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为什么这些陶瓷刀具能“自润滑”?
2020年10月14日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:220
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“削铁如泥”应该是自古以来人们对刀具的最高赞誉了。不过随着材料科学及刀具工艺的发展,目前这一点并不难实现,比如说陶瓷刀具就是高性能刀具的代表之一。如果要说哪里比较难,那就是如何保证刀具能够“削铁”千百次而不损。

陶瓷刀具

“磨损”永远是高性能刀具的头号敌人。在切削加工的过程中,刀具的前、后刀面会不断与切屑和工件接触,并发生剧烈摩擦,发生在刀具上的摩擦与磨损会造成刀具损坏而失效,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。为了减轻磨损,之前一般会使用具有润滑作用的切削液,但这些润滑液在高温下性能会衰减,因此很难满足高速切削等存在切削高温的加工场合的加工要求。

不使用润滑液就得干削,因此必须要改进刀具性能,开发出新的润滑方式。其中“自润滑刀具”,也就是以陶瓷为基体,加入固体润滑功能相,通过一定工艺制备出具有一定力学性能和自润滑性能的陶瓷刀具,被认为是解决这个问题的最佳途径之一——因为这种自润滑刀具内部始终含有固体润滑剂,在整个生命周期内都能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,因此是一种高效、洁净的绿色切削刀具。

一、自润滑刀具的润滑原理

自润滑刀具的磨损过程可分为固体润滑膜的形成、膜的磨损、膜的脱落和膜的再生等,其润滑效果可伴随刀具的整个生命周期,其润滑机理如图所示。

陶瓷刀具

自润滑刀具的润滑机理示意图

实现刀具本身自润滑的主要方法有5种,即:

①以固体润滑剂作为陶瓷刀具材料的添加剂,制备自润滑陶瓷刀具材料;

②利用陶瓷刀具在切削高温作用下的摩擦化学反应,在陶瓷刀具材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜;

③将固体润滑剂通过涂层的办法直接涂覆于刀具表面;

④在刀具的刀-屑接触区加工出微织构,在微织构中添加固体润滑剂,切削时高温使固体润滑剂软化而形成连续的固态润滑膜;

⑤通过飞秒激光加工出微米或纳米级别尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的点阵,然后通过物理气相沉积法在刀具表面涂层MoS2WS2等软涂层材料。

陶瓷刀具

二、自润滑材料都有哪些?

自润滑陶瓷刀具材料中的固体润滑相一般选择剪切强度和硬度较低或兼具层状结构的固体润滑剂。部分润滑材料如下:

1.金属类润滑剂

常用的金属润滑剂一般为软金属,主要有金、银、铅、锌、锡等。软金属粘着在基体表面,只要有零点几微米厚的膜就能起到润滑作用。由于软金属的剪切强度低,而软金属与基体间的粘着强度又大于软金属的极限剪切强度,当与对偶材料发生摩擦时,软金属膜便向对偶材料表面转移形成转移膜。

2.非金属润滑剂

常用的非金属润滑剂主要是指具有层状结构的材料,如石墨等,以及单质硫化物、氧化物、氟化物和硒化物等。

①石墨

石墨具有稳定的层状六方晶体结构,通常认为其受剪切力作用后容易产生层间滑移是其具有低摩擦系数的原因。石墨还可与其它具有润滑性能的粉末组成复合粉末润滑剂来使用,也可把石墨分散在各种液体中形成悬浮液,组成油剂或水剂石墨乳,用于金属加工。

陶瓷刀具

②二硫化钼(MoS2

MoS2亦为六方晶体层状结构,理论上,1μm厚的涂层膜就能经受1700万次的往复摩擦,实际上,这种厚度的膜有几十万次摩擦的寿命。MOS2是目前应用最广泛的固体润滑剂之一。使用的方法和形态较多,如粉剂、油剂、水剂;用各种溶剂或粘结剂将其悬浮液涂抹和喷涂在摩擦表面形成干膜;用离子喷涂和溅射等方法在摩擦表面形成镀膜;与金属或高分子材料组成复合润滑材料等。

陶瓷刀具

③六方氮化硼(h-BN)

h-BN的很多物理性能与石墨相似,因而有“白石墨”之称。h-BN 可以分散在耐热润滑油脂、水或容剂中使用,也可喷涂在摩擦表面上形成干膜,填充在树脂、陶瓷、金属等表层做成耐高温自润滑复合材料来使用。陈晓虎利用层状结构h-BN优良的润滑特性,将其引入Al2O3陶瓷基体之中,制备了陶瓷摩擦材料。

陶瓷刀具

④其他润滑剂

MoS2相类似的层状固体润滑剂还有W、Ta、Nb的硫化物和硒化物,其中以Mo和W的硒化物最为实用。最常见的是二硫化钨(WS)。

氟化物润滑材料以氟化钙(CaF)和氟化钡(BaF)为代表。它们使用的温度范围比氧化物宽。CaF2是一种很好的高温润滑材料,它常与陶瓷材料制作成粘结膜的形式使用。CaF2BaF2500℃下由脆性向塑性转变而具有润滑性。另外,在摩擦过程中CaF2BaF2中的元素氟与磨损表面所起的化学作用也是其具有润滑性的重要原因。

除上述几种润滑剂外,氧化物也可以作为固体润滑剂。常用的氧化物固体润滑剂有氧化铅(PbO)、氧化铬(Cr2O)、氧化钛(TiO2)等。PbO是金属氧化物中具有较好润滑性能的固体润滑剂。但与MoS2相反的是,PbO在低温下的摩擦系数很高,但在300~700℃之间的摩擦系数又很低。

资料来源:

自润滑刀具的研究现状和发展趋势,连云崧,邓建新,吴泽,亓婷,崔海冰。

自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究,曹同坤。

粉体圈NANA整理


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