基于固體潤滑劑與原位反應雙機制自潤滑陶瓷刀具

劉景文　周后明　周　文　鄧建新　張高峰　周友行

1.湘潭大學，湘潭，411105　　　2.山東大學，濟南，250100

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基于固體潤滑劑與原位反應雙機制自潤滑陶瓷刀具

劉景文1周后明1周文1鄧建新2張高峰1周友行1

1.湘潭大學，湘潭，4111052.山東大學，濟南，250100

采用真空熱壓燒結工藝，以Al2O3/TiB2為基體、CaF2為添加劑制備了Al2O3/TiB2/CaF2(ABF)自潤滑陶瓷刀具，并對其進行了摩擦磨損試驗和淬硬鋼干切削試驗。在摩擦磨損試驗過程中，測定了4種不同CaF2含量的ABF陶瓷材料樣品。摩擦磨損試驗結果表明，ABF材料的平均摩擦因數隨著CaF2含量的增加而減小，這是因為固體潤滑劑CaF2在磨損過程中生成的潤滑膜起到了一定的減摩作用。將ABF刀具和普通陶瓷刀具(AG2)在120 m/min切削速度下對45淬硬鋼進行干切削試驗，切削試驗結果表明，ABF前刀面的平均摩擦因數比AG2陶瓷刀具前刀面的平均摩擦因數要顯著偏小，主要原因是ABF自潤滑陶瓷刀具在高速切削時，固體潤滑劑CaF2和自身TiB2的原位反應同時生成了潤滑膜，這種雙重機制下生成的潤滑膜具有極佳的潤滑性能，其潤滑效果隨溫度和切削速度的增加而顯著提高。

陶瓷刀具；自潤滑；摩擦磨損；干切削

0　引言

自潤滑刀具是指刀具材料自身具有減摩和抗磨作用，在沒有外加潤滑液或潤滑劑的條件下，刀具材料本身就有潤滑功能。實現(xiàn)刀具自潤滑的意義在于：可減小摩擦、減小磨損、省掉冷卻潤滑系統(tǒng)、克服切削液造成的環(huán)境污染、實現(xiàn)清潔化生產、降低成本以及減小設備投資。因此，可以說自潤滑刀具是一種潔凈的綠色加工刀具[1]。綜合目前的研究進展，根據作用機理，實現(xiàn)自潤滑功能的刀具可歸納為以下三大類：①軟涂層自潤滑刀具；②添加固體潤滑劑的自潤滑刀具；③原位反應自潤滑刀具[2]。軟涂層自潤滑刀具是將固體潤滑劑通過涂層的方式直接涂覆于刀具表面，從而實現(xiàn)刀具的自潤滑功能。德國Cubring公司開發(fā)的“MOVIC”軟涂層工藝，就是在刀具表面涂覆一層MoS2；趙金龍等[3]對MoS2軟涂層自潤滑刀具進行了研究，結果表明涂層刀具的摩擦力和摩擦因數均有減小，MoS2/Zr涂層在刀具和切屑之間起到潤滑劑的作用，從而減少了刀具的磨損。Fox等[4]在沒有使用切削液的情況下用MoS2/Ti軟涂層刀具進行了干鉆削孔試驗，結果表明可顯著提高鉆孔數量，刀具具有較好的自潤滑功能。添加固體潤滑劑的自潤滑刀具是將固體潤滑劑直接添加到刀具制備材料中，制備成含有固體潤滑劑的復合型刀具。陳曉虎[5]研究發(fā)現(xiàn)添加BN的Al2O3在摩擦試驗中，BN逐漸轉移成潤滑薄膜，在摩擦磨損接觸區(qū)域能夠形成持續(xù)穩(wěn)定的潤滑膜，起到較好的潤滑效果。曹同坤等[6-7]采用熱壓法，以CaF2為固體潤滑劑，以Al2O3/TiC為基體，制備出自潤滑陶瓷刀具，并對其進行了干切削試驗，結果表明，在Al2O3/TiC/CaF2刀具前刀面上形成的一層固體潤滑膜，可起到減摩作用。原位反應自潤滑刀具是利用切削高溫作用下的摩擦化學反應，在刀具表面原位生成具有潤滑作用的反應膜，從而實現(xiàn)刀具的自潤滑。李彬等[8-9]用熱壓法制備了Al2O3/ZrB2/ZrO2原位反應自潤滑刀具材料，系統(tǒng)研究了其高溫特性、摩擦磨損特性和減摩機理，以及在不同氣氛(N2、空氣)中該刀具的切削性能，結果表明，切削高溫下刀具表面原位反應生成的氧化膜B2O2具有較好的自潤滑性能。Deng等[1]以TiB2為添加劑，Al2O3為基體，制備了Al2O3/TiB2陶瓷刀具，并將其對淬硬鋼進行了高速干切削試驗，結果表明：在干切削淬硬鋼時，當切削速度大于120 m/min時，Al2O3/TiB2陶瓷刀具開始表現(xiàn)出高溫自潤滑性能。自潤滑膜在刀具表面起到固體潤滑劑的作用，進而降低前刀面的摩擦因數，減輕刀具的黏著磨損，提高刀具的耐磨性能，具有良好的減摩和抗磨作用。

