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| MoS2“軟”涂層刀具的研究進(jìn)展及應(yīng)用 |
| 發(fā)布時(shí)間：2009/9/5 10:46:00 來源：中國硬質(zhì)合金商務(wù)網(wǎng) 發(fā)布者：manni123 |
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1 引言
刀具涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，而涂層材料的選擇是影響刀具涂層性能的關(guān)鍵。根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，可以將涂層刀具分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具兩大類。TiC、TiN、TiCN和TiAlN 等硬涂層通過高硬度和良好的耐磨性，可降低或者減輕刀具磨損，從而提高刀具的切削性能。然而，使用這些涂層的刀具摩擦系數(shù)一般都較高，加工過程中需要進(jìn)行潤滑，當(dāng)切削速度增大時(shí)，潤滑液作用急劇下降。而采用固體潤滑劑如MoS2、WS2等制備的刀具“軟”涂層，因其摩擦系數(shù)很低，可減輕摩擦，降低切削力和切削溫度，從而減少刀具的粘結(jié)磨損，延長刀具壽命，提高加工零件質(zhì)量。
MoS2固體潤滑劑具有摩擦系數(shù)低、承載力大、耐磨性好、與基體結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、電子、機(jī)械制造等領(lǐng)域。Martin等通過控制濺射時(shí)的雜質(zhì)含量、晶粒尺寸等因素，使MoS2在真空下的摩擦系數(shù)降至0.001，充分展示了MoS2所特有的減摩、潤滑的優(yōu)異性能。另一方面，MoS2的缺陷也十分明顯：當(dāng)溫度超過400℃時(shí)MoS2即開始氧化，并且隨著溫度的升高氧化程度逐漸加深，同時(shí)潤滑性能急劇下降，其原因是材料發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成了硬質(zhì)顆粒MoO3，增大了涂層的磨損。MoS2對(duì)于環(huán)境濕度十分敏感，易吸濕并直接導(dǎo)致摩擦系數(shù)的升高，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度由10% 升至90%時(shí)，其摩擦系數(shù)增大近一倍。此外，MoS2隨測試環(huán)境和接觸條件的變化，其性能還容易產(chǎn)生波動(dòng)。MoS2的這些缺點(diǎn)使其進(jìn)一步應(yīng)用受到一定的限制。目前，圍繞改善MoS2及其涂層的性能、提高M(jìn)oS2“軟”涂層刀具在切削加工中的應(yīng)用等熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究和探索。
2 MoS2“軟”涂層研究的國內(nèi)外進(jìn)展
影響涂層性能的因素不僅有涂層材料本身的物理化學(xué)性能，還包括基體的理化性能、涂層工藝以及基體與涂層之間、涂層與涂層之間的相互匹配等。這些影響因素可以分為以下兩方面。
2.1 基體的選擇
基體作為涂層的支撐體，對(duì)涂層性能的影響不言而喻，有時(shí)甚至直接決定涂層工藝的成敗。基體和涂層應(yīng)在物理性能和化學(xué)性能方面相互匹配，要考慮基體是否具備高的硬度，彈性模量、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)是否合理以及與涂層有無化學(xué)反應(yīng)等。
荊陽等對(duì)比了在ZL108鋁合金（90～110HV）和相對(duì)較硬的1Cr18Ni9Ti（370HV）材料上制備的MoS2復(fù)合涂層的顯微硬度值，發(fā)現(xiàn)后者的硬度比前者高出近1/5倍。作者分析后認(rèn)為，高硬度的基體不易發(fā)生塑性變形，能夠延緩由于基體塑性變形造成的涂層過早撕裂和剝落，其作用類似于多涂層及復(fù)合涂層中的硬質(zhì)中間層，從而對(duì)表面層起到支撐作用；同時(shí)復(fù)合涂層的顯微硬度也得到明顯提高。
