物理气相沉积技术在冰刀上的应用.pdf

第 卷 第 期 年 月 f畅 r畅 物理气相沉积技术在冰刀上的应用 米 靖 （北京体育大学 竞技体育学院，北京 ） 摘要：根据冰刀的服役条件和失效方式提出了冰刀的强化和延寿可能途径，认为在其表面用物理气相沉积 具有良好的效果。 关键词： 物理气相沉积； 冰刀； 涂层 中图分类号：TB39 文献标志码：A 文章编号：0254- 6051（2014）04- 0132- 03 Application of PVD technology in ice skate blade （ ， ， ， ） Abstract： Key words： （）； ； 收稿日期：- - 基金项目：国家科技支撑计划（） 作者简介：米 靖（），男，教授，博士，主要研究方向为体育教育 训练学，- ： doi：10 13251 j issn 0254- 6051 2014 04 034 一些运动器械的服役过程是承压过程、磨损过 程或二者兼具，其工作部位出现变形或磨损而不能 满足正常使用要求时，就会成为运动员发挥竞技水 平的瓶颈甚至给运动员造成伤害。 可见，提高运动 器械的服役性能从而延长其修整周期和使用寿命非 常重要。 以冰刀为例，在蹬冰时冰刀刀片承受较大 的压应力和切应力，滑行过程中刀刃与冰面高速摩 擦，长时间承受较大摩擦力的作用；这就要求冰刀具 有一定刚度和强韧性，同时具有相当的耐磨性能和 较小的表面粗糙度。 物理气相沉积（ ， ） 是制备硬质涂镀层的常用技术，具有沉积温度低、镀膜 速度高、膜层致密、膜层表面粗糙度低、膜的附着力好 等特点。 技术可在较低温度下在金属材料表面 制得金属 陶瓷涂层，从而在保持前期热处理效果的情 况下提高金属材料表面的耐磨性能。 本文综合分析了 冰刀服役中的主要失效形式和亟待提高的物理性能， 最终选择 技术作为冰刀的表面强化手段，并验证 了可行性。 冰刀的服役特征和强化需求 滑冰是以冰刀为工具，结合运动员个人力量和技 术的比赛项目。 这项运动中，竞技水平的影响因素除 了运动员个人技巧以外，最重要的就是冰刀的服役性 能，如对蹬冰力的传递能力、抗塑性变形能力、抗脆性 断裂能力和长时间耐磨性能等。 在冰刀的机械构造中 刀片的物理特性和力学性能是决定冰刀质量水平的主 要因素之一，这涉及到刀片的整体强度、刀刃的硬度和 触冰面的表面粗糙度等。 目前，我国高技术冰刀研究 较为欠缺，运动员使用的优质冰刀绝大部分依靠进口。 研制新型高技术冰刀，对于实现冰刀的设计和生产自 主化、促进相关冰上项目的竞技水平具有重要的现实 意义和战略意义。 1 1 冰刀的服役特征 宏观上，新磨刀刃的两个侧面与端面（刃间面）分 别成直角，但微观上刃间面是具有一定曲率半径的弧 面 ；滑冰（即“切冰”）过程中，冰刀主要承受运动员 蹬冰力 F 和与摩擦力 f（如图 所示）。 图 冰刀受力示意图 1 2 冰刀的失效形式和传统改造思路 冰刀刀片材质一般选用高速钢、弹簧钢、不锈钢 等优质钢种，其刚度一般能够满足使用要求，冰刀的 第 期米 靖：物理气相沉积技术在冰刀上的应用 l 失效一般表现为刀刃的失效。 有研究人员将冰刀刀 刃的失效归纳为如图 所示的钝刃、卷刃、豁刃（崩 刃）、偏刃和脊刃等几种方式 。 其中钝刃、偏刃和 脊刃的成因是由于冰刀刃口表面耐磨性能较差，刀 刃不能承受与冰面之间较长时间的高速摩擦而逐渐 磨损导致的失效；另外，偏刃和脊刃的形成还有可能 是刀片材料微观组织的不均匀性引起的，而组织均 匀性主要取决于热处理过程；卷刃是因为刀片基体 材料强度不够，在蹬冰和滑行时发生塑性变形，不能 有效抓冰或切冰而失效；豁刃，则是由于刀片基体材 料韧性不足，在服役过程中与异物碰撞引起刃口材 料的脆性断裂而形成。 