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。

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。

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