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非晶金剛石膜在高速鋼絲錐上的應(yīng)用


1 引言 

自1971年Aisenberg和Chabot用高能離子束在室溫下沉積出類金剛石碳膜的研究成果問世以來(lái)，在世界范圍內(nèi)興起了類金剛石膜的研究和應(yīng)用開發(fā)熱潮，各國(guó)研究人員用各種不同的高能粒子沉積方法制備出類金剛石膜。用碳?xì)浠衔餁怏w獲得碳離子源的沉積方法，鍍膜中含有大量氫元素；而用固體碳(石墨)作碳離子源的沉積方法，可得到純碳的鍍膜。類金剛石碳膜通常為非晶態(tài)或含有部分納米晶，是金剛石結(jié)構(gòu)(SP3)和石墨結(jié)構(gòu)(SP2)的混合物，其硬度、彈性模量等性能主要取決于SP3結(jié)構(gòu)的含量。當(dāng)SP3≥20%、硬度HV≥2000時(shí)，稱為類金剛石碳膜(DLC)；當(dāng)SP3≥70%、硬度HV≥7000時(shí)，稱為非晶金剛石碳膜，因其屬于四面體金剛石結(jié)構(gòu)，故又稱為非晶四面體金剛石碳膜(ta-c)。 

非晶金剛石膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)和高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能(見表1)，在刀具、量具和模具制造業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。

表1 非晶金剛石膜的基本性能 

  非晶金剛石膜 金剛石(天然、結(jié)晶)
SP3含量，% 70～95 100
硬度， GPa 70～95 100～120
密度，g/cm3 3～3.5 3.515
楊氏模量，GPa ≥700 1000～1200
電阻率，Wcm 108～1012 1016
熱導(dǎo)率，W/cm2·K 18 20
光學(xué)帶隙，eV 2.6 5.45


絲錐是機(jī)械制造中廣泛應(yīng)用的刀具，近年我國(guó)絲錐每年耗用量約4000萬(wàn)支，每支絲錐攻絲壽命達(dá)3.5～4m, 即為優(yōu)質(zhì)品，實(shí)際使用中絲錐壽命常常小于3m，與國(guó)外絲錐壽命(≥10m)相比，尚有較大差距。為使國(guó)產(chǎn)絲錐達(dá)到或接近國(guó)外產(chǎn)品水平，許多廠家作了不懈努力，從材料成分、冶金質(zhì)量、熱處理、加工工藝、刀型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面鍍膜等各方面進(jìn)行了探索，然而收效甚微。因此國(guó)內(nèi)業(yè)界普遍認(rèn)為，TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN 等鍍層對(duì)絲錐壽命沒有多少增益作用，不少?gòu)S家?guī)缀醴艞壛私z錐鍍膜的努力。陜西百納科技發(fā)展公司通過(guò)分析納米非晶金剛石鍍膜的性能特性和工藝特性，認(rèn)為這種鍍膜適合在絲錐上應(yīng)用。目前瑞士PLATIT公司已有類金剛石膜絲錐產(chǎn)品，只不過(guò)其膜層硬度較低。陜西百納公司將非晶金剛石膜應(yīng)用于高速鋼絲錐，開發(fā)出高耐磨性絲錐，并在數(shù)家工廠進(jìn)行了應(yīng)用考核。本文重點(diǎn)分析高速鋼鍍非晶金剛石膜后，膜/基結(jié)合力、摩擦系數(shù)、耐磨性的測(cè)試結(jié)果及高速鋼絲錐鍍膜后性能試驗(yàn)及實(shí)用考核的結(jié)果，并提出合理應(yīng)用和充分發(fā)揮非晶金剛石膜潛力的措施。 

2 試驗(yàn)方案 

1) 試驗(yàn)材料 

試片及絲錐材料均為W6Mo5Cr4V2高速鋼，按常規(guī)高速鋼熱處理規(guī)范進(jìn)行熱處理；試片尺寸f20×5mm、粗糙度Ra0.4，磨制機(jī)用絲錐M3～M12。 

2) 鍍膜工藝 

試件前處理：丙酮超聲波清洗→水洗→去離子水洗→酒精清洗→吹干，存放于干燥容器中備用。采用陜西百納科技發(fā)展有限責(zé)任公司自行研制的過(guò)濾陰極真空電弧離子鍍膜機(jī)(JM-1非晶金剛石鍍膜機(jī))在試件上沉積非晶金剛石膜，在優(yōu)化參數(shù)下，沉積30分鐘。 