基體與涂層或涂層與涂層之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不同，會(huì)導(dǎo)致涂層界面間存在大小不等、分布不均的殘余應(yīng)力場。荊陽等在YG8和YT14表面物理氣相沉積TiN-MoS2/TiN復(fù)合涂層后，發(fā)現(xiàn)層—基之間的殘余應(yīng)力狀態(tài)均為涂層呈殘余拉應(yīng)力、基體呈殘余壓應(yīng)力，其原因是熱膨脹系數(shù)δTiN＞δYG8或δYT14。而最終涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)為：YT14基體的殘余壓應(yīng)力減小，而YG8基體由于與TiN 涂層相比兩者熱膨脹系數(shù)差別更大，因而不僅壓應(yīng)力消失，還產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，前后應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化。殘余應(yīng)力場的存在影響了涂層與基體之間的結(jié)合力，并且層—基間熱膨脹系數(shù)相差越大，殘余應(yīng)力也越大，層—基之間的結(jié)合力越低，其適應(yīng)寬溫差環(huán)境的能力也就越差。因此在選擇基體時(shí)，應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)與基體差別較小的材料，從而降低殘余應(yīng)力，提高涂層界面間的結(jié)合力。
文獻(xiàn)還在Cu與碳鋼表面進(jìn)行了沉積MoS2/TiN的試驗(yàn)，結(jié)果涂層失敗。作者分析后發(fā)現(xiàn)，涂層與基體在沉積過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，不純的Cu中含有的CuO與通入沉積室內(nèi)的H2S氣體分解出的H+反應(yīng)生成水汽，產(chǎn)生了所謂的氫病現(xiàn)象。當(dāng)水汽膨脹時(shí)，使已形成的晶粒發(fā)生破裂，導(dǎo)致Cu基體表面出現(xiàn)0.5mm左右的凹坑，使得涂層根本無法沉積上去。對(duì)碳鋼基體的試驗(yàn)分析亦有類似的結(jié)論。因此選擇基體時(shí)還要考慮層—基間的化學(xué)性能匹配。需要注意的一點(diǎn)是，采用化學(xué)性能相近的材料漸次形成過渡層（梯度涂層），已被廣泛應(yīng)用于多涂層和復(fù)合涂層中：性能越接近的材料匹配性能越合理，涂層界面間的結(jié)合力就越強(qiáng)，越容易形成轉(zhuǎn)移膜，耐磨性越好，從而軟涂層的壽命也越長。
2.2 MoS2涂層工藝
（1）涂層方法
MoS2涂層方法分為化學(xué)氣相沉積（CVD）法和物理氣相沉積（PVD）法。與CVD法相比，PVD涂層方法處理溫度低，涂層內(nèi)部狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適合硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具涂層，并且對(duì)環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。目前多采用PVD法中的濺射技術(shù)、離子鍍技術(shù)（或二者相結(jié)合）制備MoS2“軟”涂層。然而磁控濺射MoS2涂層作為目前的主流沉積方法，所獲得的涂層質(zhì)量和沉積速率一直難以令人滿意。Teer等開發(fā)出一種被稱作封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍（CFUBMSIP）的沉積方法，正逐步應(yīng)用到“軟”涂層的制備當(dāng)中。
