   
   由于自潤滑材料在特殊工作條件下具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，因而受到人們的廣泛關(guān)注，成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。添加固態(tài)潤滑劑是制備自潤滑材料的一個(gè)重要途徑。常用的固態(tài)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(xué)穩(wěn)定性好、物性變化小等特點(diǎn)，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(fù)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(diǎn)，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(yīng)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(jìn)制造技術(shù)對(duì)刀具材料提出的嚴(yán)苛要求。
   
   添加固態(tài)潤滑劑會(huì)對(duì)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(dǎo)致材料機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的潤滑作用，同時(shí)又能保證刀具材料的物理機(jī)械性能不致明顯下降，就必須在其物理機(jī)械性能與自潤滑性能之間進(jìn)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(gè)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。

3 自潤滑刀具材料的研究方向