1.引言 

　　摩擦與磨損在材料加工過程中是一大障礙悠汽，它們損害刀具舞蔽，增加功率消耗，并且磨損的磨粒污染了加工材料栋操。在切削加工過程中闸餐，刀具的前、后刀面不斷與切屑和工件發(fā)生劇烈摩擦矾芙，接觸區(qū)處于高溫绎巨、高壓狀態(tài)。發(fā)生在刀具上的摩擦與磨損會造成刀具鈍化失效蠕啄，使切削無法進(jìn)行场勤，發(fā)生在工件上的劇烈摩擦則會使加工表面質(zhì)量惡化。為減輕切削加工時的摩擦與磨損艺踪，普遍采用的方法是在切削加工中進(jìn)行潤滑首潮。潤滑的主要作用是改善切削過程的摩擦潤滑狀態(tài)，降低切削溫度滚讼，從而延長刀具壽命剑学、提高加工表面質(zhì)量。 

　　早在19世紀(jì)绊域，固體潤滑劑就應(yīng)用于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器上膨溃，由于摩擦性能優(yōu)良、承載能力和耐磨性較高湘都、良好的寬溫特性和時效性等特點(diǎn)肠祭，可以應(yīng)用在不能使用潤滑油脂的地方、環(huán)境惡劣及無需維護(hù)的場合下旱唧。由于固體潤滑劑的優(yōu)良特性螺啤，切削加工中也廣泛應(yīng)用固體潤滑劑來改善摩擦的潤滑情況。對切削加工進(jìn)行潤滑的方法主要有三種：①采用具有潤滑功能的切削液恤鞭；②在刀具表面進(jìn)行潤滑涂層淌踢；③使用自潤滑刀具。在切削液中牧愁，固體潤滑劑只是以添加劑的形式起輔助作用素邪，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(fā)揮潤滑作用的主要因素猪半。 

　　固體潤滑劑的種類很多兔朦，有晶體為層狀結(jié)構(gòu)的石墨，MoS2办龄、WS2烘绽、MoSe2淋昭、WSe2、BN等安接；有質(zhì)地較軟的金屬翔忽，如Ag、Pb盏檐、Sn歇式、In等；有金屬氧化物胡野、氟化物材失、磷酸鹽等。在這些固體潤滑劑中厅员，有僅適用于大氣中潤滑的困煤，如石墨、BN等幻渤；有適于真空潤滑的技蝌，如MoS2，WS2牌完，Pb等伦窜。 

　　2.固體潤滑機(jī)理 

　　如果硬金屬在軟金屬表面滑移，在負(fù)荷的作用下坎谱，硬金屬壓入軟金屬中始坝，使真實(shí)接觸面積增加，摩擦力也隨之增大念婶，將發(fā)生犁溝現(xiàn)象蓄揭。如果硬金屬在硬金屬表面滑移，盡管硬金屬間的接觸面積不會增加李臀，但是硬金屬的屈服強(qiáng)度大憎兽，摩擦力也將增大冷离，由于摩擦表面的升溫吵冒，容易發(fā)生咬合現(xiàn)象。這兩種情況的摩擦系數(shù)都較大西剥。 

　　如果在硬金屬基材表面涂敷一層剪切強(qiáng)度很小的薄膜痹栖，使摩擦副間的接觸面積既不增加，又能使剪切強(qiáng)度降低的很多瞭空，摩擦力和摩擦系數(shù)也都有較大的降低揪阿，這就起到了固體潤滑的作用。但是咆畏，如果這層薄膜涂敷在軟金屬表面南捂，薄膜則不能起到潤滑作用吴裤。 

　　因此，在硬金屬之間的摩擦表面粘著一層剪切強(qiáng)度很小的薄膜能夠起到減摩的潤滑作用溺健。如果這層薄膜由固體潤滑劑來填充麦牺，則可稱該物質(zhì)為固體潤滑劑。而這層極薄的膜稱為固體潤滑膜鞭缭。 

