第1章绪论
绿色制造已成为21世纪机械制造业的发展趋势，是实现资源和能源高效、清洁、循环利用与环境影响最小化的重要途径。随着社会可持续发展意识的提高和研究的不断深入，使用切削液所带来的负面效应越来越明显。消除使用切削液所带来的负面影响，最直接的方法就是取消切削液的使用，进行干式切削加工。由于干切削加工过程中没有切削液的冷却润滑作用，使得切削条件更加恶劣，对刀具提出了更严格的要求，刀具需要具备优异的耐高温、耐磨损特性，较低的摩擦系数，以及合理的刀具结构和几何参数等。基于干切削加工特性，对刀具进行合理设计，改善刀具的减摩和高温磨损性能，使刀具具备白润滑功能尤其重要。因此，本书针对白润滑陶瓷刀具不能合理兼顾白润滑性能和力学性能的难题，采用梯度设计剪裁刀具内部的固体润滑剂分布，使陶瓷刀具兼具表层良好的白润滑性能和整体良好的力学性能。
1.1自润滑陶瓷材料的研究现状
1.1.1常用固体润滑剂及其主要性能
固体润滑剂具有摩擦性能优良、承载能力和耐磨性较高、宽温特性和时效性良好等特点，可以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应用。常用的固体润滑剂可分为软金属类、层状无机物类、非层状无机物类相有机物类等，而应用于陶瓷刀具复合材料的主要是前三类固体润滑剂。
1．软金属类
软金属类固体润滑材料作为固体润滑剂是基于其剪切强度低，与对偶材料发生摩擦时能够发生晶间滑移，起到良好的减摩作用。许多软金属，如金、银、铅、锡、锌、铟等，在重载、高低温、真空和辐射等条件下都具有良好的润滑效果，可以作为固体润滑剂。
软金属类固体润滑材料作为固体润滑剂时，必须考虑其硬度、熔点、高温下的化学稳定性等因素。一些软金属，如锡、铅、铟、镉等熔点较低；铂在高温下会形成氧化膜易导致工件黏着磨损；锌、铝、铜等在高温下生成的氧化物具有比基体更大的硬度，且分解的温度很高，因此都不适合作为高温润滑剂。金、银等软金属可以作为耐高温固体润滑剂，其中金在高下相当稳定，1000℃以上也不发生氧化反应，而银的氧化物Ag0、Ag20则分别在145℃和300℃下就会发生分解反应，其产物为单质银和氧气。
2．层状无机物类
层状无机物类包括石墨、六方氮化硼和过渡金属二硫化合物（二硫化钨、二硫化钼、二硒化铌），该类化合物具有层片状六方品系结构，层与层之间以较弱的范德华力结合，品面容易产生滑移，发生塑性变形，从而具有良好的减摩性能。常见层状无机物类固体润滑剂的特性如表1-1所示。
表1-1常见层状无机物类固体润滑剂的特性
石墨来源广泛、价格低廉并具有优良的化学稳定性、高温安定性、导电性等优点。由于石墨的润滑作用受吸附气体的影响，其在真空中的润滑效果较差。在真空高温下，石墨脱气时，石墨表面的化合表面膜或吸附膜将发生热解，生成碳的易挥发性氧化物，从而导致石墨失去润滑性能。因此，石墨作为固体润滑剂，不能单独使用，必须经过改性或者复合处理后使用。六方氮化硼为六方晶体，具有与石墨一祥的层状结构和类似的性质，可以用作高温润滑剂或者绝缘性隔热润滑材料。
层状无机物类固体润滑剂中以二硫化钼的应用最为广泛。二硫化钼具有很好的防真空冷焊能力和承载能力，摩擦系数和磨损率很低，对速度和温度的变化不是很敏感，抗辐照性能和耐高低温交变能力较好，但纯的二硫化钼润滑层在大气，特别是潮湿的大气环境中易发生潮解、氧化，从而导致二硫化钼的润滑性能下降甚至失效。二硫化钨具有与二硫化钼相似的物理性质，润滑机理与石墨大体相似，二硫化钨为立方晶系，在该晶系中，W原子和S原子以强化学键结合，而S原子和S原子之间以弱分子键结合，在摩擦过程中S原子和S原子之间剪切强度低，很容易沿S原子和S原子面滑动。
3．非层状无机物类
