金刚石薄膜和类金刚石薄膜摩擦学性能试验及其应用研究

【摘要】： 金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异性能,如硬度高、弹性模量大,摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等等,这使得它可以作为耐磨、减摩或保护性涂层材料沉积在刀具、模具、轴承耐磨器件以及其他对摩擦磨损性能要求较高的机械器件表面,以达到提高生产效率以及延长工作寿命等目的。类金刚石薄膜作为一种非晶碳薄膜,具有很多类似于金刚石薄膜的优异性能,如较高的硬度和弹性模量、热导率高、热膨胀系数小以及极低的摩擦系数。目前,类金刚石薄膜作为涂层材料已被广泛应用于各种领域。从剃刀片到微机电系统(MEMS),从发动机零部件到人造关节,从轴承保护膜到加工刀具和模具。本文针对硬质合金衬底材料,对金刚石薄膜和类金刚石薄膜的制备,摩擦性能试验及复杂形状涂层刀具的应用进行了研究。本文主要完成的研究工作可以概括如下: 1.硬质合金表面金刚石薄膜和类金刚石薄膜的制备和性能表征研究。金刚石薄膜采用HFCVD方法制备获得,类金刚石薄膜采用的是真空电弧放电法。采用X射线能谱仪、扫描电镜、三维白光干涉表面形貌仪、拉曼光谱仪和Rockwell C压痕实验对薄膜的表面形貌、结构成分以及附着强度进行了性能表征。扫描电镜和三维白光干涉表面形貌仪的结果表明,金刚石薄膜和类金刚石薄膜表面质量较好。金刚石薄膜的粗糙度达到Ra~164nm/Rq~203nm,类金刚石薄膜表面的平均粗糙度为Ra~75.2nm/Rq~96.1nm。金刚石薄膜的Raman光谱结果显示,在1332cm-1附近有一个明显的特征峰,代表的是金刚石薄膜中的sp3成分。从类金刚石薄膜的Raman光谱中可以看出,薄膜具有两个较宽的D峰和G峰,呈现出典型的类金刚石薄膜光谱特征。Rockwell C压痕实验(载荷1500N)结果表明,金刚石薄膜在压痕中央处出现了部分薄膜开裂剥落现象,类金刚石薄膜没有出现明显的剥落现象。该研究内容为金刚石薄膜和类金刚石薄膜摩擦性能研究以及薄膜在刀具等机械耐磨器件上的进一步应用奠定了一定的理论基础。 2.金刚石薄膜和类金刚石薄膜的干摩擦性能试验研究。在硬质合金表面上制备的金刚石薄膜和类金刚石薄膜,与氮化硅陶瓷、硬质合金、轴承钢以及铜配副材料组成的摩擦副在干摩擦条件下的摩擦学性能,揭示了金刚石薄膜和类金刚石薄膜的表面形貌,配副材料转移膜等因素对其摩擦学行为的影响。实验结果显示,金刚石薄膜的表面形貌对其摩擦学性能的影响很大,尖锐的金刚石晶粒凸峰会导致配副表面上出现强烈的犁削效应,并引起配副表面的严重磨损。磨损产生的磨屑在摩擦过程中会粘附在金刚石薄膜的表面,形成转移膜,从而增加了接触表面之间的粘着力,导致了摩擦系数的上升。在摩擦过程中类金刚石薄膜与对磨球表面形成转移膜,该转移膜为具有低剪切强度的石墨薄膜,因而使其摩擦系数较低。 3.金刚石薄膜和类金刚石薄膜水润滑摩擦学性能试验研究。水润滑条件下,金刚石薄膜摩擦副的摩擦界面上能够形成良好的边界润滑膜,并且水溶液能够将磨屑及时排出摩擦界面,有效抑制了转移膜的形成,从而导致摩擦系数的降低。对于类金刚石薄膜在水润滑条件下,不利于形成转移膜。大部分磨屑被接触表面的相对运动清除出了摩擦界面,且转移膜的剪切强度增大。水溶液的存在抑制了类金刚石薄膜的石墨化转移过程,从而使得类金刚石薄膜在摩擦过程中摩擦系数不断上升,摩擦性能变差。该研究内容不仅对于金刚石薄膜和类金刚石薄膜在硬质合金工模具领域的成功应用具有重要的促进意义,并且对水基润滑系统的应用,建立绿色、无污染的加工环境,节省石油资源的消耗,实现相关行业的技术升级,均具有非常重要的科学意义和经济价值。 4.金刚石薄膜和类金刚石薄膜涂层刀具的应用研究。通过加工玻璃纤维增强复合材料对比考察了硬质合金刀片、金刚石薄膜涂层刀片以及类金刚石薄膜涂层刀片的切削性能。未涂层刀片切削性能最差,切削10min后刀面磨损量已达到0.3mm。与未涂层刀片后刀面的快速磨损不同,在加工初期金刚石涂层刀片磨损比较缓慢,在磨损失效之前仅为50μm。当出现金刚石涂层脱落刀具磨损急剧增加到0.25mm,并且很快达到磨钝标准。类金刚石涂层刀具在整个切削过程中磨损比较稳定,磨损量变化从70μm到200μm,并没有出现类金刚石薄膜涂层剥落现象。通过铣削碳化硅颗粒增强铝基复合材料,考察金刚石薄膜和类金刚石薄膜涂层刀具的铣削性能。在整个铣削试验中,金刚石薄膜涂层铣刀始终表现出优异的铣削性能,最大磨损量仅有50μm,并且薄膜没有出现剥落。类金刚石薄膜涂层铣刀的磨损量始终低于未涂层刀具的,在铣削试验的50分钟里磨损量达到0.15mm。涂层刀具表现出良好的使用寿命和加工性能。