3) 試驗(yàn)項(xiàng)目 

a. 鍍膜與基材結(jié)合力測(cè)定：用WS-2000型涂層附著力劃痕試驗(yàn)儀，按JB/T 8554-1997標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定膜層破裂或剝落的臨界載荷。每試片測(cè)量三次，取其平均值作為該試片膜/基結(jié)合力。 

b. 摩擦系數(shù)測(cè)定：用UMT-2M型(栓盤式)摩擦試驗(yàn)機(jī)，以往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式測(cè)定膜層與鋼球的摩擦系數(shù)。鋼球直徑f4mm，硬度62HRC，載荷為2N，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度18mm/s。 

c. 耐磨性試驗(yàn)：按ISO3160-3:1993標(biāo)準(zhǔn)，在MS-2型摩擦試驗(yàn)機(jī)上作栓盤耐磨性試驗(yàn)。磨頭為直徑f8mm鋼球、硬度61～64HRC，加載2N，轉(zhuǎn)速為120r/min。將出現(xiàn)可見連續(xù)磨痕時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)作為磨損壽命。 

d. 絲錐效能試驗(yàn)：按JB/T 969-94標(biāo)準(zhǔn)在Z525立式鉆床上作絲錐攻絲壽命試驗(yàn)。試坯材質(zhì)為40Cr，硬度200～220HB，主軸轉(zhuǎn)速366r/min，切削速度6.9m/min，裝夾精度0.05～0.09mm，乳化液冷卻。 

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 

1) 非晶金剛石膜的摩擦系數(shù) 

高速鋼W6Mo5Cr4V2和模具鋼Cr12MoV鍍膜后的摩擦系數(shù)列于表2。同時(shí)列出幾種常用鍍膜的摩擦系數(shù)作為對(duì)比。

表2 非晶金剛石膜(ta-c)及常用鍍膜的摩擦系數(shù) 

鍍層 基材 摩擦系數(shù)μ 參數(shù)來(lái)源
ta-c W6Mo5Cr4V2 0.092 本試驗(yàn)
Cr12MoV 0.098
TiN 工模具鋼 0.55 瑞士PLATIT公司資料
TiCN 0.2
TiAlCN 0.5
CrN 0.3
TiAlCN 0.25


從表2可看出，在高速鋼和模具鋼上所鍍非晶金剛石膜與滾珠鋼球的摩擦系數(shù)μ為0.092～0.098，比常用硬膜鍍層的摩擦系數(shù)低得多。也有不少文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)非晶金剛石膜的摩擦系數(shù)μ≤0。08，經(jīng)深入了解其測(cè)試條件，得知測(cè)試磨頭為綠寶石球，故其摩擦系數(shù)低于本試驗(yàn)結(jié)果。 

由于非晶金剛石膜是由具有低摩擦系數(shù)的碳同素異構(gòu)體SP3和SP2雜化鍵合結(jié)構(gòu)組成，并且薄膜極為均勻、致密、光滑，因而這種非晶金剛石膜具有很低的摩擦系數(shù)，可看作是具有自潤(rùn)滑功能的鍍層。 

2) 非晶金剛石膜與基材的結(jié)合力 

非晶金剛石膜與高速鋼基材結(jié)合力測(cè)定結(jié)果列于表3。由表3可知，試件中最高臨界載荷達(dá)22.75N、最小為17.15N，三件試樣平均臨界載荷為19.15N。由于鍍膜厚度約為150～200nm，在WS-2000劃痕儀上測(cè)定如此薄的鍍膜，所得數(shù)據(jù)往往偏低。

表3 非晶金剛石膜與高速鋼基材的結(jié)合力 

試樣號(hào)No 臨界載荷Lc(N) 平均臨界載荷Lc(N)
1 20.40 20.27
22.75
17.67
2 18.10 19.52
18.15
22.30
3 17.15 17.65
17.77
18.02


非晶金剛石膜在硅、玻璃及鋼材上的結(jié)合力都比較高，這主要與非晶金剛石膜以亞表面植入成核成長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)。若是純表面過(guò)程的鍍膜，則通常結(jié)合力較低。 