非层状无机物类主要包括金属氧化物、金属氟化物等。金属氧化物如氧化铅、氧化硼、氧化锌、二氧化硅和三氧化钼等，金属氟化物如氟化钙和氟化钡等，这些无机化合物在高温下具有良好的润滑作用。氧化铅是润滑性能最好的一种高温润滑材料，其摩擦系数随温度的升高而减小，在400℃以上时甚至比二硫化钼的润滑性还好。氟化钙和氟化钡在500℃开始具有润滑性能，在高温下还具有相当强的抗氧化能力，在900℃时仍不发生氧化失效还可以继续使用。部分无机化合物的物理性质如表1-2所示。
表1-2部分无机化合物的物理性质
此外，纳米润滑材料是一种新型的高性能润滑材料，由于其纳米效应的存在，使其衷现出比现有润滑材料更好的综合性能和更广泛的应用前景。尽管它出现的时间还比较短，却已引起了世界范围的关注。胡坤宏等利用纳米MoS2空心球填充聚甲醛制备白润滑复合材料，其减摩抗磨性能比微米MoS2填充聚甲醛性能更好。
1.1.2自润滑复合材料的研究现状
白润滑复合材料是以金属、陶瓷或非金属为基体，加入固体润滑剂和一些附加添加剂，通过一定工艺制备而成的具有一定力学性能和自润滑性能的固体润滑复合材料。白润滑复合材料可根据工作环境的要求方便地设计材料组分，一方面具有较高的力学性能，能够提高材料的耐磨性；另一方面又具有白润滑的效果，在摩擦表面形成一层固体润滑膜，减小材料的摩擦系数和摩擦功耗。随着社会科技的发展和人类环境保护意识的提高，低污染、较长使用寿命、低摩擦系数，同时具有白润滑性能的自润滑复合材料在生物、电子、通信、航空等高科学技术领域具有广阔的发展前景，应用范围也越来越广泛，备受人们的关注。按基体材料的类型，白润滑复合材料大致分为金属基、高分子基和陶瓷基三大类。
1．自润滑金属基复合材料
白润滑金属基复合材料是材料科学与摩擦学研究领域的一个重要领域。白润滑金属基复合料的摩擦性能由其力学性能、摩擦过程中的表面固体润滑膜能否不断地形成和补充、能否成功地转移到对偶材料决定。白润滑金属基复合材料必须具有足够的强度才能保证摩擦部件有很高的承载能力；还必须具有一定的固体润滑剂含量才能降低其摩擦系数；强度与润滑性能的协同配合问题一直是该领域的研究热点之一。张定军等采用粉末冶金的方法以石墨为固体润滑剂制备了N出-Al基白润滑金属复合材料，并讨论了在不同试验条件下的摩擦磨损性能。结果表明，加入5%的鳞片状石墨能改善材料的摩擦性能；随着烧结温度的升高，该材料的机械性能及摩擦性能均有所改善，烧结温度为1100℃时组织最致密、硬度最高、摩擦性能最优。Dong等采用粉末冶金法制备B出2 Sr2 CaCu70。(B出2212)和Ag/B出2 212复合材料，并测定了Ag/B出2212复合材料的摩擦磨损性能。试验表明，10% Ag/B出2212复合材料的润滑系数最低，为0.2；15%Ag/B出2212复合材料的磨损率最低，为9.5×lO_rmm3/(N．m)。
原位反应型金属基白润滑复合材料较多地应用在高温下的摩擦中，材料本身各组成相之间或者材料与工作环境中的气体发生化掌反应从而在材料的表面形成一层白润滑膜。在某些特定的情况下，这种原位反应不仅没有损害基体材料的承载能力，还会提高自润滑材料的承载能力。工yag出等将不同比例的工出C加入Al基体中制备出Al基复合材料，在研究与Al2 03干摩擦时发现，随着载荷的增加，该复合材料的磨损率并没有线性增大，而增加工出C含量时磨损率有所降低。主要原因是加入工出C后，摩擦过程中原位生成的氧化膜转移到摩擦副表面，起到了润滑的作用。Zhang等将Fe2 N出2 RE合金粉末热喷涂到1045碳钢上，并测试了与SAE52100钢干摩擦的性能，研究表明，Fe2 N出2 RE合金涂层高温下原位形成的氧化膜能有效地改善摩擦条件，随着载荷的增大，磨损率会少量增加。
金属基镶嵌型白润滑材料是指在金属基体材料上预先加工出按照一定方式排列的小孔或者沟槽，然后将固体润滑剂镶嵌在小孔或者沟槽中。工作过程中由于环境温度或摩擦热的影响，固体润滑剂从小孑或者沟槽略微突起，并通过摩擦作用在金属基体材料和对偶材料的表面形成润滑膜，从而起到减摩耐磨的作用。宋文龙等采用微细电火花加工技术在硬质合金刀具前刀面月牙洼磨损区域加工微孑并填装MoS2固体润滑剂，制备一神镶嵌固体润滑剂的微织构白润滑陶瓷刀具，并进行干切削试验。试验表明，微织构自润滑陶瓷刀具能够显著降低切削力、减小刀具前刀面磨损；同时，微织构自润滑刀具的切削性能受到微织构结构的影响，合理的微织构结构能够减少切屑的黏结，从而提高微织构白润滑刀具的切削性能。
