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非晶金刚石膜在高速钢丝锥上的应用

非晶金刚石膜在高速钢丝锥上的应用 2011： 1 引言自1971ta-cW6Mo5Cr4V20.092本试验Cr12MoV0.098TiN工模具钢0.55瑞士PLATIT公司资料TiCN0.2TiAlCN0.5CrN0.3TiAlCN0.25

从表2可看出，在高速钢和模具钢上所镀非晶金刚石膜与滚珠钢球的摩擦系数µ为0.092～0.098，比常用硬膜镀层的摩擦系数低得多。也有不少文献报导非晶金刚石膜的摩擦系数µ≤0。08，经深入了解其测试条件，得知测试磨头为绿宝石球，故其摩擦系数低于本试验结果。由于非晶金刚石膜是由具有低摩擦系数的碳同素异构体SP3和SP2杂化键合结构组成，并且薄膜极为均匀、致密、光滑，因而这种非晶金刚石膜具有很低的摩擦系数，可看作是具有自润滑功能的镀层。2) 非晶金刚石膜与基材的结合力非晶金刚石膜与高速钢基材结合力测定结果列于表3。由表3可知，试件中最高临界载荷达22.75N、最小为17.15N，三件试样平均临界载荷为19.15N。由于镀膜厚度约为150～200nm，在WS-2000划痕仪上测定如此薄的镀膜，所得数据往往偏低。

表3 非晶金刚石膜与高速钢基材的结合力试样号No临界载荷Lc(N)平均临界载荷Lc(N)120.4020.2722.7517.67218.1019.5218.1522.30317.1517.6517.7718.02

非晶金刚石膜在硅、玻璃及钢材上的结合力都比较高，这主要与非晶金刚石膜以亚表面植入成核成长过程有关。若是纯表面过程的镀膜，则通常结合力较低。3) 非晶金刚石膜的耐磨性在MS-2型摩擦试验机上对高速钢丝锥镀膜时(共84炉)的跟踪片进行栓盘耐磨性试验。试验结果如图1所示。镀膜最低耐磨寿命为21,410转，最高寿命为63,996转，在30,000～50,000转范围占73.81%，由此可见镀膜具有很好的质量稳定性。而未镀膜的高速钢耐磨转数只有200转左右。因此，在试验室标准栓盘磨损条件下，高速钢镀非晶金刚石膜后，耐磨性提高106～319倍。虽然所镀非晶金刚石膜很薄，但其提高耐磨性的效果非常显著。

图1

一般来说，镀膜的耐磨性主要取决于镀膜的硬度、摩擦系数、膜! 基结合力、膜层厚度。非晶金刚石膜属超硬膜，摩擦系数小，膜基结合力高，尽管只有纳米级的厚度，也具有很高的耐磨性。我们在优化工艺时发现，若膜/基结合力(临界载荷)低于10N时，膜层的耐磨性明显变差。4) 镀非晶金刚石膜丝锥的切削效能试验结果列于表4。镀非晶金刚石膜的M6丝锥的平均切削寿命比未镀膜丝锥的平均切削寿命提高5.6倍；镀膜的M10丝锥平均切削寿命比未镀膜丝锥寿命提高2.46倍。可见丝锥镀非晶金刚石膜后，可有效地提高丝锥服役寿命。试验中还发现，以磨损方式失效的丝锥，切削寿命都较高；而崩刃失效的丝锥，其寿命都较短。这说明只有当以磨损方式失效时，才能充分发挥非晶金刚石膜的耐磨潜力。

表4 镀非晶金刚石膜丝锥切削效能试验结果No丝锥规格镀膜切削寿命失效方式孔数长度(m)1-1M6ta-c1861.674磨损1-2M6ta-c1871.683磨损1-3M6ta-c540.486崩刃1-4M6ta-c1121.008崩刃1-5M6ta-c870.783崩刃、磨损2-1M6未镀膜300.27崩刃2-2M6未镀膜200.18崩刃2-3M6未镀膜80.072崩刃2-4M6未镀膜120.108崩刃2-5M6未镀膜220.198崩刃3-1M10ta-c10.03有磨损、仍可用4-1M10未镀膜2.9磨损、崩刃注： *两组M6丝锥由国家刀具质量监督检验中心测定；**两组M10丝锥系某大型工具厂试验车间所作试验，其切削速度为5.6m/min。