提高磁控濺射時(shí)的離子流密度是改善濺射涂層性能和效率的關(guān)鍵。離子的產(chǎn)生最初采用平衡磁控源，CFUBMSIP系統(tǒng)的特點(diǎn)則是在真空室內(nèi)排布使用了非平衡磁控源，系統(tǒng)中相鄰的磁控源磁場極性相反，使得整個(gè)真空室內(nèi)存在著環(huán)形磁場，二次電子在逃出陰極靶材表面平行磁場的陷阱后不能直接飛向陽極，而是再以近似擺線運(yùn)動(dòng)落入封閉磁場的陷阱中，從而提高了電子與氣體分子的碰撞幾率，大幅度增加了氣體的離化率和陰極靶所能得到的離子流密度，使得系統(tǒng)具備更高的濺射速率。采用此系統(tǒng)在M42鋼表面制備的MoST（MoS2+金屬或化合物）復(fù)合涂層與純MoS2涂層的性能比較，復(fù)合涂層的性能獲得了顯著提高。
韓成名等結(jié)合材料發(fā)展中有關(guān)“多相材料”的理念，提出一種非平衡納米復(fù)合等離子體鍍膜法（NCUPP），其原理是在特定的工藝參數(shù)條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化，產(chǎn)生離子轟擊的同時(shí)把蒸發(fā)物或其他反應(yīng)物沉積在基體上。此方式可以對(duì)幾種至十幾種不同的材料進(jìn)行精細(xì)的納米復(fù)合，使得在2～3μm厚的涂層中包含有幾層、甚至十幾層多相納米復(fù)合層。
作者采用此方法對(duì)幾種材料（Ti、N、Mo、S等）進(jìn)行了精細(xì)納米復(fù)合，在1Cr18Ni9Ti不銹鋼鋼片和φ8麻花鉆頭上制備了TiN-MoS2/Ti多相納米復(fù)合涂層。X光電子能譜儀（XPS）試驗(yàn)顯示，部分Ti以氧化物的形式存在，在涂層表面形成了致密的氧化膜，阻止了涂層進(jìn)一步氧化，從而提高了納米復(fù)合涂層的抗潮濕氧化能力。磨損對(duì)比試驗(yàn)則表明：納米復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)幾乎不隨磨損壽命的變化而變化，說明采用NCUPP法沉積的TiN-MoS2/Ti多相納米復(fù)合“軟”涂層的磨損壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通TiN-MoS2/Ti涂層。
（2）涂層工藝
涂層工藝的各項(xiàng)參數(shù)同樣影響“軟”涂層界面的結(jié)合力，進(jìn)而影響涂層的整體性能。
這些參數(shù)包括：Ar氣壓、陰極電流密度、基體負(fù)偏壓和磁控濺射條件（靶距、金屬或化合物的添加量等）等。有文獻(xiàn)考察了Ar氣壓、磁控電源模式、濺射靶類型、液氮冷阱等對(duì)涂層性能的影響。結(jié)果表明：在較低Ar氣壓(試驗(yàn)中為0.40Pa)下獲得的涂層，其性能優(yōu)于較高氣壓(0.88Pa)下獲得的涂層；采用單直流電源制備涂層的磨損體積大于雙脈沖直流電源下的涂層；液氮冷阱條件下制備涂層的磨損體積小于無液氮冷阱下的涂層；相對(duì)濕度和Ar 氣壓較低(0 .40Pa)的條件下，冷靶制備的涂層的磨損體積稍高于熱靶，但對(duì)較高Ar 氣壓下的涂層則相反。
荊陽等在大氣環(huán)境下的AZ5032鉆床上進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，并考察了采用NCUPP法在φ8mm 6542鋼麻花鉆表面制備的TiN-MoS2/Ti復(fù)合涂層的性能，以及該涂層性能與磁控濺射條件（靶距、沉積氣壓及Ti添加劑含量）之間的關(guān)系。作者研究后發(fā)現(xiàn)，涂層刀具的鉆削壽命與Ti含量直接相關(guān)，但并非隨著Ti含量的增大而呈線性增長，而是在Ti含量約為12.5%時(shí)達(dá)到最高。隨著靶距的減小和沉積氣壓的增加，Ti含量隨之增大，當(dāng)靶距過小（小于50cm）、沉積氣壓過大（超過3.0Pa）時(shí)，Ti含量顯著增加，結(jié)果造成涂層內(nèi)晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，畸變能迅速增加，致使涂層的耐磨壽命迅速降低，并失去應(yīng)有的潤滑效果。作者經(jīng)多次試驗(yàn)后得出結(jié)論：采用靶距50cm、沉積氣壓3.0Pa（此時(shí)Ti含量約12.5%）時(shí)得到的復(fù)合涂層性能最佳。