　　3.固體潤滑劑在切削液中的應(yīng)用 

　　切(磨)削加工通常使用液體潤滑剖膳，以潤滑油、乳化液和水基合成切削液為基礎(chǔ)添加各種添加劑南链，以解決切削加工中的潤滑冷卻問題策睛。在流體潤滑狀態(tài)下，降低潤滑油粘度就可以降低摩擦能量損失衡服，但在邊界潤滑條件下闪割，降低摩擦最有效途徑是選擇恰當(dāng)?shù)臐櫥吞砑觿獦O壓抗磨劑和摩擦改進(jìn)劑(FM)。摩擦改進(jìn)劑有兩大類：一類是化學(xué)摩擦改進(jìn)劑免砖，其中大部分是極性的或含活性元素(硫咖亏、磷和氯)的油溶性大分子化合物；另一類是所謂的機(jī)械摩擦改進(jìn)劑翠坟，這類添加劑主要是非油活性的已唐、懸浮在油中的固體微粒，如石墨醒狭、二硫化相(MoS2)绞芽、聚四氟乙烯(PTFE)粉末和三聚氰胺氰尿酸絡(luò)合物(MCA)等是其中最常用的固體潤滑劑添加劑。 

　　在生產(chǎn)實(shí)踐中君板，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)固體潤滑劑在切削加工中所起的作用有時比常規(guī)液體潤滑還要好歪架。通常，加入切削液的固體潤滑劑有石墨霹陡、MoS2和紅丹粉(Pb3O4)等和蚪。尤其在油基或水基切削液中添加了二硫化鉬(MoS2)后，效果更為顯著烹棉。切削韌性材料時攒霹，可用含膠體石墨或MoS2的切削油；切削脆性材料時浆洗，可用含膠體石墨的乳化液催束。比如，重量0.5％石墨(或二硫化鉬)伏社、10％～12％磺酸鈉抠刺，其余為潤滑油組成的乳化油(另加少量的鈍化劑)，用水將濃度稀釋在1％以下摘昌，可用于超硬金屬的切削加工速妖，而且該液在各種金屬切削加工中均有較好的效果高蜂。

　　在潤滑油中加入鉛皂、膠體石墨或二硫化鉬等組成的膏狀物索王，可用于有跳動或彈性振動的切削狀況卫削，也可用于切削速度較低的加工。使用時宣验，可直接涂抹在刀具上赌矩，也可配成乳化液使用。 

　　二硫化鉬只要在金屬表面形成1μm厚的潤滑膜娇晦，就有很高的粘著力和承裁能力浑梳。如將它與硬脂酸、石臘混合制成油膏镀匈，涂于刀具表面染窝，就可以大大提高刀具的使用壽命。如在30CrMnSi材料上攻絲砰洗，在無固體潤滑時一個絲錐僅能攻200個螺紋孔医惠，而經(jīng)添加二硫化鉬的油膏潤滑后的絲錐可加工1000個螺紋孔。 

　　在磨削加工中穿桃，將磨料與固體潤滑劑混合使用器谦，一般都能減小摩擦系數(shù)和摩擦熱，提高磨削速度痰哨。研究發(fā)現(xiàn)胶果，用砂輪對鋼鐵材料磨削時，砂輪的磨損與粘結(jié)劑的耐熱性有依賴性斤斧，一旦發(fā)熱的原因——摩擦阻力減小早抠，便可增大進(jìn)刀量和進(jìn)刀速度。如用芳族聚酯(POB)作粘結(jié)劑制造人造金剛石磨具撬讽，添加二硫化鎢或氟化石墨蕊连，則進(jìn)刀量和進(jìn)刀速度都能增大。 

　　在下列情況下游昼，可以用固體潤滑代替液體潤滑甘苍。 

　　(1)不能使用潤滑油脂的場合:在特殊工況下，一般潤滑油脂的性能無法適應(yīng)時酱床，可使用固體潤滑劑進(jìn)行潤滑羊赵。在金屬切(磨)削加工和壓力加工中無法使用液體潤滑的場合，也可以使用固體潤滑劑進(jìn)行潤滑扇谣。 

