非晶金剛石膜在高速鋼絲錐上的應(yīng)用
時間:2011-05-28 08:55:55 來源:未知
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，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，稱為類金剛石碳膜(DLC)；當(dāng)SP3≥70%、硬度HV≥7000時，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
絲錐是機械制造中廣泛應(yīng)用的刀具，近年我國絲錐每年耗用量約4000萬支，每支絲錐攻絲壽命達(dá)3.5～4m, 即為優(yōu)質(zhì)品，實際使用中絲錐壽命常常小于3m，與國外絲錐壽命(≥10m)相比，尚有較大差距。為使國產(chǎn)絲錐達(dá)到或接近國外產(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)計及表面鍍膜等各方面進(jìn)行了探索，然而收效甚微。因此國內(nèi)業(yè)界普遍認(rèn)為，TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN 等鍍層對絲錐壽命沒有多少增益作用，不少廠家?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)、耐磨性的測試結(jié)果及高速鋼絲錐鍍膜后性能試驗及實用考核的結(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 試驗方案
- 試驗材料
- 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，磨制機用絲錐M3～M12。
- 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濾陰極真空電弧離子鍍膜機(JM-1非晶金剛石鍍膜機)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。
#p#分頁標(biāo)題#e# - 試驗項目
- 鍍膜與基材結(jié)合力測定：用WS-2000型涂層附著力劃痕試驗儀，按JB/T 8554-1997標(biāo)準(zhǔn)測定膜層破裂或剝落的臨界載荷。每試片測量三次，取其平均值作為該試片膜/基結(jié)合力。
- 摩擦系數(shù)測定：用UMT-2M型(栓盤式)摩擦試驗機，以往復(fù)運動方式測定膜層與鋼球的摩擦系數(shù)。鋼球直徑f4mm，硬度62HRC，載荷為2N，相對運動速度18mm/s。
- 耐磨性試驗：按ISO3160-3:1993標(biāo)準(zhǔn)，在MS-2型摩擦試驗機上作栓盤耐磨性試驗。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)磨痕時的轉(zhuǎn)數(shù)作為磨損壽命。
- 絲錐效能試驗：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。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。
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)來源
ta-c
W6Mo5Cr4V2
0.092
本試驗
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
3 試驗結(jié)果及分析
- 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。同時列出幾種常用鍍膜的摩擦系數(shù)作為對比。
- 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)深入了解其測試條件，得知測試磨頭為綠寶石球，故其摩擦系數(shù)低于本試驗結(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)，可看作是具有自潤滑功能的鍍層。
- 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劃痕儀上測定如此薄的鍍膜，所得數(shù)據(jù)往往偏低。
- 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過程有關(guān)。若是純表面過程的鍍膜，則通常結(jié)合力較低。
表3 非晶金剛石膜與高速鋼基材的結(jié)合力
試樣號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
圖1
#p#分頁標(biāo)題#e#- 非晶金剛石膜的耐磨性
- 在MS-2型摩擦試驗機上對高速鋼絲錐鍍膜時(共84爐)的跟蹤片進(jìn)行栓盤耐磨性試驗。試驗結(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。
- 一般來說，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，盡管只有納米級的厚度，也具有很高的耐磨性。我們在優(yōu)化工藝時發(fā)現(xiàn)，若膜/基結(jié)合力(臨界載荷)低于10N時，膜層的耐磨性明顯變差。
- 鍍非晶金剛石膜絲錐的切削效能試驗結(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。可見絲錐鍍非晶金剛石膜后，可有效地提高絲錐服役壽命。試驗中還發(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。這說明只有當(dāng)以磨損方式失效時，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結(jié)果
No
絲錐規(guī)格
鍍膜
切削壽命
失效方式
孔數(shù)
長度(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絲錐由國家刀具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心測定；
- #p#分頁標(biāo)題#e#**兩組M10絲錐系某大型工具廠試驗車間所作試驗，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 用戶使用報告
No
絲錐規(guī)格
加工對象
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
寶雞機床廠
5
M3.5
Y12
200孔
65孔
2.08
東方機械廠
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
- 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，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)。這就說明以崩刃方式失效時，沒有發(fā)揮鍍膜的耐磨潛力。這在絲錐效能試驗和用戶報告中絲錐壽命與失效方式的關(guān)系中得到充分證實。
- 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。
#p#分頁標(biāo)題#e#- 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，便會產(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)，此時鍍膜的硬度和膜/基結(jié)合力都會顯著降低，所以在鍍膜絲錐工作時，需防止絲錐表面溫度升高。采取有效的冷卻措施，對提高非晶金剛石膜絲錐的切削效能是很有益的。根據(jù)實踐經(jīng)驗估計，若工作時，絲錐瞬時溫度<600℃、長時溫度<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。
- 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，其凸尖點在工作過程中極易崩塌，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。耐磨性試驗表明，光潔度愈高，鍍膜的耐磨性愈好。
- 納米級的鍍膜要求有較硬的基體作依托，以防止受力時發(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，基體硬度過高，材料的韌性會降低，又會有崩刃之虞，因此需要對基體的硬度進(jìn)行優(yōu)化選擇，綜合平衡。
(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
6 結(jié)語
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。