二硫化钼“软”涂层刀具的研究进展及应用

二硫化钼“软”涂层刀具的研究进展及应用

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:

ﻩ

1 引言

刀具涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一,而涂层材料的选择是影响刀具涂层性能的关键。

根据涂层材料的性质,可以将涂层刀具分为“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具两大类。TiC、ＴｉN、TiCN和TiAlN 等硬涂层通过高硬度和良好的耐磨性，可降低或者减轻刀具磨损,从而提高刀具的切削性能。然而,使用这些涂层的刀具摩擦系数一般都较高,加工过程中需要进行润滑,当切削速度增大时，润滑液作用急剧下降。而采用固体润滑剂如MoＳ２、ＷＳ2等制备的刀具“软”涂层,因其摩擦系数很低，可减轻摩擦,降低切削力和切削温度,从而减少刀具的粘结磨损，延长刀具寿命，提高加工零件质量。

MoS２固体润滑剂具有摩擦系数低、承载力大、耐磨性好、与基体结合力强等优点，被广泛应用在航空航天、电子、机械制造等领域。Martin等通过控制溅射时的杂质含量、晶粒尺寸等因素,使MoＳ2在真空下的摩擦系数降至０.0０1,充分展示了ＭoＳ2所特有的减摩、润滑的优异性能。另一方面,MoS2的缺陷也十分明显：当温度超过4０0℃时MoS2即开始氧化,并且随着温度的升高氧化程度逐渐加深，同时润滑性能急剧下降，其原因是材料发生了摩擦化学反应，生成了硬质颗粒ＭoO3，增大了涂层的磨损。MｏＳ2对于环境湿度十分敏感，易吸湿并直接导致摩擦系数的升高，当环境相对湿度由10% 升至９0%时，其摩擦系数增大近一倍。此外,MｏS2随测试环境和接触条件的变化,其性能还容易产生波动。ＭｏS２的这些缺点使其进一步应用受到一定的限制。目前,围绕改善MoS２及其涂层的性能、提高M ｏＳ2“软”涂层刀具在切削加工中的应用等热点问题，国内外学者进行了多方面的研究和探索。

2 MoS2“ 软”涂层研究的国内外进展

影响涂层性能的因素不仅有涂层材料本身的物理化学性能，还包括基体的理化性能、涂层工艺以及基体与涂层之间、涂层与涂层之间的相互匹配等。这些影响因素可以分为以下两方面。

1.基体的选择

基体作为涂层的支撑体,对涂层性能的影响不言而喻,有时甚至直接决定涂层工艺的成败。基体和涂层应在物理性能和化学性能方面相互匹配,要考虑基体是否具备高的硬度，弹性模量、热膨胀系数等参数是否合理以及与涂层有无化学反应等。

荆阳等对比了在ＺL108 铝合金(90～１１0ＨV)和相对较硬的1Ｃr18Ni9Ti（３70ＨV）材料上制备的MoＳ２复合涂层的显微硬度值，发现后者的硬度比前者高出近１/5倍。作者分析后认为,高硬度的基体不易发生塑性变形,能够延缓由于基体塑性变形造成的涂层过早撕裂和剥落，其作用类似于多涂层及复合涂层中的硬质中间层，从而对表面层起到支撑作用;同时复合涂层的显微硬度也得到明显提高。

基体与涂层或涂层与涂层之间热膨胀系数和弹性模量的不同，会导致涂层界面间存在大小不等、分布不均的残余应力场。荆阳等在ＹＧ8和YT14表面物理气相沉积TiN-MoS2/TiN 复合涂层后，发现层—基之间的残余应力状态均为涂层呈残余拉应力、基体呈残余压应力，其原因是热膨胀系数δTiＮ>δYG8或δYＴ１４(见表1)。而最终涂层内部的应力状态为：YT１4基体的残余压应力减小，而YＧ8基体由于与TiN 涂层相比两者热膨胀系数差别更大，因而不仅压应力消失，还产生一定的拉应力,前后应力状态发生了变化。残余应力场的存在影响了涂层与基体之间的结合力，并且层—基