原位反應自潤滑刀具非常適用于高速干切削，但是由于切削過程中的高溫氧化反應無法控制，且必須在特定高溫下才能發(fā)生反應，因此在低速切削或溫度不夠時，刀具仍然處于干切削而未潤滑的工作環(huán)境。CaF2是一種高溫潤滑材料，在250～700 ℃范圍內能有效進行潤滑，即使溫度超過1000 ℃仍能保持良好潤滑性能[7]。Deng等[10]在Al2O3/TiC陶瓷刀具基體內加入固體潤滑劑CaF2來改善其摩擦學特性，并用該陶瓷刀具對45淬硬鋼進行干切削試驗，結果表明：添加固體潤滑劑CaF2的Al2O3/TiC陶瓷刀具在高速干切削時其摩擦因數比未添加固體潤滑劑的Al2O3/TiC陶瓷刀具的摩擦因數顯著減小，并表現(xiàn)出良好的減摩效果。筆者結合添加固體潤滑劑和原位氧化反應的雙重機制，以Al2O3/TiB2為基體，CaF2作為添加劑，制備出一種不僅適合高速切削而且在低溫也不受限制的Al2O3/TiB2/CaF2自潤滑陶瓷刀具材料。

1　 試樣制備與試驗方法

1.1樣品制備

試驗所用Al2O3粉末由無錫拓博達鈦白制品公司生產的高純超細α型Al2O3粉末，粉末粒徑為1～2 μm；TiB2粉末由中國焊接材料研究中心生產，粉末粒徑為2～3 μm。CaF2粉末(分析純)，為天津鼎盛鑫化工有限公司生產，粉末粒徑為2 μm。將質量比為7∶3的Al2O3和TiB2以及不同質量的CaF2進行混合球磨、干燥、過篩。將復合粉末裝入石墨模具進行真空熱壓燒結，燒結工藝如下：燒結溫度為1600～1750 ℃，保溫時間為10～40 min，燒結壓力為10～30 MPa。將燒結后的ABF自潤滑陶瓷材料經切割、粗磨削、精磨削和拋光后制成3 mm×4 mm×36 mm的標準試樣條，用維氏硬度計測量試樣的硬度；用三點彎曲法測量試樣的抗彎強度[11]；跨距為20 mm，加載速率為0.5 mm/min；用壓痕法測量試樣的斷裂韌度，得出CaF2最佳含量。優(yōu)化燒結工藝，得出在最佳工藝下ABF自潤滑陶瓷材料的力學性能。測量結果見表1，ABF后的數字表示CaF2含量(質量分數)。

表1　ABF系列自潤滑陶瓷材料的力學性能

1.2摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在UMT-2多功能摩擦磨損試驗機上進行，該試驗能有效地驗證非切削磨損情況下ABF刀具材料的自潤滑性能。采用球盤配副方式，球為硬質合金球YG6X，直徑為9.525 mm，盤為ABF自潤滑陶瓷材料，中心孔直徑為6 mm。試驗條件如下：載荷為8 N,旋轉速度為85 m/min。從摩擦因數、磨損形貌、減摩機理等方面研究ABF自潤滑陶瓷材料的摩擦磨損特性。在UMT-2摩擦磨損試驗機上能夠直接獲得測試時間段內的摩擦因數、平均摩擦因數值。通過采用不同的載荷、旋轉速度來進行摩擦磨損試驗，觀察平均摩擦因數隨載荷、旋轉速度的變化。使用JSM-6610LV掃描電鏡觀察ABF陶瓷材料的摩擦磨損表面形貌。