　　(2)為防止?jié)櫥椭晃廴镜沫h(huán)境場合:在潤滑油脂易被其它液體(如水、海水等)污染或沖走的場合闲昭，在潮濕的環(huán)境場合冕咒，在含有泥砂撑葡、塵土等雜質(zhì)的環(huán)境場合中，無法使用液體潤滑彭理，可以使用固體潤滑劑進(jìn)行潤滑艾抠。 

　　4.固體潤滑劑在涂層刀具中的應(yīng)用 

　　對刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，近十年來凝顿，刀具涂層技術(shù)取得了飛速發(fā)展惑妒，涂層工藝越來越成熟。在日本的硬質(zhì)合金和陶瓷刀片總產(chǎn)量中菌菇，涂層刀片占14%泛驰。 

　　涂層刀具可分為兩大類：一類是“硬”涂層刀具，如TiC及Al2O3等涂層刀具浪顽，主要優(yōu)缺點(diǎn)是表面硬度高寺帽、耐磨性能較好；另一類是“軟”涂層刀具东悔，如MoS2凸协、WS2、TaS2汗捡、MoS2/Mo淑际、MoS2/Ti以及WS2/W等涂層刀具，與工件材料的摩擦系數(shù)很低(0.01左右)扇住，可減小粘結(jié)庸追，降低切削力和切削溫度。 

　　目前常用的刀具涂層材料主要為各種硬質(zhì)氮化物台囱、氧化物淡溯、碳化物或硼化物陶瓷，都具有很高的硬度簿训，優(yōu)異的耐熱性咱娶，耐氧化性和耐腐蝕性。 

　　1992年有人首次提出在刀具表面沉積軟固體潤滑膜的方法提高刀具壽命和生產(chǎn)率强品。由于涂層材料的形成自由能低膘侮、化學(xué)性能穩(wěn)定、與工件材料的化學(xué)親和力小的榛，因此可在刀—屑琼了、刀—工界面之間有效地起到抗粘結(jié)的作用。在切削區(qū)高溫條件下仔同，TiC键切、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(dāng)?shù)牧鲃有云跃福善鸬綐O壓潤滑作用龙喂。從摩擦學(xué)觀點(diǎn)來看蝇硅，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(jié)磨損的能力增強(qiáng)秧梨，對降低切削力翁漠、切削溫度和提高加工質(zhì)量均有好處。 

　　用涂層和鍍膜等方法將固體潤滑劑粘結(jié)在刀具表面而形成固體潤滑膜妻行，可以起到潤滑功效舆焕。具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤滑劑與摩擦表面具有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，其本身的各層之間有較低的剪切強(qiáng)度汉疮，在切削過程中棍详，存在于刀具表面的固體潤滑膜將轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜颗介，使切削過程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤滑膜之間愤惰。即使摩擦發(fā)生在固體潤滑膜內(nèi)部，也可達(dá)到減小摩擦系數(shù)和降低刀具磨損的目的赘理。 

　　荊陽等研究了TiAlN-MoS2/TiAlN硬質(zhì)潤滑膜的摩擦特性宦言，研究表明，在鉆頭(W6Mo5Cr4V2麻花鉆商模，硬度HRC63)上沉積TiAlN-MoS2/TiAlN硬質(zhì)膜奠旺，可使其在鉆削過程中(鉆削材料為38CrNi3MoVA，調(diào)質(zhì)施流，硬度HRC42响疚，鉆頭轉(zhuǎn)速為600r/min，鉆削深度20mm瞪醋，進(jìn)給量0.13mm/r)忿晕，具有優(yōu)異的耐磨、減摩和耐高溫等性能银受，從而大幅度提高了刀具的壽命践盼。其中TiAlN硬質(zhì)膜的耐磨壽命比TiN薄膜高出近1倍。 

