2 MoS₂ “ 軟”涂層研究的國內(nèi)外進展

1. 基體的選擇
   基體作為涂層的支撐體荞驴，對涂層性能的影響不言而喻不皆，有時甚至直接決定涂層工藝的成敗⌒苈ィ基體和涂層應(yīng)在物理性能和化學(xué)性能方面相互匹配霹娄，要考慮基體是否具備高的硬度，彈性模量鲫骗、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)是否合理以及與涂層有無化學(xué)反應(yīng)等项棠。
   荊陽等對比了在ZL108 鋁合金(90 ～ 110HV)和相對較硬的1Cr18Ni9Ti(370HV)材料上制備的MoS₂復(fù)合涂層的顯微硬度值，發(fā)現(xiàn)后者的硬度比前者高出近1/5倍挎峦。作者分析后認(rèn)為，高硬度的基體不易發(fā)生塑性變形俊瞬，能夠延緩由于基體塑性變形造成的涂層過早撕裂和剝落危葵，其作用類似于多涂層及復(fù)合涂層中的硬質(zhì)中間層，從而對表面層起到支撐作用兑蹈；同時復(fù)合涂層的顯微硬度也得到明顯提高蠢缚。
   基體與涂層或涂層與涂層之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不同，會導(dǎo)致涂層界面間存在大小不等污祭、分布不均的殘余應(yīng)力場锐校。荊陽等在YG8 和YT14表面物理氣相沉積TiN-MoS₂/TiN 復(fù)合涂層后，發(fā)現(xiàn)層—基之間的殘余應(yīng)力狀態(tài)均為涂層呈殘余拉應(yīng)力慨蜒、基體呈殘余壓應(yīng)力矮按，其原因是熱膨脹系數(shù)d_TiN＞d_YG8或d_YT14 (見表1)。而最終涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)為：YT14 基體的殘余壓應(yīng)力減小歉羹，而YG8 基體由于與TiN 涂層相比兩者熱膨脹系數(shù)差別更大膨泄，因而不僅壓應(yīng)力消失者妆，還產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，前后應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化段丸。殘余應(yīng)力場的存在影響了涂層與基體之間的結(jié)合力喘疹，并且層—基間熱膨脹系數(shù)相差越大，殘余應(yīng)力也越大饰及，層—基之間的結(jié)合力越低蔗坯，其適應(yīng)寬溫差環(huán)境的能力也就越差。因此在選擇基體時燎含，應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)與基體差別較小的材料宾濒，從而降低殘余應(yīng)力，提高涂層界面間的結(jié)合力瘫镇。
   文獻還在Cu與碳鋼表面進行了沉積MoS₂/TiN 的試驗鼎兽，結(jié)果涂層失敗。作者分析后發(fā)現(xiàn)铣除，涂層與基體在沉積過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)谚咬，不純的Cu中含有的CuO 與通入沉積室內(nèi)的H₂S 氣體分解出的H⁺反應(yīng)生成水汽，產(chǎn)生了所謂的氫病現(xiàn)象： CuO + 2H⁺ →Cu²⁺ + H₂O
   當(dāng)水汽膨脹時尚粘，使已形成的晶粒發(fā)生破裂择卦，導(dǎo)致Cu 基體表面出現(xiàn)0.5mm 左右的凹坑，使得涂層根本無法沉積上去郎嫁。對碳鋼基體的試驗分析亦有類似的結(jié)論秉继。因此選擇基體時還要考慮層—基間的化學(xué)性能匹配。需要注意的一點是源相，采用化學(xué)性能相近的材料漸次形成過渡層(梯度涂層)折司，已被廣泛應(yīng)用于多涂層和復(fù)合涂層中：性能越接近的材料匹配性能越合理，涂層界面間的結(jié)合力就越強下乱，越容易形成轉(zhuǎn)移膜耿把，耐磨性越好，從而軟涂層的壽命也越長条肢。
   

   表1 幾種基體和涂層材料的性能參數(shù)

   材料			參數(shù)
   			硬度 (HV)	熱膨脹系數(shù) ( × 10-6mm/mm℃)
   涂層		MoS2	400	10.7
   基體或中間層	高速鋼	M42鋼 普通麻花鉆	860 740±30	≈12
   	硬質(zhì)合金	YG8 YT14	1400 1500	4.5 6.5
   	陶瓷	TiN Si3N4	2500 1600	9.4 3.4

