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非晶金剛石膜在高速鋼絲錐上的應(yīng)用
1 引言 表1 非晶金剛石膜的基本性能
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(pán)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(pán)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(jiàn)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)
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
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(pán)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(jiàn)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(pán)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。
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。可見(jiàn)絲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
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(hù)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(jiàn)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(hù)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(hù)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(hù)使用報(bào)告
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(jiàn)圖2a)，而鍍膜絲錐崩刃失效后，其鄰齒的切削刃尚未見(jiàn)磨損跡象(見(jiàn)圖2b)。這就說(shuō)明以崩刃方式失效時(shí)，沒(méi)有發(fā)揮鍍膜的耐磨潛力。這在絲錐效能試驗(yàn)和用戶(hù)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)。
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(kāi)發(fā)的高耐磨絲錐以及用戶(hù)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(mǎn)意的效果。此外，陜西百納公司還為用戶(hù)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(hù)提供鍍膜絲錐使用報(bào)告，在此謹(jǐn)表謝忱。 上一頁(yè)：總結(jié)絲錐加工的幾個(gè)問(wèn)題 下一頁(yè)：主要的幾種絲錐生產(chǎn)設(shè)備 |
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