MoS-,2--Zr“軟”涂層自潤滑刀具的研究.pdf

1、本文利用中頻磁控濺射與多弧離子鍍相結(jié)合的工藝在硬質(zhì)合金和高速鋼基體上沉積制備出了MoS2/Zr系列“軟”涂層刀具，并對涂層刀具的設(shè)計理論、涂層結(jié)構(gòu)、制備工藝、物理機械性能、表面形貌和界面結(jié)合機制、摩擦磨損特性及切削性能進行了系統(tǒng)深入的研究。 建立了基于殘余熱應(yīng)力的涂層與基體材料的物理相容性分析模型，深入分析了基體材料的物理性能參數(shù)和沉積溫度對涂層刀具殘余熱應(yīng)力的影響及其分布規(guī)律。結(jié)果表明：涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)的差異是影響涂層

2、殘余熱應(yīng)力大小的主要因素。通過物理化學相容性分析，確定了與MoS2“軟”涂層材料相匹配的兩種最佳基體材料，分別為YT15硬質(zhì)合金和M2高速鋼。分析了過渡層對涂層殘余熱應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：在YT15基體與MoS2涂層之間添加過渡層后，涂層的殘余熱應(yīng)力值均較純MoS2涂層的殘余熱應(yīng)力值顯著降低，其中尤以添加Zr過渡層時涂層的殘余熱應(yīng)力值最小；而在M2基體與MoS2涂層之間添加Ti、Cr或Zr過渡層后，涂層的殘余熱應(yīng)力值反而較純MoS2涂層

3、的殘余熱應(yīng)力值有所增大。因此，應(yīng)根據(jù)不同涂層與基體材料的組合，選擇合適的過渡層材料，以達到降低涂層刀具殘余熱應(yīng)力的目的。 采用中頻磁控濺射與多弧離子鍍相結(jié)合的工藝成功制備了MZ-1(MoS2/Zr+YT15硬質(zhì)合金)和MZ-2(MoS2/Zr+M2高速鋼)兩種“軟”涂層刀具?？疾炝饲疤幚砉に噷ν繉有阅艿挠绊?。結(jié)果表明：采用研磨拋光+超聲波清洗的前處理工藝能夠改善涂層與基體之間的界面結(jié)合狀態(tài)。研究了制備工藝參數(shù)對涂層性能的影響，得

4、出了基體負偏壓、靶電流、沉積溫度和沉積時間對涂層的硬度、厚度、界面結(jié)合力及表面粗糙度等的影響規(guī)律，確定了兩種涂層刀具的最佳制備工藝參數(shù)，即對于MZ-1涂層刀具：基體負偏壓-200V，MoS2靶電壓700V，Zr靶電流60A，工作氣壓0.45Pa，沉積溫度200℃，沉積時間120min；對于MZ-2涂層刀具：沉積溫度150℃，其他參數(shù)與MZ-1相同。 系統(tǒng)地研究了MoS2/Zr“軟”涂層刀具的物理機械性能和界面結(jié)合機制。結(jié)果表明：

5、MZ-1刀具的涂層厚度2.4μm，硬度10.0GPa，涂層與基體的界面結(jié)合力60N；MZ-2刀具的涂層厚度2.6μm，硬度9.4GPa，涂層與基體的界面結(jié)合力63N；兩種涂層的硬度和與基體之間的結(jié)合力均較純MoS2涂層的硬度和結(jié)合力有顯著提高。通過對MoS2/Zr“軟”涂層刀具的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)和界面結(jié)合機制的分析可知，用中頻磁控濺射與多弧離子鍍相結(jié)合的工藝制備的MoS2/Zr“軟”涂層表面較為平整，涂層呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，涂層中各元素分

6、布均勻，涂層與基體材料存在由相互擴散形成的“偽”擴散層，使得涂層與基體的界面結(jié)合較為緊密。 系統(tǒng)地研究了MoS2/Zr“軟”涂層刀具材料的摩擦磨損特性，探討了載荷、摩擦距離等對其摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：當分別與45＃鋼和Al2O3球?qū)δr，MZ-1和MZ-2涂層的摩擦系數(shù)隨摩擦距離的增大而增大，隨載荷的增大而減??；磨損率隨載荷的增大而增大。與純MoS2涂層相比，MZ-1和MZ-2涂層的摩擦系數(shù)和磨損量均顯著降低。對摩擦球表

7、面磨損形貌和成分的分析表明，MoS2/Zr“軟”涂層材料與對摩材料表面之間所形成的轉(zhuǎn)移潤滑膜是影響材料摩擦磨損性能的關(guān)鍵因素之一。由于摩擦副間轉(zhuǎn)移膜的存在，涂層和對摩材料的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉雍娃D(zhuǎn)移膜之間的“內(nèi)”摩擦，從而降低了摩擦過程的摩擦系數(shù)，提高了材料的耐磨性能。 對MoS2/Zr“軟”涂層刀具的切削性能進行了試驗研究，并與未涂層的YT15硬質(zhì)合金刀具和M2高速鋼刀具進行了對比。結(jié)果表明：加工調(diào)質(zhì)45＃鋼時，MZ-1涂層刀具的前

8、刀面摩擦系數(shù)和切削力均小于未涂層刀具，刀具的耐磨損能力獲得提高；鉆削45＃鋼的試驗結(jié)果表明，MZ-2涂層刀具的后刀面磨損量降低，刀具的磨損程度減輕。試驗同時發(fā)現(xiàn)，切削速度對MZ-1涂層刀具的磨損性能產(chǎn)生重要影響。低速切削時，涂層刀具的切削性能優(yōu)于未涂層刀具；當切削速度增大，由于切削過程中產(chǎn)生的切削熱和機械應(yīng)力的作用，涂層出現(xiàn)分層剝落，從而加劇了刀具的磨損。通過對MoS2/Zr“軟”涂層刀具切削加工潤滑機理的分析可知，無論是在潤滑膜完整的