1、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、WS 2 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
2、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，MoS 2 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
3、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。MoS 2 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。 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
4、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
5、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
6、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+ Cu 2+ + 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
7、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表 1 几种基体和涂层材料的性能参数参数 材料 硬度(HV) 热膨胀系数( 10-6mm/mm) 涂层 MoS2 400 10.7 高速钢 M42 钢普通麻花钻 86074030 12 硬质合金 YG8YT14 14001500 4.56.5 基体或中间层 陶瓷 TiNSi3N
8、4 25001600 9.43.4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，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
9、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。图 1 封闭磁场非平衡磁控溅射离子镀系统结构
10、示意图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(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 3m 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
11、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，进而影响涂层的整表 2 MoST 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 MoS2 400 0.080.15(RH 50%) 410-5 MoST 10002000 0.0
12、20.1(RH 40%) 410 -7图 2 非平衡纳米复合等离子体镀膜法系统图体性能。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。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
13、 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 8mm 6542 钢麻花钻表面制备的TiN-MoS2/Ti 复合涂层的性表 3 TiN-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 () TiN 210-2 N2(0.5) 200 80 30 200 Mo 靶 Ti 靶 Mo 靶 Ti 靶 MoS2/Ti 210-2 Ar(0.3)H2S(2.
14、5) 150 70 90 80 15 200 (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
15、，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
16、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。 3 MoS2 “ 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 AISI 304 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
17、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 JIS S50C 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
18、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 1.152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 有/无 MoS2 涂层的陶瓷刀具磨损寿命对比图 8 为有/无 MoS2 涂层的陶瓷刀具切削 104
19、5 钢和 302 钢时的磨损寿命对比(切削用量：V 1045=180m/min，V 302=103m/min，f=0.1mm/r，ap=0.25mm)。由图可见，切削 1045 碳钢时，沉积 MoS2 的 Si3N4 和 Ti(CN)陶瓷刀具磨损寿命比无涂层刀具延长 50%；切削 302 不锈钢时，涂覆 MoS2 的 WC 基陶瓷刀具磨损寿命比无涂层刀具延长 140%。 4 结语MoS2 “ 软”涂层刀具的研究开发为提高刀具的切削性能提供了新思路。采用 MoS2 软涂层能够显著降低刀具切削时的摩擦系数，减小刀具的磨损，延长刀具寿命。封闭磁场非平衡磁控溅射离子镀和非平衡纳米复合等离子体镀等涂层方法的开发，以及通过合理选择基体、优化沉积工艺、进行适当的基体前、后处理等技术与措施使制备的 MoS2 “软”涂层结构更加致密，涂层与基体间的结合力增强，刀具寿命延长。结合纳米技术和复合涂层技术，拓展新的 MoS2 涂层技术，进一步优化涂层工艺参数，扩大“软”涂层刀具的切削试验范围和应用范围，同时进一步探讨“软”涂层摩擦磨损性能获得提高的机理，将是今后一段时期内 MoS2 “ 软”涂层刀具研究的发展方向。