1.3切削試驗

試驗機床為CA6140，切削試驗采用干切削方式。所采用刀具為Al2O3/TiB2/5%CaF2(綜合潤滑性能和力學性能考慮，選取ABF5刀具)、普通陶瓷刀具(AG2)，刀具幾何參數如下：γ0=-5°，α0=5°，kr=45°，λ0=-5°，br1γ01=0.2×(-20°)，rε=0.1。刀片邊長為12.7 mm，刀片厚度為4.76 mm。切削深度ap=0.3 mm，進給量f=0.15 mm/r。工件材料為45淬硬鋼。切削速度選取以下兩種速度[1]：低速切削速度為70 m/min，該速度下切削過程中所采用陶瓷刀具尚未發(fā)生原位反應，潤滑效果為固體潤滑劑潤滑；高速切削速度為120 m/min，該速度下切削過程中陶瓷刀具開始發(fā)生原位反應，潤滑效果為雙機制潤領滑。

2　試驗結果與分析

2.1摩擦磨損試驗

圖1所示為ABF自潤滑陶瓷材料磨盤與YG6X球進行摩擦磨損試驗時，摩擦因數與時間的關系。從曲線的變化可以看出平均摩擦因數隨著CaF2含量的增加而減小，并且曲線有明顯的上升、穩(wěn)定階段。剛開始進行摩擦磨損試驗，接觸面積較小，接觸點有應力集中現(xiàn)象，導致摩擦表面微凸體發(fā)生變形，摩擦阻力變大，摩擦因數會迅速增大到一定值。隨著試驗過程中球盤接觸面積的增大，摩擦因數趨于穩(wěn)定，但仍有小幅度的增大。

圖1　ABF刀具材料摩擦因數-時間曲線

圖2所示為掃描電鏡觀察ABF自潤滑陶瓷材料的磨損表面形貌，圖2a中未添加CaF2的材料磨損表面有明顯的裂紋，圖2b中添加CaF2的材料磨損表面形成了潤滑膜。在試驗過程中CaF2受到力、熱的作用在磨盤接觸區(qū)形成了大小不一的潤滑膜，起到了一定的減摩作用，能有效地減小磨粒磨損。

圖3所示為旋轉速度為85 m/min時，ABF自潤滑陶瓷材料的平均摩擦因數與載荷的關系，從圖中可知ABF自潤滑陶瓷材料的平均摩擦因數隨載荷的增加而減小。整體趨勢相同，下降幅度稍有不同，當載荷為10 N時，其平均摩擦因數達到最小值。在較高的載荷下，接觸間的凸體受到的力將會增大，有可能引起接觸區(qū)周邊凸體脆性斷裂，這段時間內接觸區(qū)域的凸體數明顯減少，從而減小其摩擦因數。載荷的增加將會導致摩擦磨損過程中的溫度增加，當溫度較高時CaF2處于塑性狀態(tài)，潤滑效果更好。

(a)ABF0裂紋處SEM照片

(b)ABF5摩擦磨損形貌SEM照片圖2 　ABF摩擦磨損形貌SEM照片

圖3　ABF平均摩擦因數-載荷曲線

圖4所示為ABF自潤滑陶瓷材料平均摩擦因數與速度的關系。從圖4可以看出，ABF自潤滑陶瓷材料平均摩擦因數隨速度的增加而減小。當速度大于85 m/min時，平均摩擦因數減小的速率加快。當速度為120 m/min的時候，平均摩擦因數達到最小值。這說明ABF自潤滑陶瓷材料與硬質合金球(YG6X)以球盤配副形式進行摩擦磨損時，較高速度下的ABF自潤滑陶瓷材料能獲得較好的減摩效果。

圖4　ABF摩擦因數-旋轉速度曲線

由摩擦磨損試驗可以得出，ABF自潤滑刀具在未達到切削高溫時進行的摩擦磨損試驗中，在固體潤滑劑CaF2影響下可以獲得顯著的減摩和抗磨作用。作用效果隨著CaF2含量的增加、旋轉速度的提高、載荷的提高而更為顯著。

