固体润滑剂的作用机理和应用

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:1采用具有润滑功能的切削液;o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、M oSe2、WSe2、BN等;有质地较软的金属,如A g、P b、Sn、In 等;有金属氧化物、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M oS2,WS2,P b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、M o S2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(M o S2)后,效果更为显著。切削韧性材料时,可用含胶体石墨或M oS2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(P OB)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:1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;o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,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。

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