模具知识|二硫化钼“软”涂层刀具的研究进展及应用

模具之家讯：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。 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。 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dTiN＞dYG8或dYT14 (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
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