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二硫化钼“软”涂层刀具研究进展及应用

发布时间:2020-10-24 17:44:43 影响了:

 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 TiAIN 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 M0S 2 、 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。

 MoS 2 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 M0S 2 在真空下的摩擦系数 降至 0.001 ,充分展示了 M0S 2 所特有的减摩、润滑的优异性能。另一方面, M0S 2 的缺陷也十分明显:当温度超过 400C 时 M0S 2 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 M O O 3 ,增大了涂层的磨损。

 M O S 2 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, M O S 2 随测试环 境和接触条件的变化,其性能还容易产生波动。

 M0S 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 M0S 2 及其涂层的性能、提高 M0S 2 “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 MoS “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 M0S 2 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-MoS 2 /TiN 复合涂层后,发现层一基之间的残余应 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 一基间

 热膨胀系数相差越大,残余应力也越大,层 一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 MoS 2 /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 H 2 S 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 +

 f Cu 2+

 + H 2 O 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 一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 表 1 列举了 M O S 2 及几种基体和 中间涂层材料的硬度和热膨胀系 数值。

 M0S 2 涂层工艺 涂层方法 M0S 2 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,

  参数 材料 硬度 (HV) 热膨胀系数 ( X 0 -6 mm/mm °C) 涂层 MoS 2 400 10.7 基 体 或 中 间 层 高速钢 M42 钢 普通麻花钻 860 740 ±30 ~ 12 硬质合金 YG8 YT14 1400 1500 4.5 6.5 陶瓷 TiN Si 3 N 4 2500 1600 9.4 3.4

 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 M0S 2 “软”涂层。然而 磁控溅射M0S 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 ( 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。离子的产生最初米 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(MoS 2 + 金属或化合物 )

 复 合涂层与纯 M0S 2 涂层的性能比较,可见复合涂层的性能获得显著提高。

 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 ? 3 口 m 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-MoS 2 /Ti 多相纳米 复合涂层。

 X 光电子能 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-MoS 2 /Ti 多相纳米复 合软”涂层的磨损寿命远远高于普通 TiN-MoS 2 /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-MoS 2 /Ti 纳米复合涂层的工艺参数。

  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。

 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, Ti 含量随之增大,当靶距过小 ( 小于 50cm 卜沉积气压过大 ( 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 M OST 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,能够提高层一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/cm 2 、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 M0S 2 涂层。

 3 M O S “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 M O ST 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。

  图 5 两种不同的涂层刀具应用效果对比

 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TiAIN 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 M0S 2 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。

 图 8 有/无 M0S 2 涂层的陶瓷刀具磨损寿命对比 图 8 为有 / 无 M0S 2 涂层的陶瓷刀具切削 1045 钢和 302 钢时的磨损寿命对比 ( 切削用量:

 V io45 =18Om/min , V 302 =103m/min , f=0.1mm/r , ap=0.25mm) 。

 由图可见,切削 1045 碳钢时,沉积 M0S 2 的 Si 3 N 4 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 MoS 2 的 WC 基陶 瓷刀具磨损寿命比无涂层刀具延长 140% 。

 4 结语 MoS 2 “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 MoS 2 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 M0S 2 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 MOS 2 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 MoS 2 “软”涂层刀具研究的发展方 向。

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