[发明专利]一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具及其制备方法。

二、背景技术

由于切削液费用较高，且造成环境污染，因此，干切削加工已成为未来金属切削加工的发展趋势之一。但是干切削也存在不足：由于缺少切削液的润滑和冷却作用，刀具与工件之间的摩擦加剧，切削温度升高，刀具的磨损严重，刀具寿命下降，加工表面质量恶化。陶瓷刀具材料具有硬度高、耐磨性好、耐热性及化学稳定性好等优良特点，目前已成为干切削及难加工材料的主要刀具之一。但高速干切削时，前刀面上刀屑之间的摩擦异常剧烈，产生了大量的热，导致了刀具的寿命下降。因此迫切需要研究开发无污染、高效率的新型润滑方式，来降低高速干切削时的摩擦以提高刀具寿命。

自润滑刀具是指刀具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，刀具本身就具有一定的润滑功能，可改善干切削过程的摩擦润滑状态。实现刀具自润滑的意义在于：可降低摩擦、减小磨损、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。因此，可以说自润滑刀具是一种洁净的干切削刀具。中国专利“申请号200710017168.3”报道了一种微池自润滑刀具及其制备方法，它采用微细电火花在刀具前刀面刀-屑接触区加工出微孔，将固体润滑剂填充到微孔中，在切削时润滑剂析出形成润滑膜从而起到润滑作用。中国专利“申请号201110089826.6”报道了一种微织构自润滑钻头及其制备方法，它是采用激光加工技术在钻头前刀面刀-屑接触区加工出不同形貌的槽或孔微织构，然后在织构中填充固体润滑剂，从而实现钻头的自润滑作用。中国专利“申请号：201010124734.2”报道了微纳复合织构化刀具的飞秒激光制备方法，利用飞秒激光与材料之间相互作用的独特性质，在刀具表面进行微纳织构以及微/纳复合织构制备，改善了刀具的抗磨损性能，提高其使用寿命。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具及其制备方法。该陶瓷刀具采用激光加工技术前刀面上加工出微米级织构，在负倒棱上加工出纳米级织构，并分别在微米级织构与纳米级织构中填充固体润滑剂，在干切屑时，微纳复合织构与固体润滑剂的双重作用能够实现减小摩擦，降低切削力和切削温度，从而可达到阻止粘结、减小摩擦、降低磨损，提高刀具使用寿命。

本发明通过以下方式实现：

一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具，该刀具材料为Al₂O₃基陶瓷或Si₃N₄基陶瓷，其特征是在刀具前刀面上加工出微米级织构，在刀具负倒棱上加工出纳米级织构，并分别在微米级织构和纳米级织构中填充固体润滑剂。

微纳复合织构自润滑陶瓷刀具的制备方法，其制备方法的步骤为：

(1)将陶瓷刀具前刀面和负倒棱研磨抛光，并分别在丙酮和酒精溶液中清洗20min，进行去油污处理；

(2)采用激光打标机在陶瓷刀具前刀面加工出微米级织构，织构槽宽为30-50μm，深度为50-100μm，间距为100-400μm；

(3)采用飞秒激光在陶瓷刀具负倒棱上加工出纳米级织构，织构槽宽为20-50nm，深度为10-30nm，间距为20-50nm；

(4)分别在微米级织构与纳米级织构中填充固体润滑剂，固体润滑剂为MoS₂、WS₂、CaF₂或石墨。

通过上述制备的微纳复合织构自润滑陶瓷刀具，刀具前刀面带有存储固体润滑剂的微米级织构，刀具负倒棱上带有存储固体润滑剂的纳米级织构。在干切屑时，微纳复合织构与固体润滑剂的双重作用能够实现减小摩擦，降低切削力和切削温度，从而可达到阻止粘结、减小摩擦、降低磨损，提高刀具使用寿命。该刀具是一种适合干切削和难加工材料切削加工的自润滑陶瓷刀具。

四、附图说明

图1为本发明的微纳复合织构自润滑陶瓷刀具的正面示意图，其中：1为前刀面，2为负倒棱，3为微米级织构，4为纳米级织构。

图2为本发明的微纳复合织构自润滑陶瓷刀具的侧面示意图，其中：5为填充固体润滑剂的微米级织构，6为填充固体润滑剂的纳米级织构。

五、具体实施方式

下面给出本发明的二个最佳实施例：