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固體潤滑劑在涂層刀具及自潤滑刀具上的應用

發布時間:2016-07-14 | 來源: | 作者:
   固體潤滑劑由于摩擦性能優良、承載能力和耐磨性較高、良好的寬溫特性和時效性等特點,可以應用在不能使用潤滑油脂的地方、環境惡劣及無需維護的場合,在切削加工中也廣泛應用固體潤滑劑來改善摩擦的潤滑情況。

  對切削加工進行潤滑的方法主要有三種:①采用具有潤滑功能的切削液;②在刀具表面進行潤滑涂層;③使用自潤滑刀具。

  在切削液中,固體潤滑劑只是以添加劑的形式起輔助作用,來提高切削液的性能;而在后兩種潤滑方法中固體潤滑劑是其發揮潤滑作用的主要因素。

  應用于涂層刀具

  目前常用的刀具涂層材料主要為各種硬質氮化物、氧化物、碳化物或硼化物陶瓷,都具有很高的硬度,優異的耐熱性、耐氧化性和耐腐蝕性。

  由于涂層材料的形成自由能低、化學性能穩定、與工件材料的化學親和力小,因此可在刀-屑、刀-工界面之間有效地起到抗粘結的作用。在切削區高溫條件下,TiC、TiN等涂層材料還可以被氧化生成一些較軟的TiO2膜。Al2O3在800℃以上也具有相當的流動性,可起到極壓潤滑作用。從摩擦學觀點來看,這兩方面都使涂層材料起到了很好的固體潤滑劑的作用,不僅使刀具抗粘結磨損的能力增強,對降低切削力、切削溫度和提高加工質量均有好處。

  用涂層和鍍膜等方法將固體潤滑劑粘結在刀具表面而形成固體潤滑膜,可以起到潤滑功效。具有層狀結構的固體潤滑劑與摩擦表面具有較強的粘結能力,其本身的各層之間有較低的剪切強度,在切削過程中,存在于刀具表面的固體潤滑膜將轉移到工件材料表面,形成轉移膜,使切削過程中摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間。即使摩擦發生在固體潤滑膜內部,也可達到減小摩擦系數和降低刀具磨損的目的。

  應用于自潤滑刀具

  自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨、潤滑功能,可在無外加潤滑液或潤滑劑的條件下實現自潤滑切削加工。由于自潤滑刀具的應用可減小摩擦與磨損,省去冷卻潤滑系統,減少設備投資,避免切削液造成的環境污染,實現清潔化生產,降低生產成本,因此自潤滑刀具是一種高效、潔凈的綠色刀具,在現代切削加工中具有廣闊的應用前景。

  目前,在切削過程中實現刀具自潤滑的方法主要有兩種:①利用切削高溫作用下的摩擦化學反應,在刀具材料表面原位生成具有自潤滑作用的反應膜;②直接將固體潤滑劑添加到刀具材料中,實現刀具自潤滑。添加固態潤滑劑是制備自潤滑材料的一個重要途徑。常用的固態潤滑劑有MoS2、hBN、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。

  將固態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,可利用固態潤滑劑易拖敷、摩擦系數小等特點,在刀具表面形成連續的固態潤滑層,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格要求。

  添加固態潤滑劑會對刀具材料性能產生兩方面的影響:一方面,固態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,減小摩擦磨損;另一方面,固態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,為了既保證固態潤滑劑的足夠含量以形成連續潤滑膜,實現穩定的潤滑作用,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。

  固體潤滑劑在切削液中的應用,大大提高了切削的潤滑特性、承載能力和溫度適應性能,改善了加工表面質量,使切削液在苛刻加工條件下的性能大大提高。

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