二硫化钼“软”涂层刀具的研究进展及应用

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MoS2“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。2MoS2“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TiN＞YG8或YT14(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MoS2/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+→Cu2++H2O当水汽膨胀时，使已形成的晶粒发生破裂，导致Cu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MoS2及几种基体和中间涂层材料的硬度和热膨胀系数值。2.MoS2涂层工艺3.涂层方法MoS2涂层方法分为化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法。与CVD法相比，PVD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，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(×10-6mm/mm℃)涂层MoS240010.7基体或中间层高速钢M42钢普通麻花钻860740±30≈12硬质合金YG8YT14140015004.56.5陶瓷TiNSi3N4250016009.43.4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MoS2“软”涂层。然而磁控溅射MoS2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(CFUBMSIP)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，CFUBMSIP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(MoS2+金属或化合物)复合涂层与纯MoS2涂层的性能比较，可见复合涂层的性能获得显著提高。韩成名等结合材料发展中有关“多相材料”的理念，提出一种非平衡纳米复合等离子体镀膜法图1封闭磁场非平衡磁控溅射离子镀系统结构示意图表2MoST复合涂层与纯MoS2涂层性能比较参数硬度(HV)摩擦系数磨损率(m3/Nm)纯MoS24000.08～0.15(RH50%)4×10-5MoST1000～20000.02～0.1(RH40%)＜4×10-7(NCUPP)，其原理是在特定的工艺参数条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离化，产生离子轰击的同时把蒸发物或其他反应物沉积在基体上。此方式可以对几种至十几种不同的材料进行精细的纳米复合，使得在2～3μm厚的涂层中包含有几层、甚至十几层多相纳米复合层。其设计原理见图2。作者采用此方法对几种材料(Ti、N、Mo、S等)进行了精细纳米复合，在1Cr18Ni9Ti不锈钢钢片和8麻花钻头上制备了TiN-MoS2/Ti多相纳米复合涂层。X光电子能谱仪(XPS)试验显示，部分Ti以氧化物的形式存在，在涂层表面形成了致密的氧化膜，阻止了涂层进一步氧化，从而提高了纳米复合涂层的抗潮湿氧化能力。磨损对比试验则表明：纳米复合涂层的摩擦系数几乎不随磨损寿命的变化而变化，说明采用NCUPP法沉积的TiN-MoS2/Ti多相纳米复合“软”涂层的磨损寿命远远高于普通TiN-MoS2/Ti涂层。4.涂层工艺涂层工艺的各项参数同样影响“软”涂层界面的结合力，进而影响涂层的整体性能。这些参数包括：Ar气压、阴极电流密度、基体负偏压和磁控溅射条件(靶距、金属或化合物的添加量等)等。表3为采用NCUPP法制备TiN-MoS2/Ti纳米复合涂层的工艺参数。图2非平衡纳米复合等离子体镀膜法系统图有文献考察了Ar气压、磁控电源模式、溅射靶类型、液氮冷阱等对涂层性能的影响。结果表明：在较低Ar气压(试验中为0.40Pa)下获得的涂层，其性能优于较高气压(0.88Pa)下获得的涂层；采用单直流电源制备涂层的磨损体积大于双脉冲直流电源下的涂层；液氮冷阱条件下制备涂层的磨损体积小于无液氮冷阱下的涂层；相对湿度和Ar气压较低(0.40Pa)的条件下，冷靶制备的涂层的磨损体积稍高于热靶，但对较高Ar气压下的涂层则相反，如图3所示。荆阳等在大气环境下的AZ5032钻床上进行钻削试验，并考察了采用NCUPP法在8mm6542钢麻花钻表面制备的TiN-MoS2/Ti复合涂层的性能，以及该涂层性能与磁控溅射条件(靶距、沉积气压及Ti添加剂含量)之间的关系。作者研究后发现，涂层刀具表3TiN-MoS2/Ti纳米复合涂层工艺参数沉积层真空度(Pa)气氛(Pa)偏压(V)靶电流(A)沉积时间(min)温度(℃)TiN2×10-2N2(0.5)2008030200MoS2/Ti2×10-2Ar(0.3)H2S(2.5)Mo靶Ti靶Mo靶Ti靶15200150709080(a)Ar气压为0.40Pa(b)Ar气压为0.88Pa图3不同Ar气压、冷或热靶下获得的MoS2涂层的磨损体积(a)不同Ti含量时钻头的钻削寿命(b)不同沉积气压下钻头的钻削寿命图4不同参数对钻头钻削寿命的影响的钻削寿命与Ti含量直接相关，但并非随着Ti含量的增大而呈线性增长，而是在Ti含量约为12.5%时达到最高(见图4a，试验中最大钻孔数为310个)。随着靶距的减小和沉积气压的增加，Ti含量随之增大，当靶距过小(小于50cm)、沉积气压过大(超过3.0Pa)时，Ti含量显著增加，结果造成涂层内晶格发生严重畸变，畸变能迅速增加，致使涂层的耐磨寿命迅速降低，并失去应有的润滑效果(见图4b)。作者经多次试验后得出结论：采用靶距50cm、沉积气压3.0Pa(此时Ti含量约12.5%)时得到的复合涂层性能最佳。5.此外，沉积前对基体进行预溅射清洗可以除去不利于涂层与基体结合的杂质，对于MoST涂层来说，清洗过程的同时开一个金属溅射靶(如Ti靶)，还可以降低真空室内水蒸气的浓度；在沉积过程中通过对基体施加一定的负偏压对涂层进行离子轰击，能够提高层—基间组分的相互扩散能力和涂层表面的原子反应活性，从而可以降低涂层中缺陷的产生。综合考虑以上因素，有文献在Ar气压为0.40Pa、阴极电流密度10A/cm2、同时施加-100V负偏压进行离子轰击的条件下，获得了试验中摩擦系数最低和耐磨性能最好的MoS2涂层。3MoS2“软”涂层刀具的应用效果图5为采用两种不同的涂层刀具端铣AISI304不锈钢时的平均铣削力对比及加工后的工件表面质量(切削用量：V=150m/min，f=0.04mm/r，ap=4mm)。由图可见，在TiCN上沉积MoST涂层的硬质合金铣刀在干摩擦条件下平均铣削力显著减小，加工表面质量也获得显著改善。两方面的影响使得最终产品的数量和质量均取得明显提高。(a)刀具平均切削力(b)工件加工表面质量图5两种不同的涂层刀具应用效果对比图6不同涂层钻头的钻孔数目比较图7不同基体和涂层的刀具切削速率对比图6为三种高速钢涂层钻头钻孔数目的比较(切削用量：V=30m/min，f=0.12mm/r；工件为JISS50C钢)。由图可见，在硬涂层TiN上沉积一层MoST“软”涂层后的钻头，其寿命比单独使用TiN涂层的钻头提高了2.1倍，比TiAlN涂层钻头提高了2.8倍。有文献讨论了MoST“软”涂层应用的局限性。车削试验后，在刀片的热影响区发现有氧存在，表明在车削过程中由于相当高的切削温度引起了涂层的氧化磨损。作者由此认为：MoST“软”涂层不适用于连续高速车削工艺；在低速铣削时，MoST“软”涂层刀具的寿命通常比未涂层刀具高1.15～2倍。概括来讲，MoST“软”涂层刀具适合于低速断续切削。图7为不同基体和涂层的刀具端铣锻造铝合金零件时切削速率的对比。由图可见，表面沉积MoS2的高速钢刀具的切削速率比硬质合金刀具提高了2倍，比未涂层高速钢刀具提高了6倍。(a)切削1045碳钢(b)切削302不锈钢图8