水润滑条件下CVD金刚石薄膜摩擦学性能及其工具应用研究

本项目将以沉积在硬质合金、碳化硅以及氮化硅陶瓷基体表面的化学气相沉积（简称CVD方法）金刚石薄膜（包括微米、纳米金刚石薄膜及超光滑金刚石复合薄膜）为研究对象，构建CVD金刚石薄膜在水润滑条件下的摩擦学体系，全面考察该体系中的各类因素（尤其是多因素的耦合作用）对其水润滑摩擦学性能的影响，从薄膜自身的减摩特性、摩擦化学反应以及水溶液润滑机理等方面揭示CVD金刚石薄膜在水润滑条件下的耐磨减摩机理，并给出典型CVD金刚石薄膜水润滑摩擦副的磨损模式图。在此基础上，将CVD金刚石薄膜沉积在拉拔模具、切削刀具及机械端面密封等工具及耐磨器件的工作表面，并在水润滑拉拔加工、水润滑切削加工以及以水溶液作为压力介质的机械密封环境中进行应用实验，进一步显示其作为水润滑摩擦学材料的优异特性，这对减少加工环境的污染，实现绿色加工，节约润滑油的消耗均具有重要的科学意义和经济价值。

CVD金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异特性，尤其是它在水润滑条件下表现出的优异的耐磨减摩特性使得它作为新兴水润滑摩擦学涂层材料沉积在切削刀具、金属拉拔模具以及机械密封器件等工模具的工作表面，实现以水基润滑加工代替油基润滑加工成为可能。这对于减少油基润滑剂引起的自然环境污染和石油资源过渡消耗、提高相关行业的技术水平、减少加工环境污染，进而实现绿色制造过程具有重要的科学意义和经济价值。. 本项目在硬质合金、碳化硅以及氮化硅陶瓷基体表面沉积了多种CVD金刚石薄膜，包括微米金刚石薄膜、纳米金刚石薄膜、超光滑微纳米金刚石复合薄膜、硅掺杂金刚石薄膜以及金刚石/类金刚石复合薄膜等，并对它们的各项特性进行了系统地表征。研究发现通过原位沉积多层具有不同性质的金刚石薄膜可以获得同时具有优异表面光滑性及良好膜基附着强度的金刚石复合涂层，这为进一步开发新型的具有不同表面耐磨减摩特性的金刚石涂层提供了理论及工艺基础。研究了各类CVD金刚石薄膜与多种工件配副及CVD金刚石薄膜自配副在水润滑条件下的表面耐磨减摩特性，揭示了CVD金刚石薄膜水润滑摩擦学特性与摩擦环境因素、摩擦表面成膜能力以及摩擦过程中摩擦表面演变对薄膜摩擦学性能的影响。对摩擦过程中CVD金刚石薄膜表面摩擦化学反应的研究揭示了金刚石薄膜具有优异的化学稳定性，但是摩擦过程中交替往复的机械作用会导致薄膜内应力的增加，并会引起亚稳态的sp3结构向稳态的sp2结构转变。此外，水润滑条件下CVD金刚石薄膜表层的碳原子更容易化学吸附水分子以形成C-O或C-H结合键，这些结合键间的吸附力小于自由碳原子的悬空共价键之间的物理吸引力，有利于降低薄膜的摩擦系数。. 应用研究方面，在各类切削刀具、机械密封以及金属拉拔模具表面沉积了具有不同表面形貌及特性的CVD金刚石薄膜。针对不同的工模具工作表面特点，设计了专用的沉积装置，并通过对金刚石薄膜生长环境的模拟仿真获得了最优的沉积配置。进一步地，在水润滑条件下研究了制备获得CVD金刚石涂层工模具它们在各自应用环境中的性能，获得了良好效果，显示了水润滑加工与CVD金刚石薄膜的结合应用可以在许多机械加工领域获得成功应用。在水润滑拉拔不锈钢管的生产过程中，超光滑金刚石复合涂层拉拔模具的寿命比传统硬质合金模具提高了100倍，拉制的产品质量也超过了硬质合金模具在油润滑条件下拉制的产品。