CVD金刚石涂层水润滑摩擦学性能及工具应用研究

摘要

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)金刚石薄膜优异的性能,如极高的硬度、弹性模量、热导率、良好的自润滑性和化学稳定性,使其在工模具领域具有广阔的应用前景。CVD金刚石薄膜在水润滑条件下也具有非常优异的摩擦学性能,主要表现为极低的摩擦系数和磨损率,这使其有望成为新一代与水润滑技术相匹配的表面耐磨减摩涂层材料。进一步地,用水润滑技术替代现今在机械加工领域广泛应用的油基润滑剂,可以达到减少加工环境污染,节约自然资源的目的,实现绿色制造。目前,国内外对于CVD金刚石薄膜的水润滑摩擦学性能研究总体来说仍处于起步阶段,其作为水润滑摩擦学涂层在工模具领域的应用研究也尚未深入展开。本文以沉积在硬质合金基体表面的CVD金刚石薄膜为研究对象,考察了其在水润滑条件下的摩擦学性能以及金刚石涂层刀具和金刚石涂层模具在水润滑条件下的加工性能。具体的研究内容概括为以下几点:
　　1.硬质合金基体表面 CVD金刚石薄膜的制备和表征。采用热丝 CVD法在硬质合金基体表面制备具有不同机械物理特性及表面形貌特性的微米金刚石薄膜(Micro-crystalline Diamond film, MCD)、纳米金刚石薄膜(Nano-crystalline Diamond film, NCD)以及微米金刚石/类金刚石复合薄膜(MCD/Diamond-like Carbon composite film, MCD/DLC)。采用扫描电镜、原子力显微镜、表面形貌仪、拉曼谱仪、X射线衍射仪以及光学接触角测量仪对薄膜的结构成分、表面粗糙度、晶粒尺寸、晶面取向、与水溶液的接触角等性能指标进行了系统、全面的表征。采用X射线衍射法和拉曼光谱法对制备的三种CVD金刚石薄膜以及掺硅MCD薄膜进行了残余应力表征,其中MCD薄膜的残余应力最小,NCD薄膜的残余应力最大,掺硅对减小MCD薄膜内的残余应力并无明显作用。
　　2. CVD金刚石薄膜水润滑摩擦学性能及耐磨减摩机理的研究。采用“球-盘”旋转式摩擦磨损试验机考察了金刚石薄膜在水润滑条件下与氮化硅陶瓷材料对摩时的摩擦系数及磨损率等摩擦学性能指标。将制备的三种CVD金刚石薄膜:MCD薄膜、NCD薄膜以及MCD/DLC复合薄膜与氮化硅陶瓷材料组成摩擦副在水润滑条件下进行摩擦实验。考察每一种摩擦副在不同的载荷(2~8N)和转速(300~1200rpm)下的摩擦系数和磨损率情况,并采用扫描电镜和EDS能谱检测CVD金刚石薄膜及其配副材料的磨损表面,研究摩擦表面粘附的磨屑以及摩擦化学反应产物的成分。实验结果显示,载荷对三种金刚石薄膜的摩擦系数均有较为明显的影响,其中对 MCD薄膜的影响尤为显著,载荷越大摩擦系数越小。转速对摩擦系数也有一定的影响,其中 NCD薄膜的摩擦系数随着转速的增加明显降低。水润滑条件下,水溶液配合转移膜在接触表面之间形成了一层良好的边界润滑膜,从而显著降低了摩擦副的摩擦系数。
　　3. CVD金刚石涂层拉拔模具在水润滑拉拔加工中的应用研究。在硬质合金基体表面沉积 CVD金刚石薄膜,并将其与铜、铝、不锈钢以及低碳钢等拉拔行业常用材料组成摩擦配副,对比研究它们在水润滑条件和油润滑条件下的摩擦系数。开发与水润滑条件下拉拔管线材相配套的装置,使得拉拔过程中模具工作区以及管线材能得到充分的润滑和冷却。在铝塑复合管实际生产中考察 CVD金刚石涂层模具在水润滑拉拔条件下的加工质量以及使用寿命。结果表明,CVD金刚石涂层模具在水润滑条件下拉制的铝塑复合管具有非常光洁的表面,尺寸精度高,使用寿命比传统硬质合金模具至少提高了100倍以上。
　　4. CVD金刚石涂层刀具在水基切削加工中的应用。在硬质合金刀片表面沉积 CVD金刚石薄膜,并采用正交优化设计方法,利用Fluent软件对金刚石薄膜沉积工艺参数进行优化,使得沉积过程中刀具表面的温度在适合金刚石生长的范围内,从而制备出高质量的金刚石薄膜。采用优化的沉积工艺制备 CVD金刚石涂层车刀片,并将SiC增强铝基复合材料作为工件材料考察金刚石涂层刀具在水润滑条件下的切削性能。采用正交试验优化金刚石涂层刀具的切削参数,在此基础上采用优化的切削参数进行刀具寿命试验,考察 CVD金刚石涂层刀具在水润滑条件下的切削寿命。试验结果显示,CVD金刚石涂层刀片在水润滑条件下的切削寿命是硬质合金刀片的3.5倍左右,表现出了良好的使用寿命。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第二章 CVD金刚石薄膜的制备、表征及残余应力研究

2.1 前言

2.2 MCD、NCD金刚石涂层的制备及表征

2.3 MCD/DLC复合涂层的制备及表征

2.4 CVD金刚石薄膜的残余应力研究

2.5 本章小结

第三章 CVD金刚石薄膜水润滑摩擦学性能及耐磨减摩机理研究

3.1 前言

3.2 CVD金刚石薄膜摩擦学性能试验

3.3 CVD金刚石薄膜的摩擦学性能及摩擦机理

3.4 本章小结

第四章 CVD金刚石涂层拉拔模具在水润滑拉拔加工中的应用

4.1 前言

4.2 CVD金刚石涂层在水润滑及油润滑条件下的摩擦学性能对比研究

4.3 CVD金刚石涂层拉拔模具的制备方法及沉积设备

4.4 CVD金刚石涂层拉拔模具的制备及性能表征

4.5 CVD金刚石涂层模具的水润滑应用

4.6 本章小结

第五章 CVD金刚石涂层刀具在水基切削加工中的应用

5.1 前言

5.2 CVD金刚石涂层刀具的沉积装备

5.3 沉积工艺参数优化

5.4 CVD金刚石涂层刀具的制备及性能表征

5.5 CVD金刚石涂层车刀片水基润滑车削加工的性能研究

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究工作及结论

6.2 主要创新点

6.3 下一步研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间公开发表的论文及申请的专利

攻读硕士学位期间获得的奖励

附录1