固体润滑剂在切削加工润滑中的应用
作者：苏州中航长风 | 来源：www.szcfedm.com | 浏览次数：
1.引言
摩擦与磨损在材料加工过程中是一大障碍，它们损害刀具，增加功率消耗，并且磨损的磨粒污染了加工材料。在切削加工过程中，刀具的前、后刀面不断与切屑和工件发生剧烈摩擦，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，普遍采用的方法是在切削加工中进行润滑。润滑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。
早在19世纪，固体润滑剂就应用于低速运转的机器上，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下。由于固体润滑剂的优良特性，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。
固体润滑剂的种类很多，有晶体为层状结构的石墨，MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、BN等；有质地较软的金属，如Ag、Pb、Sn、In等；有金属氧化物、氟化物、磷酸盐等。在这些固体润滑剂中，有仅适用于大气中润滑的，如石墨、BN等；有适于真空润滑的，如MoS2，WS2，Pb等。
2.固体润滑机理
如果硬金属在软金属表面滑移，在负荷的作用下，硬金属压入软金属中，使真实接触面积增加，摩擦力也随之增大，将发生犁沟现象。如果硬金属在硬金属表面滑移，尽管硬金属间的接触面积不会增加，但是硬金属的屈服强度大，摩擦力也将增大，由于摩擦表面的升温，容易发生咬合现象。这两种情况的摩擦系数都较大。
如果在硬金属基材表面涂敷一层剪切强度很小的薄膜，使摩擦副间的接触面积既不增加，又能使剪切强度降低的很多，摩擦力和摩擦系数也都有较大的降低，这就起到了固体润滑的作用。但是，如果这层薄膜涂敷在软金属表面，薄膜则不能起到润滑作用。
因此，在硬金属之间的摩擦表面粘着一层剪切强度很小的薄膜能够起到减摩的润滑作用。如果这层薄膜由固体润滑剂来填充，则可称该物质为固体润滑剂。而这层极薄的膜称为固体润滑膜。
3.固体润滑剂在切削液中的应用
切（磨）削加工通常使用液体润滑，以润滑油、乳化液和水基合成切削液为基础添加各种添加剂，以解决切削加工中的润滑冷却问题。在流体润滑状态下，降低润滑油粘度就可以降低摩擦能量损失，但在边界润滑条件下，降低摩擦最有效途径是选择恰当的润滑油添加剂——极压抗磨剂和摩擦改进剂(FM)。摩擦改进剂有两大类：一类是化学摩擦改进剂，其中大部分是极性的或含活性元素(硫、磷和氯)的油溶性大分子化合物；另一类是所谓的机械摩擦改进剂，这类添加剂主要是非油活性的、悬浮在油中的固体微粒，如石墨、二硫化相(MoS2)、聚四氟乙烯(PTFE)粉末和三聚氰胺氰尿酸络合物(MCA)等是其中最常用的固体润滑剂添加剂。
在生产实践中，人们也逐渐发现固体润滑剂在切削加工中所起的作用有时比常规液体润滑还要好。通常，加入切削液的固体润滑剂有石墨、MoS2和红丹粉（Pb3O4）等。尤其在油基或水基切削液中添加了二硫化钼（MoS2）后，效果更为显著。切削韧性材料时，可用含胶体石墨或MoS2的切削油；切削脆性材料时，可用含胶体石墨的乳化液。比如，重量0.5％石墨(或二硫化钼)、10％～12％磺酸钠，其余为润滑油组成的乳化油(另加少量的钝化剂)，用水将浓度稀释在1％以下，可用于超硬金属的切削加工，而且该液在各种金属切削加工中均有较好的效果。
在润滑油中加入铅皂、胶体石墨或二硫化钼等组成的膏状物，可用于有跳动或弹性振动的切削状况，也可用于切削速度较低的加工。使用时，可直接涂抹在刀具上，也可配成乳化液使用。
二硫化钼只要在金属表面形成1μm厚的润滑膜，就有很高的粘着力和承裁能力。如将它与硬脂酸、石腊混合制成油膏，涂于刀具表面，就可以大大提高刀具的使用寿命。如在30CrMnSi材料上攻丝，在无固体润滑时一个丝锥仅能攻200个螺纹孔，而经添加二硫化钼的油膏润滑后的丝锥可加工1000个螺纹孔。
在磨削加工中，将磨料与固体润滑剂混合使用，一般都能减小摩擦系数和摩擦热，提高磨削速度。研究发现，用砂轮对钢铁材料磨削时，砂轮的磨损与粘结剂的耐热性有依赖性，一旦发热的原因——摩擦阻力减小，便可增大进刀量和进刀速度。如用芳族聚酯(POB)作粘结剂制造人造金刚石磨具，添加二硫化钨或氟化石墨，则进刀量和进刀速度都能增大。