3) 非晶金剛石膜的耐磨性 

在MS-2型摩擦試驗(yàn)機(jī)上對(duì)高速鋼絲錐鍍膜時(shí)(共84爐)的跟蹤片進(jìn)行栓盤耐磨性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。鍍膜最低耐磨壽命為21,410轉(zhuǎn)，最高壽命為63,996轉(zhuǎn)，在30,000～50,000轉(zhuǎn)范圍占73.81%，由此可見鍍膜具有很好的質(zhì)量穩(wěn)定性。而未鍍膜的高速鋼耐磨轉(zhuǎn)數(shù)只有200轉(zhuǎn)左右。因此，在試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)栓盤磨損條件下，高速鋼鍍非晶金剛石膜后，耐磨性提高106～319倍。雖然所鍍非晶金剛石膜很薄，但其提高耐磨性的效果非常顯著。

 
圖1

一般來(lái)說(shuō)，鍍膜的耐磨性主要取決于鍍膜的硬度、摩擦系數(shù)、膜! 基結(jié)合力、膜層厚度。非晶金剛石膜屬超硬膜，摩擦系數(shù)小，膜基結(jié)合力高，盡管只有納米級(jí)的厚度，也具有很高的耐磨性。我們?cè)趦?yōu)化工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，若膜/基結(jié)合力(臨界載荷)低于10N時(shí)，膜層的耐磨性明顯變差。 

4) 鍍非晶金剛石膜絲錐的切削效能 

試驗(yàn)結(jié)果列于表4。鍍非晶金剛石膜的M6絲錐的平均切削壽命比未鍍膜絲錐的平均切削壽命提高5.6倍；鍍膜的M10絲錐平均切削壽命比未鍍膜絲錐壽命提高2.46倍?？梢娊z錐鍍非晶金剛石膜后，可有效地提高絲錐服役壽命。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，以磨損方式失效的絲錐，切削壽命都較高；而崩刃失效的絲錐，其壽命都較短。這說(shuō)明只有當(dāng)以磨損方式失效時(shí)，才能充分發(fā)揮非晶金剛石膜的耐磨潛力。

表4 鍍非晶金剛石膜絲錐切削效能試驗(yàn)結(jié)果 

No 絲錐規(guī)格 鍍膜 切削壽命 失效方式
孔數(shù) 長(zhǎng)度(m)
1-1 M6 ta-c 186 1.674 磨損
1-2 M6 ta-c 187 1.683 磨損
1-3 M6 ta-c 54 0.486 崩刃
1-4 M6 ta-c 112 1.008 崩刃
1-5 M6 ta-c 87 0.783 崩刃、磨損
2-1 M6 未鍍膜 30 0.27 崩刃
2-2 M6 未鍍膜 20 0.18 崩刃
2-3 M6 未鍍膜 8 0.072 崩刃
2-4 M6 未鍍膜 12 0.108 崩刃
2-5 M6 未鍍膜 22 0.198 崩刃
3-1 M10 ta-c   10.03 有磨損、仍可用
4-1 M10 未鍍膜   2.9 磨損、崩刃
注： *兩組M6絲錐由國(guó)家刀具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)定；
**兩組M10絲錐系某大型工具廠試驗(yàn)車間所作試驗(yàn)，其切削速度為5.6m/min。


4 應(yīng)用考核 

陜西百納公司所鍍非晶金剛石膜高速鋼絲錐已提供給數(shù)十家工廠應(yīng)用，加工對(duì)象有40Cr、42CrMo、30CrMo、16Mn、易切削鋼、灰鑄鐵、鈦合金等材料，絲錐規(guī)格從M1.5～M20等多種。用戶反饋信息表明，鍍非晶金剛石膜后，絲錐的使用壽命提高了0.67～4.56倍(見表5)。由于不同工具廠生產(chǎn)的絲錐質(zhì)量有很大差別，且用戶的使用條件、加工材質(zhì)不同，因此鍍非晶金剛石膜絲錐的使用壽命差異較大。但許多用戶都反映，以磨損方式失效的鍍膜絲錐其壽命提高都在2倍以上(提高壽命2倍以下的鍍膜絲錐其失效方式大多為崩刃、折斷)。

表5 用戶使用報(bào)告 

No 絲錐規(guī)格 加工對(duì)象 鍍膜絲錐壽命 未鍍膜絲錐壽命 鍍膜絲錐壽命提高倍數(shù) 用戶名
材料 硬度
1 M6 HT200 240HB 16m 5m 2.2 神龍汽車有限公司
2 M6 HT200 220HB 347孔 192孔 0.81 標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份公司
3 M12 HT200 220HB 15m 9m 0.67 陜西汽車廠
4 M11 30CrMo 230HB 200孔 100孔 1.0 寶雞機(jī)床廠
5 M3.5 Y12   200孔 65孔 2.08 東方機(jī)械廠
6 M7.5 Y15 229HB 5000孔 900孔 4.56 青海量具刃具有限
公司
7 M4 42CrMo 40HRC 24孔 10孔 1.4 光華數(shù)控刀具廠
8 M1.6 鈦合金   20孔 5孔 3 陜西西南工具有限
公司