   表1 列舉了MoS₂及幾種基體和中間涂層材料的硬度和熱膨脹系數(shù)值舍仙。
2. MoS₂涂層工藝
   1. 涂層方法
      MoS₂涂層方法分為化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理氣相沉積(PVD)法。與CVD 法相比稀忘，PVD 涂層方法處理溫度低云钻，涂層內(nèi)部狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適合硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具涂層扣筛，并且對環(huán)境無不利影響聋寻，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。目前多采用PVD 法中的濺射技術(shù)光叉、離子鍍技術(shù)(或二者相結(jié)合)制備MoS₂ “ 軟”涂層厉斟。然而磁控濺射MoS₂涂層作為目前的主流沉積方法挚躯，所獲得的涂層質(zhì)量和沉積速率一直難以令人滿意。Teer 等開發(fā)出一種被稱作封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍(CFUBMSIP)的沉積方法擦秽，正逐步應(yīng)用到“軟”涂層的制備當(dāng)中码荔。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。
      

      圖1 封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

      提高磁控濺射時的離子流密度是改善濺射涂層性能和效率的關(guān)鍵感挥。離子的產(chǎn)生最初采用平衡磁控源缩搅，CFUBMSIP 系統(tǒng)的特點則是在真空室內(nèi)排布使用了非平衡磁控源，系統(tǒng)中相鄰的磁控源磁場極性相反触幼，使得整個真空室內(nèi)存在著環(huán)形磁場硼瓣，二次電子在逃出陰極靶材表面平行磁場的陷阱后不能直接飛向陽極，而是再以近似擺線運動落入封閉磁場的陷阱中置谦，從而提高了電子與氣體分子的碰撞幾率堂鲤，大幅度增加了氣體的離化率和陰極靶所能得到的離子流密度，使得系統(tǒng)具備更高的濺射速率媒峡。
      表2 為采用此系統(tǒng)在M42 鋼表面制備的MoST(MoS₂ + 金屬或化合物)復(fù)合涂層與純MoS₂涂層的性能比較瘟栖，可見復(fù)合涂層的性能獲得顯著提高。
      

      表2 MoST 復(fù)合涂層與純MoS₂涂層性能比較

      參數(shù)	硬度(HV)	摩擦系數(shù)	磨損率 (m3/Nm)
      純MoS2	400	0.08～0.15(RH 50%)	4×10-5
      MoST	1000～2000	0.02～0.1(RH 40%)	＜4×10-7

      韓成名等結(jié)合材料發(fā)展中有關(guān)“多相材料”的理念谅阿，提出一種非平衡納米復(fù)合等離子體鍍膜法(NCUPP)虽苫，其原理是在特定的工藝參數(shù)條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化碴秽，產(chǎn)生離子轟擊的同時把蒸發(fā)物或其他反應(yīng)物沉積在基體上沾陡。此方式可以對幾種至十幾種不同的材料進行精細(xì)的納米復(fù)合，使得在2 ～ 3μm 厚的涂層中包含有幾層承叫、甚至十幾層多相納米復(fù)合層蔫沐。其設(shè)計原理見圖2。
      

      圖2 非平衡納米復(fù)合等離子體鍍膜法系統(tǒng)圖

      作者采用此方法對幾種材料(Ti织鳖、N瓢疤、Mo、S等)進行了精細(xì)納米復(fù)合愤凭，在1Cr18Ni9Ti 不銹鋼鋼片和f8麻花鉆頭上制備了TiN-MoS₂/Ti 多相納米復(fù)合涂層。X光電子能譜儀(XPS)試驗顯示仪彪，部分Ti以氧化物的形式存在原俘，在涂層表面形成了致密的氧化膜，阻止了涂層進一步氧化蒲坐，從而提高了納米復(fù)合涂層的抗潮濕氧化能力竿刁。磨損對比試驗則表明：納米復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)幾乎不隨磨損壽命的變化而變化，說明采用NCUPP法沉積的TiN-MoS₂/Ti多相納米復(fù)合“軟”涂層的磨損壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通TiN-MoS₂/Ti 涂層搪缨。
   2. 涂層工藝
      涂層工藝的各項參數(shù)同樣影響“軟”涂層界面的結(jié)合力食拜，進而影響涂層的整體性能鸵熟。這些參數(shù)包括：Ar 氣壓、陰極電流密度负甸、基體負(fù)偏壓和磁控濺射條件(靶距流强、金屬或化合物的添加量等)等。表3 為采用NCUPP法制備TiN-MoS₂/Ti 納米復(fù)合涂層的工藝參數(shù)呻待。
      