图 刃口形状 （） 锋刃； （） 钝刃； （） 卷刃； （） 豁刃； （） 偏刃； （） 脊刃 （） ； （） ； （） ； （） ； （） ； （） 针对冰刀失效形式和失效机理，国内外研究人员 针对冰刀材料、结构和热处理工艺做了大量的研究和 尝试来制造高性能冰刀。 冰刀自出现以来，刀体材料 经历了以“兽骨- 铁- 钢”为主线的发展过程。 有文献 报道国外曾有人研究过陶瓷冰刀，但未能得到推 广使用，现阶段实际使用的优质冰刀材料仍然是各种 高性能钢；目前国产冰刀多使用高速钢、弹簧钢和不锈 钢，如 、 等合金钢，而国外冰刀的具体 材料由于各种原因难以在文献资料中查阅到。 冰刀结 构改进的研究主要集中在刀刃弧度 、刃磨技术 - 和双金属刀片 等几个方面，也有人从增加“冰- 刀” 之间润滑的角度设计了可从刃间面流出润滑液的“润 滑冰刀 ”，显而易见，这几种方法操作复杂，且刀片 结构复杂难以制造。 有国外研究人员 对冰上曲棍 球冰刀刀刃结构进行改进，将刃间面加宽以改善刀 刃与冰面接触的几何学特征，试验表明，改进后的冰 刀对于运动员的滑行加速度和最大滑行速度都有不 同程度的提高。 热处理工艺是在确定刀片材料的前 提下使其发生组织改变从而改变材料性能的工艺， 但是钢的热处理是硬则脆、强则软的矛盾体，而且在 处理过程中会出现多种不可预见的变形给后续加工 带来较大的困难 。 另外，有学者 探讨过通过离子注入表面改性技 术对冰刀进行处理，从而在保证刀体刚度和强韧性的 同时提高其刃口处的耐磨性能；也有国外研究人员针 对涂层冰刀申请专利 ，并提到可以用 或 等技术作为涂层的制造方法。 但是这两种方法也仅仅 是出现在文献中，而没有后续的实际研究。 虽然科研人员从多个角度对冰刀进行改造和强 化，但是冰刀的性能仍然不能完全满足竞赛或训练 需求。 特别是国产冰刀，无论在磨刀周期还是整体 使用寿命都难以达到某些进口品牌冰刀的水平。 这 种现状让相关的运动项目无论在国内还是在国际上 都处于一个比较尴尬的境地，因此器械的自主研发 和生产必须成为运动员竞技水平训练以外的一个工 作重点。 1 3 冰刀的强化需求 如前所述，冰刀在滑动中承受较大的应力作用及 与冰面的摩擦，因此刀片需要满足以下要求： 在蹬 冰时刀片在任何方向都应该具有足够的抗弹性变形能 力，即足够的刚度，以此保证最大限度的传递运动员的 蹬冰力量，避免蹬冰无力； 刀刃能够长时间保持锋 利，持续保障“切冰”效果和防止侧滑，即刀刃与冰面 接触部位需要具有较强的耐磨性能； 刀刃在长时间 保持锋利的同时，应该具有足够的抗塑性变形和脆性 断裂的能力，即足够的强韧性。 综上，冰刀的强化需求可以表述如下：刀身具有抵 抗和传递蹬冰力量的刚度和强韧性，同时，刀刃足够耐 磨并具有尽可能小的表面粗糙度。 对比传统的冰刀改 良方法后得到满足冰刀强化需求的最佳技术路线是： 以增韧为目的进行热处理，然后在冰刀表面制备一层 硬质、耐磨、低粗糙度的薄涂层。 在冰刀上应用的可行性 物理气相沉积（）是一种对材料表面进行改 性处理的高新技术，是指在真空条件下，采用低电压、 大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并 使蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用， 使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上形成涂 层 。 涂层技术目前在国内的应用主要集中于 硬质合金可转位刀片、高速齿轮刀具、硬质合金棒式刀 具及部分异型刀具等 。 