5 分析與討論 

1) 克服崩刃失效方式，方能充分發(fā)揮鍍膜絲錐的耐磨潛力 

失效分析表明，未鍍膜絲錐在崩刃失效時(shí)，其鄰齒切削刃及齒頂已發(fā)生嚴(yán)重磨損(見圖2a)，而鍍膜絲錐崩刃失效后，其鄰齒的切削刃尚未見磨損跡象(見圖2b)。這就說(shuō)明以崩刃方式失效時(shí)，沒有發(fā)揮鍍膜的耐磨潛力。這在絲錐效能試驗(yàn)和用戶報(bào)告中絲錐壽命與失效方式的關(guān)系中得到充分證實(shí)。 

  
a)M4未鍍膜絲錐，崩刃失效，相鄰未斷絲扣刃部及崩刃齒頂有嚴(yán)重磨損 
b)M4鍍膜絲錐，崩刃失效，相鄰絲扣刃部及齒頂未見磨損 
圖2

要克服絲錐崩刃失效，必須提高絲錐的基本質(zhì)量，即改進(jìn)材質(zhì)的成分和冶金質(zhì)量(包括碳化物大小、形態(tài)、分布)，改進(jìn)熱處理和加工質(zhì)量，以提高絲錐的韌性和疲勞裂紋萌生抗力，降低缺口敏感性，這需要鋼廠和工具廠的共同努力。 

2) 防止溫度升高，保護(hù)非晶金剛石膜的性能 

非晶金剛石膜在溫度≥600℃時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生石墨化傾向，即由SP3金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為SP2石墨結(jié)構(gòu)，此時(shí)鍍膜的硬度和膜/基結(jié)合力都會(huì)顯著降低，所以在鍍膜絲錐工作時(shí)，需防止絲錐表面溫度升高。采取有效的冷卻措施，對(duì)提高非晶金剛石膜絲錐的切削效能是很有益的。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，若工作時(shí)，絲錐瞬時(shí)溫度<600℃、長(zhǎng)時(shí)溫度<500℃，或鍍非晶金剛石膜絲錐不僅加工有色金屬，而且也加工鋼鐵材料，都能有效提高壽命。 

3) 絲錐光潔度高、硬度高有利于提高絲錐壽命 

由于在絲錐上鍍非晶金剛石膜，其膜層厚度只有150～200nm，若絲錐表面粗糙度精度不高，其凸尖點(diǎn)在工作過(guò)程中極易崩塌，其上的鍍膜已不存在，暴露出基體材料，鍍膜整體耐磨能力便喪失。耐磨性試驗(yàn)表明，光潔度愈高，鍍膜的耐磨性愈好。 

納米級(jí)的鍍膜要求有較硬的基體作依托，以防止受力時(shí)發(fā)生變形、塌陷，因此適度提高基體硬度有利于發(fā)揮鍍膜的耐磨潛力。當(dāng)然，基體硬度過(guò)高，材料的韌性會(huì)降低，又會(huì)有崩刃之虞，因此需要對(duì)基體的硬度進(jìn)行優(yōu)化選擇，綜合平衡。 

6 結(jié)語(yǔ) 

非晶金剛石膜具有高的硬度、低的摩擦系數(shù)和良好的膜- 基結(jié)合力，因而具有很高的耐磨性。陜西百納科技發(fā)展有限責(zé)任公司成功開發(fā)的高耐磨絲錐以及用戶的生產(chǎn)使用證明：在高速鋼絲錐上沉積非晶金剛石膜可顯著提高絲錐的使用壽命，將這種鍍膜絲錐應(yīng)用于有色金屬、鋼和鑄鐵的加工可取得令人滿意的效果。此外，陜西百納公司還為用戶的大量刀具、量具、模具鍍覆非晶金剛石膜，均顯著提高了使用壽命。 

陜西百納公司在鍍膜絲錐摩擦系數(shù)測(cè)定和絲錐效能試驗(yàn)中分別得到中科院固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家刀具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的協(xié)助，還有多個(gè)用戶提供鍍膜絲錐使用報(bào)告，在此謹(jǐn)表謝忱。

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