      表3 TiN-MoS₂/Ti 納米復(fù)合涂層工藝參數(shù)

      沉積層	真空度 (Pa)	氣氛 (Pa)	偏壓 (V)		靶電流 (A)		沉積時間 (min)	溫度 (℃)
      TiN	2×10-2	N2(0.5)	200		80		30	200
      MoS2/Ti	2×10-2	Ar(0.3) H2S(2.5)	Mo靶	Ti靶	Mo靶	Ti靶	15	200
      			150	70	90	80

      有文獻考察了Ar氣壓打月、磁控電源模式、濺射靶類型蚕捉、液氮冷阱等對涂層性能的影響奏篙。結(jié)果表明：在較低Ar氣壓(試驗中為0.40Pa)下獲得的涂層，其性能優(yōu)于較高氣壓(0.88Pa)下獲得的涂層迫淹；采用單直流電源制備涂層的磨損體積大于雙脈沖直流電源下的涂層秘通；液氮冷阱條件下制備涂層的磨損體積小于無液氮冷阱下的涂層；相對濕度和Ar 氣壓較低(0 .40Pa)的條件下升筛，冷靶制備的涂層的磨損體積稍高于熱靶振沾，但對較高Ar 氣壓下的涂層則相反，如圖3所示棺莱。
      

      (a)Ar氣壓為0.40Pa	(b)Ar氣壓為0.88Pa
      圖3 不同Ar氣壓螺子、冷或熱靶下獲得的MoS2涂層的磨損體積
      (a)不同Ti含量時鉆頭的鉆削壽命	(b)不同沉積氣壓下鉆頭的鉆削壽命
      圖4 不同參數(shù)對鉆頭鉆削壽命的影響

      荊陽等在大氣環(huán)境下的AZ5032 鉆床上進行鉆削試驗，并考察了采用NCUPP 法在f8mm 6542 鋼麻花鉆表面制備的TiN-MoS₂/Ti 復(fù)合涂層的性能陕券，以及該涂層性能與磁控濺射條件(靶距偏笋、沉積氣壓及Ti添加劑含量)之間的關(guān)系。作者研究后發(fā)現(xiàn)欧舒，涂層刀具的鉆削壽命與Ti 含量直接相關(guān)莱艺，但并非隨著Ti 含量的增大而呈線性增長，而是在Ti 含量約為12.5%時達到最高(見圖4a阐拭，試驗中最大鉆孔數(shù)為310個)榄集。隨著靶距的減小和沉積氣壓的增加，Ti 含量隨之增大掺厦，當(dāng)靶距過小(小于50cm)苗率、沉積氣壓過大(超過3.0Pa)時，Ti含量顯著增加聚谁，結(jié)果造成涂層內(nèi)晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變母剥，畸變能迅速增加，致使涂層的耐磨壽命迅速降低形导，并失去應(yīng)有的潤滑效果(見圖4b)环疼。作者經(jīng)多次試驗后得出結(jié)論：采用靶距50cm、沉積氣壓3.0Pa(此時Ti含量約 12.5%)時得到的復(fù)合涂層性能最佳朵耕。
   此外炫隶，沉積前對基體進行預(yù)濺射清洗可以除去不利于涂層與基體結(jié)合的雜質(zhì)淋叶，對于MoST 涂層來說，清洗過程的同時開一個金屬濺射靶(如Ti靶)伪阶，還可以降低真空室內(nèi)水蒸氣的濃度煞檩；在沉積過程中通過對基體施加一定的負(fù)偏壓對涂層進行離子轟擊，能夠提高層—基間組分的相互擴散能力和涂層表面的原子反應(yīng)活性望门，從而可以降低涂層中缺陷的產(chǎn)生形娇。綜合考慮以上因素，有文獻在Ar氣壓為0.40Pa筹误、陰極電流密度10A/cm²桐早、同時施加-100V負(fù)偏壓進行離子轟擊的條件下，獲得了試驗中摩擦系數(shù)最低和耐磨性能最好的MoS₂涂層坷顽。

3 MoS₂ “ 軟”涂層刀具的應(yīng)用效果

4 結(jié)語