自潤(rùn)滑刀具材料研究綜述

1 研究自潤(rùn)滑刀具的意義
   在切削加工過(guò)程中，刀具的前、后刀面不斷與切屑和工件接觸，并發(fā)生劇烈摩擦，接觸區(qū)處于高溫、高壓狀態(tài)。發(fā)生在刀具上的摩擦與磨損會(huì)造成刀具鈍化失效，使切削無(wú)法進(jìn)行；發(fā)生在工件上的劇烈摩擦則會(huì)使加工表面質(zhì)量惡化。為減輕切削加工時(shí)的摩擦與磨損，目前普遍采用的方法是在切削加工中使用具有潤(rùn)滑作用的切削液。切削液的主要作用是改善切削過(guò)程的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)，降低切削溫度，從而延長(zhǎng)刀具壽命、提高加工表面質(zhì)量。但在切削(尤其是高速切削)高溫作用下，采用切削液潤(rùn)滑存在以下問(wèn)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(fā)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(shù)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(huán)境下易發(fā)生液態(tài)潤(rùn)滑(潤(rùn)滑油、脂)性能衰減。因此，對(duì)于高速切削等存在切削高溫的加工場(chǎng)合，傳統(tǒng)的切削液減摩潤(rùn)滑方法已難以滿足加工要求。此外，在切削液的制造、使用、處理及排放過(guò)程中需消耗大量資源和能源。德國(guó)、日本專家的研究表明：使用切削液的費(fèi)用約占零件制造成本的16%，使用磨削液的費(fèi)用在制造成本中所占比例則更高。更為嚴(yán)重的是，使用切削液會(huì)造成環(huán)境污染。目前，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為控制切削液對(duì)環(huán)境的危害，相繼制定了嚴(yán)格的工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步限制了切削液的使用。解決這一問(wèn)題最有效的途徑是采用少、無(wú)切削液、對(duì)環(huán)境友好的綠色干切削加工技術(shù)。 

   采用干式切削時(shí)，由于缺少切削液的潤(rùn)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(zhì)量惡化。為此，國(guó)內(nèi)外已投入大量人力和資金對(duì)干切削技術(shù)進(jìn)行研究，如從改進(jìn)刀具性能著手開(kāi)發(fā)干切削技術(shù)，研制適用于干切削的先進(jìn)刀具材料(如新型陶瓷刀具、納米復(fù)合涂層刀具、PCBN 刀具等)。但由于干切削(尤其是高速干切削)時(shí)摩擦條件異常嚴(yán)酷，切削溫度極高，刀具熱磨損十分嚴(yán)重，導(dǎo)致刀具壽命偏低。因此迫切需要研究開(kāi)發(fā)無(wú)污染、高效率的新型潤(rùn)滑方式。自潤(rùn)滑材料的出現(xiàn)及發(fā)展為解決這一技術(shù)難題提供了新的思路，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用自潤(rùn)滑切削刀具無(wú)疑是解決這一問(wèn)題的最佳途徑之一。自潤(rùn)滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨、潤(rùn)滑功能，可在無(wú)外加潤(rùn)滑液或潤(rùn)滑劑的條件下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑切削加工。由于自潤(rùn)滑刀具的應(yīng)用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，減少設(shè)備投資，避免切削液造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，因此自潤(rùn)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(yīng)用前景。

2 刀具材料自潤(rùn)滑功能的實(shí)現(xiàn)方式
   目前，刀具材料自潤(rùn)滑功能的實(shí)現(xiàn)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(xué)反應(yīng)，在刀具材料表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑；②通過(guò)對(duì)刀具材料進(jìn)行表面涂層或表面離子注入，形成自潤(rùn)滑功能表面；③以固態(tài)潤(rùn)滑劑作為刀具材料添加劑，制備自潤(rùn)滑刀具材料。

刀具材料表面潤(rùn)滑膜的生成 
   在切削過(guò)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(guò)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(rùn)滑性能，因此，通過(guò)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(guò)程中的摩擦化學(xué)反應(yīng)在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而達(dá)到刀具自潤(rùn)滑效果。采用該方法獲得的刀具材料可避免添加固體潤(rùn)滑劑對(duì)刀具材料機(jī)械性能的不利影響。由于該潤(rùn)滑膜只有在刀具表面高溫條件下通過(guò)摩擦化學(xué)反應(yīng)才會(huì)產(chǎn)生，因此這種自潤(rùn)滑刀具材料在切削高溫下具有良好的自潤(rùn)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(rùn)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(jiàn)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(rùn)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(jiàn)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/SiCw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/SiCw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(rùn)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。
自潤(rùn)滑涂層與表面離子注入 
   采用涂層、鍍膜等方法可將固體潤(rùn)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(rùn)滑膜，從而使刀具材料具有自潤(rùn)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(lái)，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(rùn)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(rùn)滑涂層刀具是通過(guò)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(guò)離子注入這些元素，可形成具有極小摩擦系數(shù)和自潤(rùn)滑功能的摩擦表面。為改善涂層刀具的切削性能，美國(guó)學(xué)者開(kāi)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(rùn)滑性能，非常適合于高速干切削加工。 

   采用固態(tài)潤(rùn)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。 

添加固態(tài)潤(rùn)滑劑制備自潤(rùn)滑刀具材料 
   由于自潤(rùn)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(rùn)滑劑是制備自潤(rùn)滑材料的一個(gè)重要途徑。常用的固態(tài)潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑性能。將固態(tài)潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑層，從而使刀具材料獲得自潤(rùn)滑特性。此類自潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑可在摩擦表面拖敷形成潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑的足夠含量以形成連續(xù)潤(rùn)滑膜，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的潤(rùn)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(rùn)滑性能之間進(jìn)行合理的綜合平衡。由于此類自潤(rùn)滑刀具材料內(nèi)部始終含有固態(tài)潤(rùn)滑劑，因而刀具在整個(gè)生命周期內(nèi)始終具有自潤(rùn)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(rùn)滑能力。

3 自潤(rùn)滑刀具材料的研究方向
   開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有低摩擦系數(shù)和自潤(rùn)滑功能的新型刀具材料，可節(jié)省冷卻潤(rùn)滑設(shè)備投資、降低加工成本、減少資源消耗、防止切削液污染環(huán)境、實(shí)現(xiàn)綠色加工。因此，對(duì)相關(guān)課題的研究已引起切削加工業(yè)界及學(xué)者的廣泛關(guān)注和高度重視。今后，對(duì)自潤(rùn)滑刀具材料的主要研究方向包括：新型自潤(rùn)滑刀具材料的研制、自潤(rùn)滑膜的形成機(jī)理及其在磨損過(guò)程中的變化規(guī)律、影響自潤(rùn)滑膜形成及特性的主要因素、自潤(rùn)滑膜的組織與性能對(duì)自潤(rùn)滑刀具耐磨性能的影響、自潤(rùn)滑刀具的切削性能等