4 应用考核陕西百纳公司所镀非晶金刚石膜高速钢丝锥已提供给数十家工厂应用，加工对象有40Cr、42CrMo、30CrMo、16Mn、易切削钢、灰铸铁、钛合金等材料，丝锥规格从M1.5～M20等多种。用户反馈信息表明，镀非晶金刚石膜后，丝锥的使用寿命提高了0.67～4.56倍(见表5)。由于不同工具厂生产的丝锥质量有很大差别，且用户的使用条件、加工材质不同，因此镀非晶金刚石膜丝锥的使用寿命差异较大。但许多用户都反映，以磨损方式失效的镀膜丝锥其寿命提高都在2倍以上(提高寿命2倍以下的镀膜丝锥其失效方式大多为崩刃、折断)。

表5 用户使用报告No丝锥规格加工对象镀膜丝锥寿命未镀膜丝锥寿命镀膜丝锥寿命提高倍数用户名材料硬度1M6HT200240HB16m5m2.2神龙汽车有限公司2M6HT200220HB347孔192孔0.81标准工业股份公司3M12HT200220HB15m9m0.67陕西汽车厂4M1130CrMo230HB200孔100孔1.0宝鸡机床厂5M3.5Y12200孔65孔2.08东方机械厂6M7.5Y15229HB5000孔900孔4.56青海量具刃具有限公司7M442CrMo40HRC24孔10孔1.4光华数控刀具厂8M1.6钛合金20孔5孔3陕西西南工具有限公司

5 分析与讨论1) 克服崩刃失效方式，方能充分发挥镀膜丝锥的耐磨潜力失效分析表明，未镀膜丝锥在崩刃失效时，其邻齿切削刃及齿顶已发生严重磨损(见图2a)，而镀膜丝锥崩刃失效后，其邻齿的切削刃尚未见磨损迹象(见图2b)。这就说明以崩刃方式失效时，没有发挥镀膜的耐磨潜力。这在丝锥效能试验和用户报告中丝锥寿命与失效方式的关系中得到充分证实。

a)M4未镀膜丝锥，崩刃失效，相邻未断丝扣刃部及崩刃齿顶有严重磨损 b)M4镀膜丝锥，崩刃失效，相邻丝扣刃部及齿顶未见磨损 图2

要克服丝锥崩刃失效，必须提高丝锥的基本质量，即改进材质的成分和冶金质量(包括碳化物大小、形态、分布)，改进热处理和加工质量，以提高丝锥的韧性和疲劳裂纹萌生抗力，降低缺口敏感性，这需要钢厂和工具厂的共同努力。2) 防止温度升高，保护非晶金刚石膜的性能非晶金刚石膜在温度≥600℃时，便会产生石墨化倾向，即由SP3金刚石结构转化为SP2石墨结构，此时镀膜的硬度和膜/基结合力都会显著降低，所以在镀膜丝锥工作时，需防止丝锥表面温度升高。采取有效的冷却措施，对提高非晶金刚石膜丝锥的切削效能是很有益的。根据实践经验估计，若工作时，丝锥瞬时温度<600℃、长时温度<500℃，或镀非晶金刚石膜丝锥不仅加工有色金属，而且也加工钢铁材料，都能有效提高寿命。3) 丝锥光洁度高、硬度高有利于提高丝锥寿命由于在丝锥上镀非晶金刚石膜，其膜层厚度只有150～200nm，若丝锥表面粗糙度精度不高，其凸尖点在工作过程中极易崩塌，其上的镀膜已不存在，暴露出基体材料，镀膜整体耐磨能力便丧失。耐磨性试验表明，光洁度愈高，镀膜的耐磨性愈好。纳米级的镀膜要求有较硬的基体作依托，以防止受力时发生变形、塌陷，因此适度提高基体硬度有利于发挥镀膜的耐磨潜力。当然，基体硬度过高，材料的韧性会降低，又会有崩刃之虞，因此需要对基体的硬度进行优化选择，综合平衡。6 结语非晶金刚石膜具有高的硬度、低的摩擦系数和良好的膜- 基结合力，因而具有很高的耐磨性。陕西百纳科技发展有限责任公司成功开发的高耐磨丝锥以及用户的生产使用证明：在高速钢丝锥上沉积非晶金刚石膜可显著提高丝锥的使用寿命，将这种镀膜丝锥应用于有色金属、钢和铸铁的加工可取得令人满意的效果。此外，陕西百纳公司还为用户的大量刀具、量具、模具镀覆非晶金刚石膜，均显著提高了使用寿命。陕西百纳公司在镀膜丝锥摩擦系数测定和丝锥效能试验中分别得到中科院固体润滑国家重点实验室和国家刀具质量监督检验中心的协助，还有多个用户提供镀膜丝锥使用报告，在此谨表谢忱。作者单位：陕西百纳科技发展有限责任公司 (end)

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