2.自润滑高分子基复合材料
白润滑高分子基复合材料主要包括聚尼龙、聚甲醛、四氟乙烯、酰亚胺、聚醚醚酮等工程塑料。白润滑高分子基复合材料的密度小、摩擦系数低，但其机械性能、传热性能和耐热性不是很理想。为了实现预期的目的，经常向高分子材料中掺人一些耐磨物质，如玻璃纤维、碳纤维、二硫化钼、石墨以及一些有机化合物，以提高材料的刚度、耐磨性和导热性能，从而获得优异的机械、物理和化学等性能。白润滑高分子基复合材料可以节省大量的金属材料、润滑油脂和消耗能源，实现无油润滑，在齿轮、滑块、滑动轴承和制作轴承保持架等方面具有广泛的应用空间。
目前白润滑高分子基复合材料主要通过聚合物与聚合物共混及添加晶须、纤维等途径来提高基体材料的机械性能。此外，通过电子辐射、等离子改性和离子注入等手段进行表面改性处理，也能有效地提高其综合性能。Wang等研究的采用纳米S出3 N4填充的聚醚醚酮(PEEK)复合材料表明，S出3 N4能降低PEEK复合材料的摩擦系数和磨损率，当S出3 N4质量分数为7.5%时，PEEK复合材料的磨损率最低。这是由于在摩擦过程中部分S出3 N4被氧化生成S出02，改善了润滑膜的特征，形成了较连续的润滑膜。Pe出等研究分析了电子辐射对PES2C聚乙烯的结构和摩擦性能的影响，聚乙烯被辐射后会形成新的碳化物，其磨损率随着辐射能量的增大而大大降低，这是因为新生成的无定形破化物使聚乙烯材料的磨损类型发生改变，由黏结磨损转变为疲劳磨损。魏羟等对以铅粉、石墨、玻璃纤维(GF)、聚四氟乙烯( P工FE)的混合物为固体润滑剂制备的铜基镶嵌式自润滑轴承材料进行了摩擦磨损试验，结果表明，在P工FE中添加不同配比的铅粉、石墨、GF形成的固体润滑剂，可以不同程度地降低铜基白润滑轴承材料的摩擦系数和磨损率，且GF的加入还能大幅度降低摩擦配副的磨损率。
3．自润滑陶瓷基复合材料
新型结构陶瓷材料具有低密度、高硬度、高强度和高刚度等优点，以及优异的化学稳定性和高温力学性能等特点，在摩擦学领域得到了广泛的应用。
1)添加固体润滑剂的白润滑陶瓷基复合材料
白润滑陶瓷基复合材料是将固体润滑剂作为添加剂直接添加到陶瓷基材料基体中制备的。利用固体润滑剂易拖覆、摩擦系数低等特点，在摩擦表面形成连续的固体润滑膜，从而使材料具有白润滑特性。
2)原位反应白润滑陶瓷基复合材料
原位反应白润滑陶瓷基复合材料是利用摩擦高温化学反应在材料表面原位生成具有润滑作用的反应膜，此润滑膜在特定的工作条件下能够保持较低的剪切强度和摩擦系数，从而实现复合材料的白润滑目的。
3)仿生白润滑陶瓷基复合材料
仿生材料是利用生物的各种将点或特性而进行模拟的各种材料。其研究内容以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来考虑材料的设计与制作。仿生自润滑陶基复合材料即利用生物体特定的润滑结构，使陶瓷材料具有白润滑性。
4)软涂层白润滑陶瓷基复合材料
软涂层白润滑陶瓷基复合材料是将固体润滑剂以涂层的方法直接涂覆于材料表面或者在材料表面采用离子注入的方法，从而实现材料的白润滑目的。
1.1.3自润滑陶瓷刀具的研究现状
自润滑陶瓷刀具是指刀具材料本身具有减摩和抗磨作用，在没有外加润滑液或润滑剂的条件下，刀具材料本身就具有润滑功能。实现刀具材料白润滑的意义在于克服陶瓷材料本身高摩擦系数的缺点、降低磨损、省掉冷却润滑系统、克服切削液造成的环境污染、实现清洁化生产以及降低成本。因此，白润滑陶瓷刀具是一种洁净的绿色加工刀具。
自润滑陶瓷刀具主要包括以
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