　　Fox等研究了MoS2/Ti和石墨/CrC潤滑涂層的摩擦潤滑特性宾巍，研究表明因摸，在往復(fù)摩擦試驗(yàn)條件下，MoS2/Ti潤滑涂層具有典型的摩擦趨勢(負(fù)載100N)叭蜂，摩擦系數(shù)較小且穩(wěn)定侦滩。通過在厚20mm的JISS50C鋼上進(jìn)行鉆孔對比試驗(yàn)(轉(zhuǎn)速30m/min，鉆深18mm唬研，進(jìn)給量0.12mm/r)假祝，干摩擦條件下，在硬涂層上涂敷一層MoS2/Ti潤滑涂層的鉆頭大大提高了壽命。涂敷MoS2/Ti和TiN復(fù)合涂層的鉆頭比單獨(dú)使用TiN的壽命提高2.1倍抢必，使用MoS2/Ti和TiAlN復(fù)合涂層的可比單獨(dú)使用TiAlN涂層的壽命提高2.8倍匀洪。 

　　You-rong Liu等研究了MoS2涂層陶瓷刀具的切削性能和磨損機(jī)制难宋。用未涂層和MoS2涂層刀具(Si3N4和Si3N4/MoS2耗鲸、TiCN和TiCN/MoS2、WC/Co和WC/Co MoS2)進(jìn)行對比切削試驗(yàn)(切削速度103～208m/min乙闰，進(jìn)給量0.1mm/r懒潘，切削深度0.25mm，工件為1045碳鋼和302不銹鋼)互墓。試驗(yàn)結(jié)果表明必尼，在切削1045碳鋼時，用MoS2涂層的Si3N4和TiCN刀具壽命比未涂層刀具提高了50%篡撵；切削302不銹鋼時判莉，用MoS2涂層的WC/Co刀具壽命比其未涂層時提高了140%以上。用陶瓷刀具加工時育谬，粘結(jié)磨損是主要的磨損原因券盅，特別是在大進(jìn)給量和高速切削下，而MoS2涂層有效的阻止了工件和刀具之間的粘結(jié)膛檀。通過XPS分析锰镀，在切削過程中刀具表面發(fā)生了一系列的摩擦化學(xué)反應(yīng)。 

　　另外咖刃，粒子束混合(IBM)和粒子束輔助沉積(IBAD)等技術(shù)也已用于陶瓷的固體潤滑研究泳炉。其中，IBM技術(shù)以載能離子束對膜層原子進(jìn)行直接轟擊嚎杨，而使膜層與底材之間的原子混合花鹅，使膜—基界面拓寬，結(jié)合強(qiáng)度明顯增大枫浙，而且轟擊引起的界面化學(xué)反應(yīng)還可以使膜—基結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提高呐缸。研究表明，利用IBM技術(shù)改性的Ti/Ni多層膜可以明顯的改善ZrO2和Si3N4陶瓷材料的摩擦學(xué)性能暖经，特別是其高溫摩擦學(xué)性能祈痢，在800℃高溫下的摩擦系數(shù)在0.06～0.09之間。 

　　5.固體潤滑劑在自潤滑刀具中的應(yīng)用 

　　自潤滑刀具是指刀具材料本身具有減摩缕沟、抗磨姚菱、潤滑功能，可在無外加潤滑液或潤滑劑的條件下實(shí)現(xiàn)自潤滑切削加工葛暇。由于自潤滑刀具的應(yīng)用可減小摩擦與磨損皂汞，省去冷卻潤滑系統(tǒng),減少設(shè)備投資,避免切削液造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本熄晕，因此自潤滑刀具是一種高效傲丹、潔凈的綠色刀具，在現(xiàn)代切削加工中具有廣闊的應(yīng)用前景尔网。 

