非晶金剛石膜在高速鋼絲錐上的應用
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，在世界范圍內興起了類金剛石膜的研究和應用開發熱潮，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。用碳氫化合物氣體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或含有部分納米晶，是金剛石結構(SP3)和石墨結構(SP2)的混合物，其硬度、彈性模量等性能主要取決于SP3結構的含量。當SP3≥20%、硬度HV≥2000時，稱為類金剛石碳膜(DLC)；當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構，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、低摩擦系數和高熱導率等優異性能(見表1)，在刀具、量具和模具制造業有著廣泛的應用前景。
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
熱導率，W/cm2·K
18
20
光學帶隙，eV
2.6
5.45
絲錐是機械制造中廣泛應用的刀具，近年我國絲錐每年耗用量約4000萬支，每支絲錐攻絲壽命達3.5～4m, 即為優質品，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。為使國產絲錐達到或接近國外產品水平，許多廠家作了不懈努力，從材料成分、冶金質量、熱處理、加工工藝、刀型結構設計及表面鍍膜等各方面進行了探索，然而收效甚微。因此國內業界普遍認為，TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN 等鍍層對絲錐壽命沒有多少增益作用，不少廠家幾乎放棄了絲錐鍍膜的努力。陜西百納科技發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，認為這種鍍膜適合在絲錐上應用。目前瑞士PLATIT公司已有類金剛石膜絲錐產品，只不過其膜層硬度較低。陜西百納公司將非晶金剛石膜應用于高速鋼絲錐，開發出高耐磨性絲錐，并在數家工廠進行了應用考核。本文重點分析高速鋼鍍非晶金剛石膜后，膜/基結合力、摩擦系數、耐磨性的測試結果及高速鋼絲錐鍍膜后性能試驗及實用考核的結果，并提出合理應用和充分發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，按常規高速鋼熱處理規范進行熱處理；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展有限責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，在優化參數下，沉積30分鐘。
#p#分頁標題#e# - 試驗項目
- 鍍膜與基材結合力測定：用WS-2000型涂層附著力劃痕試驗儀，按JB/T 8554-1997標準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/基結合力。
- 摩擦系數測定：用UMT-2M型(栓盤式)摩擦試驗機，以往復運動方式測定膜層與鋼球的摩擦系數。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標準，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，轉速為120r/min。將出現可見連續磨痕時的轉數作為磨損壽命。
- 絲錐效能試驗：按JB/T 969-94標準在Z525立式鉆床上作絲錐攻絲壽命試驗。試坯材質為40Cr，硬度200～220HB，主軸轉速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
鍍層
基材
摩擦系數µ
參數來源
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 試驗結果及分析
- 非晶金剛石膜的摩擦系數
- 高速鋼W6Mo5Cr4V2和模具鋼Cr12MoV鍍膜后的摩擦系數列于表2。同時列出幾種常用鍍膜的摩擦系數作為對比。
- 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µ為0.092～0.098，比常用硬膜鍍層的摩擦系數低得多。也有不少文獻報導非晶金剛石膜的摩擦系數µ≤0。08，經深入了解其測試條件，得知測試磨頭為綠寶石球，故其摩擦系數低于本試驗結果。
- 由于非晶金剛石膜是由具有低摩擦系數的碳同素異構體SP3和SP2雜化鍵合結構組成，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，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合力
- 非晶金剛石膜與高速鋼基材結合力測定結果列于表3。由表3可知，試件中最高臨界載荷達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，所得數據往往偏低。
- 非晶金剛石膜在硅、玻璃及鋼材上的結合力都比較高，這主要與非晶金剛石膜以亞表面植入成核成長過程有關。若是純表面過程的鍍膜，則通常結合力較低。
表3 非晶金剛石膜與高速鋼基材的結合力
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)的跟蹤片進行栓盤耐磨性試驗。試驗結果如圖1所示。鍍膜最低耐磨壽命為21,410轉，最高壽命為63,996轉，在30,000～50,000轉范圍占73.81%，由此可見鍍膜具有很好的質量穩定性。而未鍍膜的高速鋼耐磨轉數只有200轉左右。因此，在試驗室標準栓盤磨損條件下，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、膜! 基結合力、膜層厚度。非晶金剛石膜屬超硬膜，摩擦系數小，膜! 基結合力高，盡管只有納米級的厚度，也具有很高的耐磨性。我們在優化工藝時發現，若膜/基結合力(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。試驗中還發現，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。這說明只有當以磨損方式失效時，才能充分發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果
No
絲錐規格
鍍膜
切削壽命
失效方式
孔數
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絲錐由國家刀具質量監督檢驗中心測定；
- #p#分頁標題#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十家工廠應用，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的絲錐質量有很大差別，且用戶的使用條件、加工材質不同，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
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
標準工業股份公司
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生嚴重磨損(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量，即改進材質的成分和冶金質量(包括碳化物大小、形態、分布)，改進熱處理和加工質量，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#分頁標題#e#- 防止溫度升高，保護非晶金剛石膜的性能
- 非晶金剛石膜在溫度≥600℃時，便會產生石墨化傾向，即由SP3金剛石結構轉化為SP2石墨結構，此時鍍膜的硬度和膜/基結合力都會顯著降低，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。根據實踐經驗估計，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，以防止受力時發生變形、塌陷，因此適度提高基體硬度有利于發揮鍍膜的耐磨潛力。當然，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行優化選擇，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 結語
非晶金剛石膜具有高的硬度、低的摩擦系數和良好的膜- 基結合力，因而具有很高的耐磨性。陜西百納科技發展有限責任公司成功開發的高耐磨絲錐以及用戶的生產使用證明：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。