间热膨胀系数相差越大，残余应力也越大，层—基之间的结合力越低，其适应宽温差环境的能力也就越差。因此在选择基体时，应尽量选择热膨胀系数和弹性模量等参数与基体差别较小的材料,从而降低残余应力,提高涂层界面间的结合力。

文献还在Cu 与碳钢表面进行了沉积Mo Ｓ２/ＴｉN 的试验,结果涂层失败。作者分析后发现,涂层与基体在沉积过程中发生了化学反应,不纯的Ｃu 中含有的ＣuO 与通入沉积室内的Ｈ２Ｓ 气体分解出的Ｈ＋

反应生成水汽,产生了所谓的氢病现象:

CuO ＋ ２H ＋

→Cu ２

+ + H 2Ｏ

当水汽膨胀时,使已形成的晶粒发生破裂,导致C ｕ 基体表面出现0.5mm 左右的凹坑，使得涂层根本无法沉积上去。对碳钢基体的试验分析亦有类似的结论。因此选择基体时还要考虑层—基间的化学性能匹配。需要注意的一点是,采用化学性能相近的材料渐次形成过渡层(梯度涂层)，已被广泛应用于多涂层和复合涂层中：性能越接近的材料匹配性能越合理，涂层界面间的结合力就越强，越容易形成转移膜,耐磨性越好,从而软涂层的寿命也越长。 1. 表1 列

举

了

MoS 2及几种

基体和中间涂层材料

的硬度和热膨胀系数值。 2. ＭoS 2涂层工艺

表１ 几种基体和涂层材料的性能参数

材料

参数

硬度 (ＨV ） 热膨胀系数6-10( × ﻫm ｍ/mm ℃)

涂层 ＭoS 2

400

10.７ 基

体或中

间

层

高速钢 M ４２钢ﻫ普通麻花钻 86０

７40±３0

≈12 硬质合金 YG ８ YT14 1４0０ﻫ1500 4.５ﻫ６.5 陶瓷

T ｉN ﻫＳi 3Ｎ4

2500ﻫ１60０

9.4ﻫ3．4

3. 涂层方法

Ｍo Ｓ2涂层方法分为化学气相沉积(ＣＶＤ)法和物理气相沉积(P ＶD ）法。与ＣVD 法相比，P ＶＤ 涂层方法处理温度低，涂层内部状态为压应力，更适合硬质合金精密复杂刀具涂层，并且对环境无不利影响,符合现代绿色制造的发展方向。目前多采用ＰＶＤ 法中的溅射技术、离子镀技术(或二者相结合)制备Mo Ｓ２ “ 软”涂层。然而磁控溅射ＭｏS 2涂层作为目前的主流沉积方法,所获得的涂层质量和沉积速率一直难以令人满意。Teer 等开发出一种被称作封闭磁场非平衡磁控溅射离子镀(CF ＵBM ＳIP)的沉积方法,正逐步应用到“软”涂层的制备当中。图1为其结构示意图。 提高磁控溅射时的离子流密度是改善溅射涂层性能和效率的关键。离子的产生最初采用平衡磁控源，CF ＵB ＭSI Ｐ 系统的特点则是在真空室内排布使

用了非平衡磁控源,系统中相邻的磁控源磁场极性相反，使得整个真空室内存在着环形磁场，二次电子在逃出阴极靶材表面平行磁场的陷阱后不能直接飞向阳极，而是再以近似摆线运动落入封闭磁场的陷阱中，从而提高了电子与气体分子的碰撞几率，大幅度增加了气体的离化率和阴极靶所能得到的离子流密度,使得系统具备更高的溅射速率。

表2 为采用此系统在M4２ 钢表面制备的MoST （MoS ２ + 金属或化合物)复合涂层与纯MoS 2涂层的性能比较，可见复合涂层的性能获得显著提高。

图1 封闭磁场非平衡磁控溅射离子镀系统结构示意

图