“削鐵如泥”應該是自古以來人們對刀具的最高贊譽了。不過隨著材料科學及刀具工藝的發展，目前這一點并不難實現，比如說陶瓷刀具就是高性能刀具的代表之一。如果要說哪里比較難，那就是如何保證刀具能夠“削鐵”千百次而不損。

“磨損”永遠是高性能刀具的頭號敵人。在切削加工的過程中，刀具的前、后刀面會不斷與切屑和工件接觸，并發生劇烈摩擦，發生在刀具上的摩擦與磨損會造成刀具損壞而失效，使切削無法進行；發生在工件上的劇烈摩擦則會使加工表面質量惡化。為了減輕磨損，之前一般會使用具有潤滑作用的切削液，但這些潤滑液在高溫下性能會衰減，因此很難滿足高速切削等存在切削高溫的加工場合的加工要求。

不使用潤滑液就得干削，因此必須要改進刀具性能，開發出新的潤滑方式。其中“自潤滑刀具”，也就是以陶瓷為基體，加入固體潤滑功能相，通過一定工藝制備出具有一定力學性能和自潤滑性能的陶瓷刀具，被認為是解決這個問題的最佳途徑之一——因為這種自潤滑刀具內部始終含有固體潤滑劑，在整個生命周期內都能實現自潤滑切削加工。由于自潤滑刀具的應用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤滑系統，減少設備投資，避免切削液造成的環境污染，因此是一種高效、潔凈的綠色切削刀具。

一、自潤滑刀具的潤滑原理

自潤滑刀具的磨損過程可分為固體潤滑膜的形成、膜的磨損、膜的脫落和膜的再生等，其潤滑效果可伴隨刀具的整個生命周期，其潤滑機理如圖所示。

自潤滑刀具的潤滑機理示意圖

實現刀具本身自潤滑的主要方法有5種，即：

①以固體潤滑劑作為陶瓷刀具材料的添加劑，制備自潤滑陶瓷刀具材料；

②利用陶瓷刀具在切削高溫作用下的摩擦化學反應，在陶瓷刀具材料表面原位生成具有潤滑作用的反應膜；

③將固體潤滑劑通過涂層的辦法直接涂覆于刀具表面；

④在刀具的刀-屑接觸區加工出微織構，在微織構中添加固體潤滑劑，切削時高溫使固體潤滑劑軟化而形成連續的固態潤滑膜；

⑤通過飛秒激光加工出微米或納米級別尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的點陣，然后通過物理氣相沉積法在刀具表面涂層MoS₂或WS₂等軟涂層材料。

二、自潤滑材料都有哪些？

自潤滑陶瓷刀具材料中的固體潤滑相一般選擇剪切強度和硬度較低或兼具層狀結構的固體潤滑劑。部分潤滑材料如下：

1.金屬類潤滑劑

常用的金屬潤滑劑一般為軟金屬，主要有金、銀、鉛、鋅、錫等。軟金屬粘著在基體表面，只要有零點幾微米厚的膜就能起到潤滑作用。由于軟金屬的剪切強度低，而軟金屬與基體間的粘著強度又大于軟金屬的極限剪切強度，當與對偶材料發生摩擦時，軟金屬膜便向對偶材料表面轉移形成轉移膜。

2.非金屬潤滑劑

常用的非金屬潤滑劑主要是指具有層狀結構的材料，如石墨等，以及單質硫化物、氧化物、氟化物和硒化物等。

①石墨

石墨具有穩定的層狀六方晶體結構，通常認為其受剪切力作用后容易產生層間滑移是其具有低摩擦系數的原因。石墨還可與其它具有潤滑性能的粉末組成復合粉末潤滑劑來使用，也可把石墨分散在各種液體中形成懸浮液，組成油劑或水劑石墨乳，用于金屬加工。

②二硫化鉬（MoS₂）

MoS₂亦為六方晶體層狀結構，理論上，1μm厚的涂層膜就能經受1700萬次的往復摩擦，實際上，這種厚度的膜有幾十萬次摩擦的壽命。MOS₂是目前應用最廣泛的固體潤滑劑之一。使用的方法和形態較多，如粉劑、油劑、水劑;用各種溶劑或粘結劑將其懸浮液涂抹和噴涂在摩擦表面形成干膜；用離子噴涂和濺射等方法在摩擦表面形成鍍膜；與金屬或高分子材料組成復合潤滑材料等。

③六方氮化硼（h-BN）

h-BN的很多物理性能與石墨相似，因而有“白石墨”之稱。h-BN 可以分散在耐熱潤滑油脂、水或容劑中使用，也可噴涂在摩擦表面上形成干膜，填充在樹脂、陶瓷、金屬等表層做成耐高溫自潤滑復合材料來使用。陳曉虎利用層狀結構h-BN優良的潤滑特性，將其引入Al₂O₃陶瓷基體之中，制備了陶瓷摩擦材料。

④其他潤滑劑

與MoS₂相類似的層狀固體潤滑劑還有W、Ta、Nb的硫化物和硒化物，其中以Mo和W的硒化物最為實用。最常見的是二硫化鎢（WS）。

氟化物潤滑材料以氟化鈣（CaF）和氟化鋇（BaF）為代表。它們使用的溫度范圍比氧化物寬。CaF₂是一種很好的高溫潤滑材料，它常與陶瓷材料制作成粘結膜的形式使用。CaF₂和BaF₂在500℃下由脆性向塑性轉變而具有潤滑性。另外，在摩擦過程中CaF₂和BaF₂中的元素氟與磨損表面所起的化學作用也是其具有潤滑性的重要原因。

除上述幾種潤滑劑外，氧化物也可以作為固體潤滑劑。常用的氧化物固體潤滑劑有氧化鉛（PbO）、氧化鉻（Cr₂O）、氧化鈦（TiO₂）等。PbO是金屬氧化物中具有較好潤滑性能的固體潤滑劑。但與MoS₂相反的是，PbO在低溫下的摩擦系數很高，但在300~700℃之間的摩擦系數又很低。

資料來源：

自潤滑刀具的研究現狀和發展趨勢，連云崧，鄧建新，吳澤，亓婷，崔海冰。

自潤滑陶瓷刀具的設計開發及其自潤滑機理研究，曹同坤。

粉體圈NANA整理