2.2 切削試驗

圖5所示為ABF刀具與AG2刀具在干切削45淬硬鋼試驗中，切削速度分別為70 m/min和120 m/min時其切削力三個分力大小變化的曲線(其中ap=0.3 mm，f=0.15 mm/r)。從圖5可知三種切削分力都有一定的振幅，這是因為刀具在干切削過程中產生了振動。主切削力的振幅相比切深抗力、進給抗力的振幅大。比較三種力的大小，F(xiàn)x

(a)ABF-560(v=70 m/min)

(b)ABF-900(v=120 m/min)

(c)AG2-560(v=70 m/min)

(d)AG2-900(v=120 m/min)

當切削速度為70 m/min時，CaF2開始處于塑性狀態(tài)，易被拖覆在刀具的前刀面，形成潤滑膜，此時潤滑效果主要來自材料本身自固體潤滑劑。當切削速度接近120 m/min時，隨著切削區(qū)域溫度的逐漸升高，ABF刀具中的TiB2開始發(fā)生氧化還原反應：

TiB2+5/2O2=TiO2+B2O3

生成的TiO2、B2O3具有較低的剪切強度，在一定程度上能起到潤滑的作用，此時自潤滑效果是結合了固體潤滑劑和原位反應雙重機制的潤滑，潤滑效果更加明顯。

圖6所示是兩種刀具在干切削45淬硬鋼試驗中，后刀面磨損量與切削距離(速度不變，切削距離可和切削時間互相換算)的關系曲線。由圖6a可以看出，當v=70 m/min時，ABF刀具后刀面磨損量略大于AG2刀具后刀面磨損量，這表明在低速切削時，AG2刀具的磨損較ABF5刀具的磨損更小，即AG2刀具的使用壽命較ABF5刀具要長。從圖6b可以看出，當速度為120 m/min時，ABF5和AG2刀具后刀面的磨損量是相近的，當切削距離變長時，AG2刀具的后刀面磨損量要稍大于ABF5刀具的后刀面磨損量，這說明ABF5刀具在較高的切削速度下取得了一定的減摩、抗磨的效果，ABF5刀具較AG2刀具的使用壽命更長。隨著切削距離(或切削時間)的增加，兩種刀具后刀面磨損量都是呈現(xiàn)出增長的趨勢，其中AG2刀具的增大速率稍大于ABF5刀具的增大速率，這說明在高速切削時，ABF5刀具的使用壽命比AG2刀具的使用壽命更長。

(a)v=70 m/min，ap=0.3 mm，f=0.15 mm/r

(b)v=120 m/min，ap=0.3 mm，f=0.15 mm/r圖6 　兩種刀具切削45淬硬鋼后刀面磨損曲線

圖7是ABF5自潤滑陶瓷刀具高速切削后前刀面的衍射譜圖?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)TiO2的存在，而未發(fā)現(xiàn)B2O3是因為其熔點低(577 ℃)，在高溫下?lián)]發(fā)了。高速干切削下，固體潤滑劑(CaF2)與自身TiB2氧化還原反應(產生了TiO2)兩種方式形成的潤滑相結合，潤滑效果更顯著。

圖7　ABF5高速切削后前刀面的衍射譜圖

圖8所示是兩種刀具前刀面的SEM照片，從圖8a中可以看出ABF刀具某些地方形成了部分潤滑膜，某些地方的潤滑膜完整，黏結和犁溝現(xiàn)象明顯減少。ABF刀具前刀面潤滑膜的形成是導致其在干切削45淬硬鋼時切削速度提高導致摩擦因數減小的主要原因。當切削速度提高時其切削力會減小，這是因為切削速度提高，振動減小，且潤滑膜的形成在一定程度上能夠有效地減小摩擦磨損。當切削速度提高時，切削區(qū)域的溫度上升，CaF2從脆性變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，塑性狀態(tài)下ABF刀具比較容易形成潤滑膜，且TiB2在高溫下會發(fā)生氧化還原反應，產生具有潤滑作用的反應膜TiO2、B2O3。圖8a中黑色區(qū)域為Al2O3/CaF2，灰色區(qū)域為TiB2/TiO2；從圖8b可以看出AG2刀具黏結較嚴重，有條狀犁溝，所以AG2刀具前刀面以黏結磨損為主。當切削速度提高時，其切削溫度、切削力也越來越大，刀具前刀面的磨損會越來越嚴重，摩擦因數也會變大。