　　由于自潤滑材料在特殊工作條件下具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性酬俯，因而受到人們的廣泛關(guān)注，成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向顷歌。目前锰蓬，在切削過程中實(shí)現(xiàn)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(xué)反應(yīng)，在刀具材料表面原位生成具有自潤滑作用的反應(yīng)膜眯漩；②直接將固體潤滑劑添加到刀具材料中芹扭，實(shí)現(xiàn)刀具自潤滑。添加固態(tài)潤滑劑是制備自潤滑材料的一個重要途徑赦抖。常用的固態(tài)潤滑劑有MoS2舱卡、hBN、H3BO3队萤、TaS2轮锥、WS2等以及部分軟金屬(Ni、W浮禾、Al交胚、Ti、Co等)盈电，它們與金屬材料的摩擦系數(shù)可降低至0.1～0.2蝴簇，僅為普通刀具材料的1/4～1/2。固態(tài)潤滑劑具有承載極限高探快、高溫化學(xué)穩(wěn)定性好鹤曼、物性變化小等特點(diǎn)，在特殊工作條件下具有良好的潤滑性能榨狐。將固態(tài)潤滑劑作為添加劑加入刀具材料基體中形成復(fù)合刀具材料暇创，可利用固態(tài)潤滑劑易拖敷、摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)咱漱，在刀具表面形成連續(xù)的固態(tài)潤滑層屈腻，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温履，可適應(yīng)1200℃以上的切削溫度范圍以及很寬的切削速度范圍,并能承受高載荷姑王，可較好滿足高速切削、干式切削亥护、硬態(tài)切削以及難加工材料加工等先進(jìn)制造技術(shù)對刀具材料提出的嚴(yán)格要求盆战。 

　　添加固態(tài)潤滑劑會對刀具材料性能產(chǎn)生兩方面的影響：一方面，固態(tài)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(tài)诈火，減小摩擦磨損兽赁；另一方面，固態(tài)潤滑劑在刀具材料中的彌散可能導(dǎo)致材料機(jī)械性能下降冷守。因此刀崖，為了既保證固態(tài)潤滑劑的足夠含量以形成連續(xù)潤滑膜，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的潤滑作用教沾，同時又能保證刀具材料的物理機(jī)械性能不致明顯下降蒲跨，就必須在其物理機(jī)械性能與自潤滑性能之間進(jìn)行合理的綜合平衡译断。由于此類自潤滑刀具材料內(nèi)部始終含有固態(tài)潤滑劑授翻，因而刀具在整個生命周期內(nèi)始終具有自潤滑功能，且刀具材料在很寬的溫度范圍內(nèi)(低速到高速切削)均具有自潤滑能力孙咪。 

　　6.結(jié)語 

　　切削液潤滑是切削加工中最傳統(tǒng)堪唐，也是生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的潤滑方法，但是切削液僅在切削溫度較低的范圍內(nèi)才有效翎蹈。固體潤滑劑在切削液中的應(yīng)用淮菠，大大提高了切削的潤滑特性、承載能力和溫度適應(yīng)性能荤堪，改善了加工表面質(zhì)量合陵，使切削液在苛刻加工條件下的性能大大提高。將固體潤滑劑應(yīng)用到涂層刀具中制備出具有潤滑功能的涂層刀具办适，可以改善刀具的摩擦性能玉唉，比單獨(dú)使用硬涂層的刀具具有更高的使用壽命和較低的摩擦系數(shù)。對刀具表面進(jìn)行涂覆潤滑涂層是一種很有前途的潤滑方式之一点溶，目前國內(nèi)外發(fā)展都很快婚拭，但是涂層刀具中的潤滑涂層在切削過程中難以補(bǔ)充，一旦潤滑涂層磨損或脫落便會發(fā)生潤滑失效比端，因此墅波，從目前的情況來看，切削加工中最有前途的潤滑技術(shù)可能是自潤滑刀具侵念，它具有優(yōu)異的減摩和抗磨作用帚棚，并可節(jié)省冷卻潤滑系統(tǒng)、減小設(shè)備投資捎虚、降低加工成本兆性、減小資源消耗和防止切削液對環(huán)境的污染，可在高速切削亮花、干切削副瀑、硬切削和難加工材料的加工等方面有廣闊的應(yīng)用前景。由于應(yīng)用液體潤滑在切削液的制造、使用糠睡、處理及排放等各個時期均會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染挽鞠，且在加工成本中占有很大比例，隨著人們對環(huán)境和加工成本的要求狈孔，其應(yīng)用將會受到嚴(yán)格限制信认，因此固體潤滑方式在以后將取得更廣泛的應(yīng)用。

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