超光滑金刚石复合薄膜的制备、摩擦学性能及应用研究

化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)金刚石薄膜具有硬度高、摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等优异的机械及摩擦学性能,这使其在硬质合金工模具领域具有广阔的应用前景。CVD金刚石薄膜作为耐磨减摩涂层沉积在传统硬质合金刀具和拉拔模具的工作表面,能够大幅延长传统工模具的使用寿命,提高生产效率,显著改善加工质量,不仅获得了显著的经济效益,促进了相关行业关键技术的突破和加工水平的提升,而且对于有效节约铜、铝等原材料,节能降耗,减少钨、钴等战略资源的消耗,促进经济的可持续发展也具有重大意义。本文致力于解决CVD金刚石薄膜在硬质合金工模具领域产业化应用的三个关键问题,即在硬质合金基体表面沉积附着强度高、表面光滑性好的CVD金刚石薄膜的制备技术、CVD金刚石薄膜摩擦学性能和微观摩擦学机理的研究以及复杂形状金刚石薄膜涂层刀具和大孔径金刚石薄膜涂层拉拔模具的开发与应用,主要完成的研究工作可以概括为以下几点:
　　 1.超光滑金刚石复合薄膜(Ultra-smooth Composite Diamond film,USCD)制备技术。将酸碱两步法预处理工艺与微波等离子脱碳还原技术结合起来,提出了新型复合预处理工艺,并进一步在薄膜沉积过程中辅以动态硼掺杂工艺,有效解决了CVD金刚石薄膜与硬质合金基体之间膜基结合强度不足的问题。在此基础上,基于热丝CVD法,提出了通过施加负偏压形成等离子轰击的方法提高薄膜表面光滑性的新工艺,并进一步结合表面抛光技术,开发了通过交替进行“微/纳米金刚石薄膜沉积”与“表面抛光”工艺沉积USCD薄膜的制备技术。USCD薄膜由微米金刚石薄膜与纳米金刚石薄膜复合而成,既具有良好的膜基附着强度,又具有晶粒度60-80nm,表面粗糙度Ra/Rq～8.854/11.3 nm(原子力显微镜)以及Ra/Rq～88.8/118.1 nm(表面形貌仪)的超光滑表面。USCD薄膜制备技术不仅解决了膜基结合强度不足这一技术难题,而且突破了薄膜表面光滑性差、不易研磨抛光这一技术瓶颈,为CVD金刚石薄膜在硬质合金工模具领域的产业化应用奠定了坚实的基础。
　　 2.基于硬质合金基体的CVD金刚石薄膜的摩擦学性能研究。采用标准摩擦学实验方法对比研究了基于硬质合金基体的三种具有不同表面形貌的CVD金刚石薄膜,即微米金刚石薄膜(Micro-crystalline Diamond film,MCD)、细晶粒金刚石薄膜(Fine-grained Diamond films,FGD)以及超光滑金刚石复合薄膜(USCD),与铜、轴承钢配副材料组成的摩擦副在干摩擦和水润滑条件下的摩擦学性能。实验结果显示,CVD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CVD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。水润滑条件下,接触表面上形成的边界润滑膜以及转移膜的减少则导致了摩擦系数的显著下降。相比MCD薄膜与FGD薄膜,USCD薄膜表现出了更优异的摩擦学性能,其与轴承钢以及铜在干摩擦条件下对摩时的摩擦系数仅有0.13和0.17,在水润滑条件下对摩时则进一步降低至0.05和0.14。
　　 3.CVD金刚石薄膜的微观摩擦学机理研究。采用分子动力学模拟方法研究了CVD金刚石薄膜最常见的两个晶面,即金刚石(111)晶面和(001)晶面,与单晶铜(001)晶面在平面接触以及单凸体接触条件下的微观表面接触和摩擦学行为。模拟结果显示,金刚石薄膜的微观表面接触与摩擦学行为与其原子级表面粗糙度、晶格取向、表层原子结构、表面氢化、法向载荷以及摩擦速度等因素密切相关。金刚石薄膜表层原子结构沿不同晶向的分布差异导致了其微观接触及摩擦学行为的各项异性,而薄膜的表面氢化则能够在一定程度上消除这种各项异性。随着载荷的上升,接触界面上出现的原子级磨损以及配副铜晶格内部的位错、形变等晶格变形会导致摩擦力的显著增加。金刚石薄膜的原子级表面粗糙度导致了连续介质理论在解释其微观表面接触与摩擦学行为时具有明显的尺寸效应,随着金刚石探针尺寸的增加,连续介质理论与模拟值逐渐趋于吻合。同时,连续介质理论的尺寸效应还与金刚石探针的表层原子结构、晶面取向以及法向载荷等因素密切相关。
　　 4.复杂形状CVD金刚石复合薄膜涂层刀具的应用研究。在可转位槽形刀片和复杂形状整体式钻头表面沉积了硼掺杂CVD金刚石薄膜,并采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料考察了涂层刀具的切削性能,获得了制备CVD金刚石复合薄膜涂层刀具的最优硼掺杂浓度值(B/C=3000 ppm)。进一步开发了具有螺旋形热丝排布的专用沉积装置,适用于在复杂形状整体式刀具表面沉积附着强度高,表面光滑性好的CVD金刚石复合薄膜。分别在可转位槽形刀片和复杂形状印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)铣刀表面沉积了CVD金刚石复合薄膜,并采用玻璃纤维增强复合材料作为工件材料对涂层刀具的使用寿命和切削性能进行了考察。实验结果显示,CVD金刚石复合薄膜涂层可转位槽形刀片的使用寿命比硬质合金刀片提高了8倍,加工表面完整性也得到显著提高。CVD金刚石复合薄膜涂层PCB铣刀圆周切削刃和端面切削刃的后刀面磨损量仅为硬质合金PCB铣刀的1/5～1/4,并且其在铣削过程中的受力比硬质合金铣刀低很多,表现出良好的使用寿命和加工性能。
　　 5.超光滑金刚石复合薄膜涂层拉拔模具的应用研究。针对各类硬质合金焊接套、拉拔套以及铜管、低碳钢管拉拔模具,尤其是大孔径拉拔模具,开发了具有绞线型和鼠笼式热丝排布方式的新型热丝CVD沉积装置,并在其内孔表面沉积了即具有良好的膜基附着强度,又具有超光滑表面的USCD薄膜。制备获得的USCD薄膜涂层拉拔模具的入口锥、工作锥以及定径带位置的表面粗糙度风值可达25.7 nm,23.3 nm以及25.5 nm。在拉制同轴电缆外导体和铝塑复合管的生产过程中,USCD薄膜涂层焊接套的使用寿命比尼龙焊接套提高至少100倍以上,比硬质合金焊接套提高10倍左右；在拉制铜管的生产过程中,USCD薄膜涂层模具在空拔加工、固定芯头拉拔以及游动芯头拉拔过程中的拉拔产量分别比硬质合金模具提高了30倍,7倍以及10倍以上；在拉制低碳钢管的生产过程中,USCD薄膜涂层模具的拉拔产量比硬质合金模具提高了10倍以上。采用USCD薄膜涂层拉拔模具不仅能够大幅提高传统硬质合金拉拔模具的使用寿命,显著生产效率提高,有效节约钨、钴等战略资源的消耗,并且拉制的管材产品表面光洁度好,管径稳定,有效节约了铜、铝等原材料。此外,在采用USCD薄膜涂层拉拔模具拉制铝管外导体及低碳钢管的加工过程中,能够以水润滑系统代替油润滑或胶润滑系统,这对有效减少环境污染,实现绿色加工过程有积极的推动作用。