二硫化鉬“軟”涂層刀具的研究進(jìn)展及應(yīng)用

1、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(guò)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(guò)程中需要進(jìn)行潤(rùn)滑，當(dāng)切削速度增大時(shí)，潤(rùn)滑液作用急劇下降。而采用固體潤(rùn)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(zhǎng)刀具壽命，提高加工零件質(zhì)量。 MoS2固體潤(rùn)滑劑具有摩擦系數(shù)低、

2、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(guò)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(rùn)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(guò)400時(shí)MoS2即開(kāi)始氧化，并且隨著溫度的升高氧化程度逐漸加深，同時(shí)潤(rùn)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(cè)試環(huán)境和接觸條件的變

3、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(wèn)題，國(guó)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(guó)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。 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?；w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、

4、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)是否合理以及與涂層有無(wú)化學(xué)反應(yīng)等。 荊陽(yáng)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(guò)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(chǎng)。荊陽(yáng)等在YG8 和YT14表面物理氣相沉積TiN-MoS2/

5、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)dTiNdYG8或dYT14 (見(jiàn)表1)。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(chǎng)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)

6、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(guò)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： CuO + 2H+ Cu2+ + H2O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(wú)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(guò)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

7、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(zhǎng)。表1 幾種基體和涂層材料的性能參數(shù)材料 參數(shù) 硬度(HV) 熱膨脹系數(shù)( × 10-6mm/mm) 涂層 MoS2 400 10.7 基體或中間層 高速鋼 M42鋼普通麻花鉆 860740±30 12 硬質(zhì)合金 YG8YT14 14001500 4.56.5 陶瓷 TiNSi3N4 25001600 9.43.41. 表1 列舉了MoS2及幾種基體和中間涂層材料的硬度和熱膨脹系數(shù)值。 2. MoS2涂層工藝 3. 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

8、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(wú)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(kāi)發(fā)出一種被稱作封閉磁場(chǎng)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。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。圖1 封閉磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖提高磁控濺射時(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，C

9、FUBMSIP 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(chǎng)極性相反，使得整個(gè)真空室內(nèi)存在著環(huán)形磁場(chǎng)，二次電子在逃出陰極靶材表面平行磁場(chǎng)的陷阱后不能直接飛向陽(yáng)極，而是再以近似擺線運(yùn)動(dòng)落入封閉磁場(chǎng)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。 表2 為采用此系統(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，可見(jiàn)復(fù)合涂層的性能獲得顯著提高。表2 MoST 復(fù)合涂層與純MoS2涂層性能比較參數(shù) 硬度(HV) 摩擦系數(shù) 磨損率(m3/Nm) 純M

10、oS2 400 0.080.15(RH 50%) 4×10-5 MoST 10002000 0.020.1(RH 40%) 4×10-7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 3m 厚的涂層中包含有幾層、甚至十幾層多相納米復(fù)合層。其設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖2。圖2 非平衡納米復(fù)合等離子體鍍膜法系統(tǒng)圖作者采用此方法對(duì)幾種材料(Ti、N、Mo、S等)進(jìn)

11、行了精細(xì)納米復(fù)合，在1Cr18Ni9Ti 不銹鋼鋼片和f8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(shuō)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。 4. 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

12、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。表3 為采用NCUPP法制備TiN-MoS2/Ti 納米復(fù)合涂層的工藝參數(shù)。表3 TiN-MoS2/Ti 納米復(fù)合涂層工藝參數(shù)沉積層 真空度(Pa) 氣氛(Pa) 偏壓(V) 靶電流(A) 沉積時(shí)間(min) 溫度() TiN 2×10-2 N2(0.5) 200 80 30 200 MoS2/Ti 2×10-2 Ar(0.3)H2S(2.5) Mo靶 Ti靶 Mo靶 Ti靶 15 200 150 70 90 80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)

13、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(wú)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，如圖3所示。(a)Ar氣壓為0.40Pa (b)Ar氣壓為0.88Pa 圖3 不同Ar氣壓、冷或熱靶下獲得的MoS2涂層的磨損體積 (a)不同Ti含量時(shí)鉆頭的鉆削壽命 (b)不同沉積氣壓下鉆頭的鉆削壽命 圖4 不同參數(shù)對(duì)鉆頭鉆削壽命的影響荊陽(yáng)等在大氣環(huán)境下的AZ5032 鉆床上進(jìn)行

14、鉆削試驗(yàn)，并考察了采用NCUPP 法在f8mm 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(zhǎng)，而是在Ti 含量約為12.5%時(shí)達(dá)到最高(見(jiàn)圖4a，試驗(yàn)中最大鉆孔數(shù)為310個(gè))。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(guò)小(小于50cm)、沉積氣壓過(guò)大(超過(guò)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(rùn)滑效果(見(jiàn)

15、圖4b)。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。 5. 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(lái)說(shuō)，清洗過(guò)程的同時(shí)開(kāi)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(guò)程中通過(guò)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

16、磨性能最好的MoS2涂層。 3 MoS2 “ 軟”涂層刀具的應(yīng)用效果圖5為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)。由圖可見(jiàn)，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。(a)刀具平均切削力 (b)工件加工表面質(zhì)量 圖5 兩種不同的涂層刀具應(yīng)用效果對(duì)比圖6 不同涂層鉆頭的鉆孔數(shù)目比較 圖7 不同基體和涂層的刀具切削速率對(duì)比圖6為三種高速鋼涂層鉆頭鉆孔數(shù)目的比較(

17、切削用量：V=30m/min，f=0.12mm/r；工件為JIS S50C 鋼)。由圖可見(jiàn)，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(guò)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1.152倍。概括來(lái)講，MoST“軟”涂層刀具適合于低速斷續(xù)切削。 圖7為不同基體和涂層的刀具端銑鍛造鋁

18、合金零件時(shí)切削速率的對(duì)比。由圖可見(jiàn)，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。(a)切削1045碳鋼 (b)切削302不銹鋼 圖8 有/無(wú)MoS2涂層的陶瓷刀具磨損壽命對(duì)比圖8為有/無(wú)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)。由圖可見(jiàn)，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(wú)涂層刀具延長(zhǎng)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(wú)涂層刀具延長(zhǎng)140%。 4 結(jié)語(yǔ)MoS2 “ 軟”涂層刀具的研究開(kāi)發(fā)為提高刀