此外，沉積前對(duì)基體進(jìn)行預(yù)濺射清洗可以除去不利于涂層與基體結(jié)合的雜質(zhì)，對(duì)于MoST涂層來說，清洗過程的同時(shí)開一個(gè)金屬濺射靶（如Ti靶），還可以降低真空室內(nèi)水蒸氣的濃度；在沉積過程中通過對(duì)基體施加一定的負(fù)偏壓對(duì)涂層進(jìn)行離子轟擊，能夠提高層—基間組分的相互擴(kuò)散能力和涂層表面的原子反應(yīng)活性，從而可以降低涂層中缺陷的產(chǎn)生。綜合考慮以上因素，有文獻(xiàn)在Ar氣壓為0.40Pa、陰極電流密度10A/cm2、同時(shí)施加-100V負(fù)偏壓進(jìn)行離子轟擊的條件下，獲得了試驗(yàn)中摩擦系數(shù)最低和耐磨性能最好的MoS2涂層。
3 MoS2“軟”涂層刀具的應(yīng)用效果
由采用兩種不同的涂層刀具端銑AISI 304不銹鋼時(shí)的平均銑削力對(duì)比及加工后的工件表面質(zhì)量（切削用量：V=150m/ min，f=0.04mm/r，ap=4mm)可見，在TiCN上沉積MoST涂層的硬質(zhì)合金銑刀在干摩擦條件下平均銑削力顯著減小，加工表面質(zhì)量也獲得顯著改善。兩方面的影響使得最終產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量均取得明顯提高。
由三種高速鋼涂層鉆頭鉆孔數(shù)目的比較（切削用量：V=30m/min，f=0.12mm/r；工件為JIS S50C鋼）可見，在硬涂層TiN上沉積一層MoST“軟”涂層后的鉆頭，其壽命比單獨(dú)使用TiN涂層的鉆頭提高了2.1倍，比TiAlN涂層鉆頭提高了2.8倍。
有文獻(xiàn)討論了MoST“軟”涂層應(yīng)用的局限性。車削試驗(yàn)后，在刀片的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)有氧存在，表明在車削過程中由于相當(dāng)高的切削溫度引起了涂層的氧化磨損。作者由此認(rèn)為：MoST“軟”涂層不適用于連續(xù)高速車削工藝；在低速銑削時(shí)，MoST“軟”涂層刀具的壽命通常比未涂層刀具高1.15～2倍。概括來講，MoST“軟”涂層刀具適合于低速斷續(xù)切削。
由不同基體和涂層的刀具端銑鍛造鋁合金零件時(shí)切削速率的對(duì)比可見，表面沉積MoS2的高速鋼刀具的切削速率比硬質(zhì)合金刀具提高了2倍，比未涂層高速鋼刀具提高了6倍。
由有/無MoS2涂層的陶瓷刀具切削1045鋼和302鋼時(shí)的磨損壽命對(duì)比（切削用量：V1045=180m/min，V302=103m/min，f=0.1mm/r，ap=0.25mm）可見，切削1045碳鋼時(shí)，沉積MoS2的Si3N4和Ti（CN）陶瓷刀具磨損壽命比無涂層刀具延長50%；切削302不銹鋼時(shí)，涂覆MoS2的WC基陶瓷刀具磨損壽命比無涂層刀具延長140%。
4 結(jié)語
MoS2“軟”涂層刀具的研究開發(fā)為提高刀具的切削性能提供了新思路。采用MoS2軟涂層能夠顯著降低刀具切削時(shí)的摩擦系數(shù)，減小刀具的磨損，延長刀具壽命。封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍和非平衡納米復(fù)合等離子體鍍等涂層方法的開發(fā)，以及通過合理選擇基體、優(yōu)化沉積工藝、進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕w前、后處理等技術(shù)與措施使制備的MoS2“軟”涂層結(jié)構(gòu)更加致密，涂層與基體間的結(jié)合力增強(qiáng)，刀具壽命延長。結(jié)合納米技術(shù)和復(fù)合涂層技術(shù)，拓展新的MoS2涂層技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化涂層工藝參數(shù)，擴(kuò)大“軟”涂層刀具的切削試驗(yàn)范圍和應(yīng)用范圍，同時(shí)進(jìn)一步探討“軟”涂層摩擦磨損性能獲得提高的機(jī)理，將是今后一段時(shí)期內(nèi)MoS2“軟”涂層刀具研究的發(fā)展方向。
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