(a)ABF刀具

(b)AG2刀具圖8 　兩種刀具前刀面SEM照片

圖9是兩種刀具在干切削45淬硬鋼時后刀尖處的磨損形貌的光學顯微照片。從圖中可以較明顯地看出兩種刀具均存在不同程度的磨損，其中AG2刀具的磨損是非常嚴重的，有崩刃現(xiàn)象。相比之下，ABF刀具的磨損要小很多，可見在干切削試驗中ABF刀具比AG2刀具的耐磨性更好。

3　結論

(1)以球盤配副方式進行的摩擦磨損試驗在非切削的磨損下，材料自身有一定減摩潤滑作用，添加的固體潤滑劑CaF2生成了潤滑膜；潤滑膜的潤滑效果與CaF2含量、載荷、旋轉速度這三個變量有直接關系。這三個變量的增大，將使得潤滑膜更容易生成，平均摩擦因數更低，潤滑效果更好。

(a)ABF刀具

(b)AG2刀具圖9　兩種刀具刀尖處的磨損形貌的光學顯微照片

(2)在ABF自潤滑陶瓷刀具的摩擦磨損試驗中，磨損條件不足以達到使Al2O3/TiB2/CaF2材料自身發(fā)生原位反應的特定高溫條件，但材料自身的固體潤滑劑CaF2能起到明顯的減摩作用，這彌補了Al2O3/TiB2原位反應自潤滑刀具的不足，即使在低速或中低溫的狀況下，依舊能實現(xiàn)自潤滑功能。

(3)當切削速度達到120 m/min時，ABF自潤滑陶瓷刀具材料自身的TiB2開始發(fā)生氧化還原反應，在高溫區(qū)域前刀面生成了TiO2反應膜，并與固體潤滑劑所生成的潤滑膜相結合，形成了雙重機制的潤滑膜。潤滑膜能有效地減小摩擦，提高耐磨性能，起到自潤滑作用。雙機制的潤滑膜比單機制的潤滑膜潤滑效果更加明顯，隨著溫度的提高，雙機制潤滑膜的自潤滑功能和減摩抗磨效果更為顯著。

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(編輯陳勇)

Self-lubricating Ceramic Cutting Tool with Solid Lubricant-based and a Double-situ Reaction Mechanism

Liu Jingwen1Zhou Houming1Zhou Wen1Deng Jianxin2Zhang Gaofeng1Zhou Youhang1

1.Xiangtan University, Xiangtan,Hunan,411105 2.Shandong University,Jinan,250100

A self-lubricating ceramic cutting tool was produced by the hot pressing vacuum sintering process, with the substrate of Al2O3/TiB2and the addition of CaF2. Meanwhile the dry cutting tests were carried out. In the process of friction and wear test, there were four Al2O3/TiB2/CaF2(ABF) materials with different contents of CaF2. The results show that the friction coefficient of the material decreases with the increase of its contents of CaF2.The formation of CaF2in the wear layer of a solid lubricating film during the anti-friction lubricant film played a role, in the cutting tests which were carried out with respect to 45 steel at the speed of 120 m/min, the average friction coefficient of the ABF tools is much lower than that of the normal ceramic knives tool (AG2). And the main reason was the lubricating film which generated by the solid lubricant CaF2and the situ reaction of TiB2,when the ABF self-lubricating ceramic tool was cutting under the high speed. Meanwhile, with the increase of temperature and the cutting speed, its lubricating effect is improved significantly.

ceramic material; self-lubrication; friction and wear behavior; dry cutting

2015-01-27

國家自然科學基金資助項目(51375418，51375419)；湖南省自然科學基金資助項目(13JJ8007)

TB332;TQ174

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.015

劉景文，男，1989年生。湘潭大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為陶瓷刀具與陶瓷產品的制備。周后明，男，1970年生。湘潭大學機械工程學院副教授、博士。周文，男，1987年生。湘潭大學機械工程學院碩士研究生。鄧建新，男，1966年生。山東大學機械工程學院教授。周友行，男，1971年生。湘潭大學機械工程學院教授、博士研究生導師。張高峰，男，1971年生。湘潭大學機械工程學院教授、博士研究生導師。