自润滑刀具材料研究综述

1 研究自润滑刀具的意义

在切削加工过程中，刀具的前、后刀面不断与切屑和工件接触，并发生剧烈摩擦，接触区处于高温、高压状态。发生在刀具上的摩擦与磨损会造成刀具钝化失效，使切削无法进行；发生在工件上的剧烈摩擦则会使加工表面质量恶化。为减轻切削加工时的摩擦与磨损，目前普遍采用的方法是在切削加工中使用具有润滑作用的切削液。切削液的主要作用是改善切削过程的摩擦润滑状态，降低切削温度，从而延长刀具寿命、提高加工表面质量。但在切削(尤其是高速切削)高温作用下，采用切削液润滑存在以下问题：①在切削高温作用下，切削液中的添加剂难以与刀具表面发生作用而形成接触充分的边界膜；②随着切削温度的升高，切削液的粘性呈指数性下降，加上切削压力的作用，易造成微凸体直接接触；③高温环境下易发生液态润滑(润滑油、脂)性能衰减。因此，对于高速切削等存在切削高温的加工场合，传统的切削液减摩润滑方法已难以满足加工要求。此外，在切削液的制造、使用、处理及排放过程中需消耗大量资源和能源。德国、日本专家的研究表明：使用切削液的费用约占零件制造成本的16%，使用磨削液的费用在制造成本中所占比例则更高。更为严重的是，使用切削液会造成环境污染。目前，欧美等工业发达国家为控制切削液对环境的危害，相继制定了严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用。解决这一问题最有效的途径是采用少、无切削液、对环境友好的绿色干切削加工技术。

采用干式切削时，由于缺少切削液的润滑和冷却作用，刀具—工件、刀具—切屑之间的摩擦加剧，切削力增大，切削热激增，切削温度急剧升高，极易引起刀具耐用度下降及加工表面质量恶化。为此，国内外已投入大量人力和资金对干切削技术进行研究，如从改进刀具性能着手开发干切削技术，研制适用于干切削的先进刀具材料(如新型陶瓷刀具、纳米复合涂层刀具、PCBN 刀具等)。但由于干切削(尤其是高速干切削)时摩擦条件异常严酷，切削温度极高，刀具热磨损十分严重，导致刀具寿命偏低。因此迫切需要研究开发无污染、高效率的新型润滑方式。自润滑材料的出现及发展为解决这一技术难题提供了新的思路，开发和应用自润滑切削刀具无疑是解决这一问题的最佳途径之一。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。

2 刀具材料自润滑功能的实现方式

目前，刀具材料自润滑功能的实现主要有三种方式：①利用刀具在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润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自润滑；②通过对刀具材料进行表面涂层或表面离子注入，形成自润滑功能表面；③以固态润滑剂作为刀具材料添加剂，制备自润滑刀具材料。

1) 刀具材料表面润滑膜的生成

在切削过程中，刀具表面在切削高温作用下将发生摩擦化学反应。由于硼化物在摩擦过程中易于生成溶解有其它元素的硼氧化物反应膜，而该反应膜具有较低的剪切强度，可有效改善刀具材料的润滑性能，因此，通过对刀具材料进行合理的组分匹配设计和摩擦学设计，有望利用切削过程中的摩擦化学反应在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而达到刀具自润滑效果。采用该方法获得的刀具材料可避免添加固体润滑剂对刀具材料机械性能的不利影响。由于该润滑膜只有在刀具表面高温条件下通过摩擦化学反应才会产生，因此这种自润滑刀具材料在切削高温下具有良好的自润滑能力，尤其适用于高速干切削加工。作者曾用Al2O3/TiB2陶瓷刀具进行干切削淬硬钢的试验研究，结果表明，Al2O3/TiB2陶瓷刀具在高速干切削时具有自润滑功能。当切削速度较低时，切削温度较低，刀具磨损机制主要表现为磨料磨损；当切削速度较高时，刀具表面平均温度>800℃(瞬时最高温度更高)，对切削后刀具磨损区进行XRD分析发现，XRD图谱中出现了TiO2衍射峰(见图1)，这表明TiB2在切削高温作用下发生了氧化，TiB2的氧化物TiO2、B2O3可在切屑与刀具前刀面之间起到固体润滑剂的作用，此时由基体承受载荷，而摩擦则在氧化膜上进行。由于TiB2氧化物的弹性模量和硬度明显低于基体材料，因此可减小切削力和前刀面的平均动摩擦系数µ(见图2)，并能减轻刀具磨损，从而有利于提高刀具耐磨性能。

图1 Al2O3/TiB2陶瓷刀具干切削淬硬钢时刀具磨损区XRD衍射谱图