2 试验方案

1. 试验材料
   试片及丝锥材料均为W6Mo5Cr4V2高速钢，按常规高速钢热处理规范进行热处理；试片尺寸f20×5mm、粗糙度Ra0.4，磨制机用丝锥M3～M12。
2. 镀膜工艺
   试件前处理：丙酮超声波清洗→水洗→去离子水洗→酒精清洗→吹干，存放于干燥容器中备用。采用陕西百纳科技发展有限责任公司自行研制的过滤阴极真空电弧离子镀膜机(JM-1非晶金刚石镀膜机)在试件上沉积非晶金刚石膜，在优化参数下，沉积30分钟。
3. 试验项目
   1. 镀膜与基材结合力测定：用WS-2000型涂层附着力划痕试验仪，按JB/T 8554-1997标准测定膜层破裂或剥落的临界载荷。每试片测量三次，取其平均值作为该试片膜/基结合力。
   2. 摩擦系数测定：用UMT-2M型(栓盘式)摩擦试验机，以往复运动方式测定膜层与钢球的摩擦系数。钢球直径f4mm，硬度62HRC，载荷为2N，相对运动速度18mm/s。
   3. 耐磨性试验：按ISO3160-3:1993标准，在MS-2型摩擦试验机上作栓盘耐磨性试验。磨头为直径f8mm钢球、硬度61～64HRC，加载2N，转速为120r/min。将出现可见连续磨痕时的转数作为磨损寿命。
   4. 丝锥效能试验：按JB/T 969-94标准在Z525立式钻床上作丝锥攻丝寿命试验。试坯材质为40Cr，硬度200～220HB，主轴转速366r/min，切削速度6.9m/min，装夹精度0.05～0.09mm，乳化液冷却。

3 试验结果及分析

1. 非晶金刚石膜的摩擦系数
   高速钢W6Mo5Cr4V2和模具钢Cr12MoV镀膜后的摩擦系数列于表2。同时列出几种常用镀膜的摩擦系数作为对比。
   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。
   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。
   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L_c(N) 平均临界载荷L_c(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
   图1
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。
   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) 1-1 M6 ta-c 186 1.674 磨损 1-2 M6 ta-c 187 1.683 磨损 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、磨损 2-1 M6 未镀膜 30 0.27 崩刃 2-2 M6 未镀膜 20 0.18 崩刃 2-3 M6 未镀膜 8 0.072 崩刃 2-4 M6 未镀膜 12 0.108 崩刃 2-5 M6 未镀膜 22 0.198 崩刃 3-1 M10 ta-c   10.03 有磨损、仍可用 4-1 M10 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

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。
   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