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(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，在刀具、量具和模具制造業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　絲錐是機(jī)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(shí)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(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(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
　　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。
　　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(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。
　　試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)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(yàn)機(jī)，以往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度18mm/s。
　　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。
　　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
　　非晶金剛石膜的摩擦系數(shù)
　　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(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)，可看作是具有自潤滑功能的鍍層。
　　非晶金剛石膜與基材的結(jié)合力
　　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。
　　非晶金剛石膜的耐磨性
　　在MS-2型摩擦試驗(yàn)機(jī)上對高速鋼絲錐鍍膜時(shí)(共84爐)的跟蹤片進(jìn)行栓盤耐磨性試驗(yàn)。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。

　　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(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。
。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。
　　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。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)。
　　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(shí)，其鄰齒切削刃及齒頂已發(fā)生嚴(yán)重磨損，而鍍膜絲錐崩刃失效后，其鄰齒的切削刃尚未見磨損跡象。這就說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)。
　　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。

　　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。
　　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，基體硬度過高，材料的韌性會(huì)降低，又會(huì)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。
　　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。
　　陜西百納公司在鍍膜絲錐摩擦系數(shù)測定和絲錐效能試驗(yàn)中分別得到中科院固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家刀具質(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。
　　
　　聲明：數(shù)據(jù)僅供參考。