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气氛介质条件下聚晶金刚石摩擦学性能及机理研究

岳天洋  
【摘要】:聚晶金刚石复合片既具有金刚石的超高硬度、超耐磨性的优良特点,又具有硬质合金的高强度以及良好的抗冲击韧性的优异性能,被广泛应用于地质钻探、超硬切削、航空航天等领域。在这些领域的应用使得聚晶金刚石工具面临着诸多苛刻的环境问题,如在外太空环境下,由于高真空环境可能导致聚晶金刚石工具在服役过程中产生严重的黏着磨损,从而导致失效。而在传统超硬切削加工中,冷却液以及润滑剂由于其污染问题使用受限,因此研究如何采用无形无态的气体作为润滑与保护介质有重要意义。本研究旨在揭示空气组分中的气体如N_2、O_2、H2、H2O等对于聚晶金刚石复合片/Si3N4摩擦学性能的影响,分析讨论对摩副摩擦系数、磨损率与气氛之间的关系,并通过改变气体的压强来实现抑制真空环境下现粘附的出现,最终得到以下实验结果:(1)聚晶金刚石复合片在Ar和N_2氛围下的稳定期摩擦系数为0.045和0.051要小于O_2和大气条件下的0.078和0.104,这主要由于Ar和N_2条件下,摩擦界面生成了减摩性碳质转移膜,而在O_2和大气条件下,几乎无转移膜生成。(2)聚晶金刚石复合片在Ar和N_2氛围下的磨损率分别为15.3×10-9 mm3/Nmm 和 15.8×10-9mm3/Nmm,大于 O_2和大气条件下的 6.5×10-9mm3/Nmm和8.1×10-9 mm3/Nmm。磨损主要发生在跑合期,摩擦跑合阶段,对摩副界面间发生剧烈的塑性变形,产生较强的共价反应,导致大量的材料剥落,在Ar和N_2氛围下,跑合期剧烈,持续时间长,因此磨损较大,而在O_2和大气条件下,跑合期平稳持续时间短,所以磨损较小。(3)在真空条件下,摩擦界面间强烈的粘附现象是导致较差摩擦学性能出现的主要原因,空气中H2O、H2在较低压强条件下可减少界面间粘附,使得其摩擦系数降低至0.1以下,而N_2和O_2在较低压强条件下不能够减少粘附,摩擦系数达到0.5。(4)O_2在较低压强条件下,减小粘附的性能较差,但在较高压强条件下仍可呈现出较好的减小粘附的性质,且随压强升高,性能越好,在103Pa条件下,摩擦系数仍可降至0.1以下。


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