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| MoS2“軟”涂層刀具的研究進展及應用 |
| 發(fā)布時間：2009/9/5 10:46:00 來源：中國硬質(zhì)合金商務網(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，加工過程中需要進行潤滑，當切削速度增大時，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)合力強等優(yōu)點，被廣泛應用在航空航天、電子、機械制造等領域。Martin等通過控制濺射時的雜質(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：當溫度超過400℃時MoS2即開始氧化，并且隨著溫度的升高氧化程度逐漸加深，同時潤滑性能急劇下降，其原因是材料發(fā)生了摩擦化學反應，生成了硬質(zhì)顆粒MoO3，增大了涂層的磨損。MoS2對于環(huán)境濕度十分敏感，易吸濕并直接導致摩擦系數(shù)的升高，當環(huán)境相對濕度由10% 升至90%時，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。MoS2的這些缺點使其進一步應用受到一定的限制。目前，圍繞改善MoS2及其涂層的性能、提高MoS2“軟”涂層刀具在切削加工中的應用等熱點問題，國內(nèi)外學者進行了多方面的研究和探索。
2 MoS2“軟”涂層研究的國內(nèi)外進展
影響涂層性能的因素不僅有涂層材料本身的物理化學性能，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，對涂層性能的影響不言而喻，有時甚至直接決定涂層工藝的成敗。基體和涂層應在物理性能和化學性能方面相互匹配，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反應等。
荊陽等對比了在ZL108鋁合金（90～110HV）和相對較硬的1Cr18Ni9Ti（370HV）材料上制備的MoS2復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合涂層中的硬質(zhì)中間層，從而對表面層起到支撐作用；同時復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，會導致涂層界面間存在大小不等、分布不均的殘余應力場。荊陽等在YG8和YT14表面物理氣相沉積TiN-MoS2/TiN復合涂層后，發(fā)現(xiàn)層—基之間的殘余應力狀態(tài)均為涂層呈殘余拉應力、基體呈殘余壓應力，其原因是熱膨脹系數(shù)δTiN＞δYG8或δYT14。而最終涂層內(nèi)部的應力狀態(tài)為：YT14基體的殘余壓應力減小，而YG8基體由于與TiN 涂層相比兩者熱膨脹系數(shù)差別更大，因而不僅壓應力消失，還產(chǎn)生一定的拉應力，前后應力狀態(tài)發(fā)生了變化。殘余應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，殘余應力也越大，層—基之間的結(jié)合力越低，其適應寬溫差環(huán)境的能力也就越差。因此在選擇基體時，應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，從而降低殘余應力，提高涂層界面間的結(jié)合力。
文獻還在Cu與碳鋼表面進行了沉積MoS2/TiN的試驗，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)生了化學反應，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+反應生成水汽，產(chǎn)生了所謂的氫病現(xiàn)象。當水汽膨脹時，使已形成的晶粒發(fā)生破裂，導致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。對碳鋼基體的試驗分析亦有類似的結(jié)論。因此選擇基體時還要考慮層—基間的化學性能匹配。需要注意的一點是，采用化學性能相近的材料漸次形成過渡層（梯度涂層），已被廣泛應用于多涂層和復合涂層中：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，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)為壓應力，更適合硬質(zhì)合金精密復雜刀具涂層，并且對環(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、離子鍍技術（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，正逐步應用到“軟”涂層的制備當中。
提高磁控濺射時的離子流密度是改善濺射涂層性能和效率的關鍵。離子的產(chǎn)生最初采用平衡磁控源，CFUBMSIP系統(tǒng)的特點則是在真空室內(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動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）復合涂層與純MoS2涂層的性能比較，復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“多相材料”的理念，提出一種非平衡納米復合等離子體鍍膜法（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)生離子轟擊的同時把蒸發(fā)物或其他反應物沉積在基體上。此方式可以對幾種至十幾種不同的材料進行精細的納米復合，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合層。
作者采用此方法對幾種材料（Ti、N、Mo、S等）進行了精細納米復合，在1Cr18Ni9Ti不銹鋼鋼片和φ8麻花鉆頭上制備了TiN-MoS2/Ti多相納米復合涂層。X光電子能譜儀（XPS）試驗顯示，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，阻止了涂層進一步氧化，從而提高了納米復合涂層的抗潮濕氧化能力。磨損對比試驗則表明：納米復合涂層的摩擦系數(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多相納米復合“軟”涂層的磨損壽命遠遠高于普通TiN-MoS2/Ti涂層。
（2）涂層工藝
涂層工藝的各項參數(shù)同樣影響“軟”涂層界面的結(jié)合力，進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。有文獻考察了Ar氣壓、磁控電源模式、濺射靶類型、液氮冷阱等對涂層性能的影響。結(jié)果表明：在較低Ar氣壓(試驗中為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鉆床上進行鉆削試驗，并考察了采用NCUPP法在φ8mm 6542鋼麻花鉆表面制備的TiN-MoS2/Ti復合涂層的性能，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，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%時達到最高。隨著靶距的減小和沉積氣壓的增加，Ti含量隨之增大，當靶距過小（小于50cm）、沉積氣壓過大（超過3.0Pa）時，Ti含量顯著增加，結(jié)果造成涂層內(nèi)晶格發(fā)生嚴重畸變，畸變能迅速增加，致使涂層的耐磨壽命迅速降低，并失去應有的潤滑效果。作者經(jīng)多次試驗后得出結(jié)論：采用靶距50cm、沉積氣壓3.0Pa（此時Ti含量約12.5%）時得到的復合涂層性能最佳。
此外，沉積前對基體進行預濺射清洗可以除去不利于涂層與基體結(jié)合的雜質(zhì)，對于MoST涂層來說，清洗過程的同時開一個金屬濺射靶（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基體施加一定的負偏壓對涂層進行離子轟擊，能夠提高層—基間組分的相互擴散能力和涂層表面的原子反應活性，從而可以降低涂層中缺陷的產(chǎn)生。綜合考慮以上因素，有文獻在Ar氣壓為0.40Pa、陰極電流密度10A/cm2、同時施加-100V負偏壓進行離子轟擊的條件下，獲得了試驗中摩擦系數(shù)最低和耐磨性能最好的MoS2涂層。
3 MoS2“軟”涂層刀具的應用效果
由采用兩種不同的涂層刀具端銑AISI 304不銹鋼時的平均銑削力對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。
有文獻討論了MoST“軟”涂層應用的局限性。車削試驗后，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高的切削溫度引起了涂層的氧化磨損。作者由此認為：MoST“軟”涂層不適用于連續(xù)高速車削工藝；在低速銑削時，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切削速率的對比可見，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鋼時的磨損壽命對比（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，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，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、進行適當?shù)幕w前、后處理等技術與措施使制備的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，刀具壽命延長。結(jié)合納米技術和復合涂層技術，拓展新的MoS2涂層技術，進一步優(yōu)化涂層工藝參數(shù)，擴大“軟”涂層刀具的切削試驗范圍和應用范圍，同時進一步探討“軟”涂層摩擦磨損性能獲得提高的機理，將是今后一段時期內(nèi)MoS2“軟”涂層刀具研究的發(fā)展方向。
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