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1、固体润滑剂的作用机理和应用 张天胜 ( 长江大学机械工程学院 434023) 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。 1、 固体润滑剂的作用和种
2、类 固体润滑剂由于摩擦性能优良、 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。对切削加工进行润滑的方法 主要有三种: 采用具有润滑功能的切削液; 在刀具表面进行润 滑涂层; 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, M oS2、 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、
3、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
4、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 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,
5、 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。 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
6、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。 4、 固体润滑剂在涂层刀具中的应用 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
7、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。5 固体润滑剂在自润滑刀具中的应用 目前, 在切削过程中实现刀具自润滑的方法主要有两种: 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; 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。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
8、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 1200e 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。 5、 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
9、, 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
10、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。 =参考文献 1闫建峰, ZrN 涂层刀具的切削性能研究D, 中国优秀硕士学位论 文全文数据库, 2008 2尹延国, 铜基石墨自润滑材料及其摩擦学研究D, 合肥工业大学, 2006 3郑雪梅, 面向超精密切削加工的并行分子动力学仿真研究D, 天津大 学, 2005 4李明忠, Al_2TiO_5/MgTi_2O_5 体系复合材料的制备及其热冲击 性能评价D, 武汉理工大学, 2003 5付敏, 高速铣削铝合金加工技术的研究D , 哈尔滨理工大学, 2004 )135) 工程技术 Project technique