2 1 冰刀表面 PVD 法沉积硬质涂层的优势 采用涂层技术对冰刀进行表面改性处理，相比传 统的冰刀改良技术路线具有以下优势：首先，降低了对 刀片硬度的要求从而降低了对刀片材质和热处理制度 的要求，有利于降低成本、减少贵重稀少矿产资源的消 耗、避免加工过程中出现不可控因素并可简化加工工 l 第 卷 艺；另外，相比上文中的“润滑冰刀”和“双金属刀片” 等对刀片结构进行的改造而言， 沉积涂层的方法 更易于实现。 可见，物理气相沉积技术相比其他涂层技术（如 电镀、热喷涂、堆焊、气相沉积等）具有明显的优势： 允许刀片前期热处理有较大的温度范围（即允许基 材有较低的退火温度）； 涂层致密度高； 涂层表 面光滑，可完全重现基体形貌，并有可能使其表面粗糙 度降低 ； 能耗低，无污染； 可以使用特殊退镀 液在较低温度下去除涂层，磨刀后重新沉积涂层实现 冰刀的循环使用。 2 2 PVD 技术在冰刀上应用的可行性 综合分析冰刀的服役特征、失效形式和传统强 化技术路线后，利用 技术在某进口品牌冰刀表 面成功制备了 陶瓷涂层。 技术路线为：前处理- 过渡层制备- 沉积层制备。 处理后的刀片外观呈金黄 色，刀片强度无明显改变，表面粗糙度未恶化；检测 结果显示，涂层与基体结合良好，涂层表面洛氏硬度 相比原材料有明显提高，表面粗糙度也有相应改善， 见表 。 表 1 PVD 处理前后的涂层检测结果对比 Table 1 Comparison of the test results for coating before and after deposition 样品表面粗糙度 R 表面洛氏硬度 无涂层试样c 3 有涂层试样O 3 表面粗糙度标准中，当 R 时，工件表 面特征为亮光泽面，应用于特别精密的滚动轴承套圈 滚道、滚珠及滚柱表面，测量仪器中中等精度间隙配合 零件的工作表面。 表面粗糙度检测结果中可以发现涂 层冰刀粗糙度在 R 级别，具有较小的表面 粗糙度，因此运动员滑行过程中受到冰面的阻力能够 相应减小。 硬度方面，涂层冰刀表面洛氏硬度平均 ，较无涂层冰刀的 要高出 大约 个单位。 结果表明，镀层以后的冰刀表面硬度 得到了提高，更耐冰面磨损，对于延长冰刀的修整周期 和整体寿命能够起到促进作用。 另外，冰刀与冰面间的润滑作用主要取决于二 者之间的水膜，而冰刀与冰之间的摩擦热是水膜产 生的原因之一。 属于陶瓷材料，相比普通金属 材料具有较低的导热性能 ，因此可以使摩擦热更 多的传递给冰面从而促进冰刀与冰之间水膜的产 生；理论上讲，这对于降低运动员滑行中的摩擦阻力 也有积极作用。 结论 ） 滑冰过程中冰刀主要承受运动员蹬冰力 F 和 摩擦力 f 的共同作用。 ） 刀体应具有抵抗和传递蹬冰力量的刚度和强 韧性，同时刀刃需要足够耐磨并具有尽可能小的表面 粗糙度。 ） 采用 技术在冰刀表面成功沉积了 涂层，提高了刀刃的耐磨性并一定程度上降低了表面 粗糙度。 ） 在此基础上应该综合材料、热处理等关键技 术，尽快研究制定新型高技术冰刀的加工工艺，进而促 进相关冰上项目的发展。 参考文献： 关亚军， 朱宝峰， 冯庆波速滑冰刀刃表面改性技术对提高成绩的 前瞻性探讨哈尔滨体育学院学报， ， （）： - 左洪志金属研磨平板消除冰刀卷刃的实验研究体育科学， ， （）： - 索志杰陶瓷冰刀河北陶瓷， （）： 邱建明， 杨艳青不锈钢冰刀的失效分析金属热处理， ， （）： - 杨 俭 钢冰刀的热处理金属热处理， ， （）： - 王 简， 周会成， 陈吉红基于曲率数据的冰刀弧形拟合研究 机械设计与制造， （）： - 金喜添便携式多功能冰刀研磨机的研制北京体育大学学 报， ， （）： - 丁国龙，