在下列情况下，可以用固体润滑代替液体润滑。
(1)不能使用润滑油脂的场合:在特殊工况下，一般润滑油脂的性能无法适应时，可使用固体润滑剂进行润滑。在金属切（磨）削加工和压力加工中无法使用液体润滑的场合，也可以使用固体润滑剂进行润滑。
(2)为防止润滑油脂被污染的环境场合:在润滑油脂易被其它液体(如水、海水等)污染或冲走的场合，在潮湿的环境场合，在含有泥砂、尘土等杂质的环境场合中，无法使用液体润滑，可以使用固体润滑剂进行润滑。
4.固体润滑剂在涂层刀具中的应用
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。
1992年有人首次提出在刀具表面沉积软固体润滑膜的方法提高刀具寿命和生产率。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。
荆阳等研究了TiAlN-MoS2/TiAlN硬质润滑膜的摩擦特性，研究表明，在钻头（W6Mo5Cr4V2麻花钻，硬度HRC63）上沉积TiAlN-MoS2/TiAlN硬质膜，可使其在钻削过程中（钻削材料为38CrNi3MoVA，调质，硬度HRC42，钻头转速为600r/min，钻削深度20mm，进给量0.13mm/r），具有优异的耐磨、减摩和耐高温等性能，从而大幅度提高了刀具的寿命。其中TiAlN硬质膜的耐磨寿命比TiN薄膜高出近1倍。
Fox等研究了MoS2/Ti和石墨/CrC润滑涂层的摩擦润滑特性，研究表明，在往复摩擦试验条件下，MoS2/Ti润滑涂层具有典型的摩擦趋势(负载100N)，摩擦系数较小且稳定。通过在厚20mm的JISS50C钢上进行钻孔对比试验（转速30m/min，钻深18mm，进给量0.12mm/r），干摩擦条件下，在硬涂层上涂敷一层MoS2/Ti润滑涂层的钻头大大提高了寿命。涂敷MoS2/Ti和TiN复合涂层的钻头比单独使用TiN的寿命提高2.1倍，使用MoS2/Ti和TiAlN复合涂层的可比单独使用TiAlN涂层的寿命提高2.8倍。
You-rong Liu等研究了MoS2涂层陶瓷刀具的切削性能和磨损机制。用未涂层和MoS2涂层刀具（Si3N4和Si3N4/MoS2、TiCN和TiCN/MoS2、WC/Co和WC/Co MoS2）进行对比切削试验（切削速度103～208m/min，进给量0.1mm/r，切削深度0.25mm，工件为1045碳钢和302不锈钢）。试验结果表明，在切削1045碳钢时，用MoS2涂层的Si3N4和TiCN刀具寿命比未涂层刀具提高了50%；切削302不锈钢时，用MoS2涂层的WC/Co刀具寿命比其未涂层时提高了140%以上。用陶瓷刀具加工时，粘结磨损是主要的磨损原因，特别是在大进给量和高速切削下，而MoS2涂层有效的阻止了工件和刀具之间的粘结。通过XPS分析，在切削过程中刀具表面发生了一系列的摩擦化学反应。
另外，粒子束混合（IBM）和粒子束辅助沉积（IBAD）等技术也已用于陶瓷的固体润滑研究。其中，IBM技术以载能离子束对膜层原子进行直接轰击，而使膜层与底材之间的原子混合，使膜—基界面拓宽，结合强度明显增大，而且轰击引起的界面化学反应还可以使膜—基结合强度进一步提高。研究表明，利用IBM技术改性的Ti/Ni多层膜可以明显的改善ZrO2和Si3N4陶瓷材料的摩擦学性能，特别是其高温摩擦学性能，在800℃高温下的摩擦系数在0.06～0.09之间。
5.固体润滑剂在自润滑刀具中的应用
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。
6.结语
切削液润滑是切削加工中最传统，也是生产实际中应用最广泛的润滑方法，但是切削液仅在切削温度较低的范围内才有效。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，可在高速切削、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。由于应用液体润滑在切削液的制造、使用、处理及排放等各个时期均会对环境造成严重污染，且在加工成本中占有很大比例，随着人们对环境和加工成本的要求，其应用将会受到严格限制，因此固体润滑方式在以后将取得更广泛的应用。
