2 刀具材料自潤滑功能的實現方式

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

圖2 Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬鋼時刀—屑間平均摩擦系數隨切削速度的變化

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)生摩擦化學反應。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膜，而該反應膜具有較低的剪切強度，可有效改善刀具材料的潤滑性能，因此，通過對刀具材料進行合理的組分匹配設計和摩擦學設計，有望利用切削過程中的摩擦化學反應在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而達到刀具自潤滑效果。采用該方法獲得的刀具材料可避免添加固體潤滑劑對刀具材料機械性能的不利影響。由于該潤滑膜只有在刀具表面高溫條件下通過摩擦化學反應才會產生，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陶瓷刀具進行干切削淬硬鋼的試驗研究，結果表明，Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具在高速干切削時具有自潤滑功能。當切削速度較低時，切削溫度較低，刀具磨損機制主要表現為磨料磨損；當切削速度較高時，刀具表面平均溫度>800℃(瞬時最高溫度更高)，對切削后刀具磨損區(qū)進行XRD分析發(fā)現，XRD圖譜中出現了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，此時由基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進行。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摩擦系數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Al₂O₃/TiB₂、Al₂O₃/TiB₂/SiC_w陶瓷刀具分別在空氣和氮氣氣氛中干切削高強度鋼的磨損行為試驗研究表明，通入氮氣會降低Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具的耐磨損能力，但會提高Al₂O₃/TiB₂/SiC_w陶瓷刀具的耐磨損能力。這是因為晶須增韌陶瓷刀具在空氣中高速切削時，晶須的氧化與脫落是其主要磨損機制之一，它可減弱刀具材料的增韌補強作用，加速刀具磨損；而通入氮氣則有利于防止晶須氧化。 Al₂O₃/TiB₂陶瓷刀具在空氣中高速切削時，TiB₂氧化生成的表面氧化膜既可起到固體潤滑劑的作用，又能阻止擴散、減輕粘著，因此可降低動摩擦系數，有利于提高刀具耐磨性能；而通入氮氣則不利于刀具表面氧化膜的生成。
   
   Cheryl等人對Si₃N₄/TiC陶瓷刀具材料在000℃高溫下的摩擦磨損試驗研究結果表明，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，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，刀具涂層技術發(fā)展迅速。目前日本的硬質合金、陶瓷刀片總產量中，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，其主要特點是表面摩擦系數小，不易粘結，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的硬、軟相材料成分以及特殊工藝，在刀具表面獲得適當的組織、微觀結構和膜層形態(tài)，從而可在切削高溫、高壓下實現減摩、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，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。設計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比試驗(工件材料Ti-6Al4V合金，鉆頭直徑fr.5mm，鉆削速度2200r/min)結果表明：多層納米涂層鉆頭鉆削時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涂層的硬質合金可轉位面銑刀銑削高強度鈦合金零件時，銑刀壽命可比未涂層銑刀提高20%；銑削Al-Cu-Mg合金時，MoS₂涂層銑刀的生產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。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、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苛要求。
   
   添加固態(tài)潤滑劑會對刀具材料性能產生兩方面的影響：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部始終含有固態(tài)潤滑劑，因而刀具在整個生命周期內始終具有自潤滑功能，且刀具材料在很寬的溫度范圍內(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